基于EnergyPlus對南京地區(qū)應(yīng)用夜間通風(fēng)預(yù)測

樂小龍 梁彩華 張小松

東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院

基于EnergyPlus對南京地區(qū)應(yīng)用夜間通風(fēng)預(yù)測

樂小龍 梁彩華 張小松

東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院

為了對南京地區(qū)進(jìn)行夜間通風(fēng)的可行性進(jìn)行預(yù)測，選取南京地區(qū)某典型辦公樓，利用建筑全能耗模擬軟件EnergyPlus進(jìn)行了模擬研究。在典型氣象條件下，分別考慮了通風(fēng)時(shí)間，換氣次數(shù)等因素對室內(nèi)溫濕度及空氣比焓的影響。將室內(nèi)空氣焓值的變化等效為空氣源熱泵空調(diào)耗電量，通過對比空調(diào)的耗電量與通風(fēng)風(fēng)機(jī)的耗電量，得出最佳的換氣次數(shù)，并進(jìn)行了節(jié)能效果分析。結(jié)果表明：通風(fēng)時(shí)間選擇在室外溫度較低的時(shí)間段內(nèi)較為合適。換氣次數(shù)在不同的通風(fēng)時(shí)間下對應(yīng)不同的臨界點(diǎn)，當(dāng)換氣次數(shù)小于臨界點(diǎn)的換氣次數(shù)時(shí)，等效空調(diào)耗電量大于風(fēng)機(jī)耗電量，此時(shí)具有節(jié)能效果。當(dāng)通風(fēng)時(shí)間為6:00～6:30時(shí)，換氣次數(shù)為1～2ac/h時(shí)，等效空調(diào)的耗電量與風(fēng)機(jī)的耗電量差值的絕對值最大，半小時(shí)通風(fēng)的最大節(jié)能達(dá)到3.6kWh。

EnergyPlus夜間通風(fēng)南京地區(qū)節(jié)能

0 引言

夜間通風(fēng)降溫技術(shù)（Night-time Ventilation Cooling Technique）是指在夜晚室外溫度較低時(shí)，通過某種手段將室外溫度較低的空氣引入室內(nèi)，置換室內(nèi)溫度較高的空氣，從而降低室內(nèi)空氣和建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的溫度，改善室內(nèi)熱環(huán)境的一種有效的被動(dòng)式降溫技術(shù)[1]。當(dāng)白天需要開啟空調(diào)制冷時(shí)，可以減少空調(diào)的能耗，達(dá)到節(jié)能的目的。同時(shí)，將室外新鮮空氣引入室內(nèi)，也改善了室內(nèi)的空氣品質(zhì)[2]。國外對夜間通風(fēng)的研究起步較早，V.Geros[3-4]等人在1999年對雅典地區(qū)應(yīng)用夜間通風(fēng)進(jìn)行了研究，指出夜間通風(fēng)的效果和室內(nèi)外溫差，建筑熱容量，有效氣流速度關(guān)系密切，室外溫度變化幅度較大時(shí)進(jìn)行通風(fēng)效果比較好。N.Artmann[5]等研究了氣候條件、建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、得熱量、傳熱系數(shù)、換氣次數(shù)等參數(shù)對夜間通風(fēng)的影響，得出氣候條件和換氣次數(shù)對夜間通風(fēng)的效果影響最大。國內(nèi)方面，邸倩倩[6]等采用熱平衡負(fù)荷計(jì)算法對北京地區(qū)采用夜間通風(fēng)進(jìn)行了研究，得出采用夜間通風(fēng)后，推遲了白天空調(diào)開啟的時(shí)間，減少了白天空調(diào)的負(fù)荷，全天節(jié)能4%以上。高甫生[7]等對北方地區(qū)應(yīng)用夜間通風(fēng)進(jìn)行了預(yù)測，得出哈爾濱、北京、沈陽等地合適進(jìn)行夜間通風(fēng)的天數(shù)以及節(jié)能效果。目前國內(nèi)關(guān)于夜間通風(fēng)的研究主要針對北方氣溫日較差較大的區(qū)域，而對夏熱冬冷地區(qū)應(yīng)用夜間通風(fēng)研究的較少。本文以南京為代表性城市，分別研究在不同的通風(fēng)條件下，室內(nèi)空氣的溫度、相對濕度和焓值的變化。通過模擬分析夜間通風(fēng)的效果并和風(fēng)機(jī)能耗進(jìn)行比較，最后得出南京地區(qū)應(yīng)用夜間通風(fēng)可行性。

1 建筑模型

本文利用建筑全能耗模擬軟件EnergyPlus對位于南京東南大學(xué)校園內(nèi)辦公建筑——逸夫建筑館進(jìn)行夜間通風(fēng)的模擬研究。EnergyPlus是美國能源部（Departmentof Energy，DOE）和勞倫斯·伯克利國家實(shí)驗(yàn)室（Law rence Berkeley National Laboratory，LBNL）共同開發(fā)的一款建筑能耗模擬軟件[8～9]。逸夫建筑館位于東南大學(xué)校園內(nèi)，中大院東側(cè)，健雄院南側(cè)，東面為城市道路成賢街。逸夫建筑館占地面積4610m2，建筑面積16910m2，建筑高度為71.5m，建筑地下有一層，地上主樓十五層，裙房三層，如圖1所示。

圖1 逸夫建筑館模型

2 通風(fēng)過程分析

考慮到辦公建筑辦公時(shí)間在8:00～18:00之間，空調(diào)開啟時(shí)間一般為7:30～18:00（預(yù)冷半小時(shí)）。從典型氣象條件（圖2～3）可以看出，凌晨6:00左右室外溫度最低，進(jìn)行通風(fēng)時(shí)室內(nèi)外換熱溫差最大，夜間通風(fēng)的效果最好，因此選擇在凌晨6:00附近的時(shí)間段進(jìn)行通風(fēng)。本文選擇三個(gè)時(shí)間段分別是：6:00～6:30、6:30～7:00和7:00～7:30。換氣次數(shù)分別設(shè)置為2a/ch、4a/ch、6ac/h、8ac/h和10ac/h。以典型氣象條件為例分析夜間通風(fēng)對室內(nèi)熱環(huán)境的影響。

圖2 室外干球溫度

圖3 室外相對濕度

2.1 通風(fēng)對室內(nèi)溫度的影響

當(dāng)通風(fēng)時(shí)間為6:00～6:30時(shí)，變換不同的換氣次數(shù)，即在不同的通風(fēng)速率下進(jìn)行夜間通風(fēng)，其結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同換氣次數(shù)下室內(nèi)平均溫度變化（6∶00～6∶30）

圖5 不同換氣次數(shù)下室內(nèi)平均溫度變化（6∶30～7∶00）

從圖4中可以看出：1）通風(fēng)未開啟時(shí)，室內(nèi)平均溫度變化趨勢基本相同，在開啟通風(fēng)之后，室內(nèi)平均空氣溫度迅速降低，換氣次數(shù)越大，溫度的變化率也越大。在停止通風(fēng)之后，溫度迅速上升。2）換氣次數(shù)越大，通風(fēng)結(jié)束時(shí)，室內(nèi)溫度越低，室內(nèi)溫度越接近室外溫度。當(dāng)換氣次數(shù)為2 ac/h時(shí)，通風(fēng)結(jié)束時(shí)，室內(nèi)溫度為24.9℃，而當(dāng)換氣次數(shù)為10ac/h時(shí)，通風(fēng)結(jié)束時(shí)室內(nèi)溫度降到了21.1℃。

同樣改變通風(fēng)時(shí)間為6:30～7:00和7:00～7:30，換氣次數(shù)變化規(guī)律不變，結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖6 不同換氣次數(shù)下室內(nèi)平均溫度變化（7∶00～7∶30）

從圖5和圖6中可以看出，當(dāng)通風(fēng)時(shí)間改變后，室內(nèi)溫度的變化趨勢和前面分析的大致相同，只是通風(fēng)結(jié)束時(shí)室內(nèi)溫度不一樣。當(dāng)通風(fēng)時(shí)間為6:30～7:00，換氣次數(shù)為2ac/h時(shí)，通風(fēng)結(jié)束時(shí)室內(nèi)溫度為25℃，而當(dāng)換氣次數(shù)增加至10ac/h時(shí)，室內(nèi)溫度降至22.1℃。當(dāng)在7:00～7:30時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行通風(fēng)，換氣次數(shù)為2ac/h時(shí)，通風(fēng)結(jié)束時(shí)室內(nèi)溫度降至25.6℃；換氣次數(shù)為10ac/h時(shí)，室內(nèi)溫度降至23.3℃。

2.2 通風(fēng)對室內(nèi)相對濕度的影響

在南京這類夏熱冬冷地區(qū)，夏季室外相對濕度較高，因此必須注意通風(fēng)后對室內(nèi)相對濕度的影響。下面分析通風(fēng)對室內(nèi)相對濕度的影響，和前面分析對溫度的影響一樣，分三個(gè)時(shí)間段分析其影響。模擬結(jié)果分別如圖7、圖8和圖9所示。

圖7 不同換氣次數(shù)下室內(nèi)相對濕度變化（6∶00～6∶30）

圖8 不同換氣次數(shù)下室內(nèi)相對濕度變化（6∶30～7∶00）

圖9 不同換氣次數(shù)下室內(nèi)相對濕度變化（7∶00～7∶30）

從圖7中可以看出，在夜間室外相對濕度在75%左右的情況下，通風(fēng)開啟的第一個(gè)小時(shí)內(nèi)，室內(nèi)相對濕度迅速增加。當(dāng)換氣次數(shù)為2ach，通風(fēng)前室內(nèi)相對濕度為42.4%，通風(fēng)結(jié)束時(shí)室內(nèi)相對濕度達(dá)到了48.0%。換氣次數(shù)越大，通風(fēng)結(jié)束時(shí)室內(nèi)相對濕度也越大。和換氣次數(shù)2ac/h相比，10 ac/h時(shí)通風(fēng)結(jié)束時(shí)室內(nèi)相對濕度達(dá)到了61.2%。

從圖8和圖9中可以看出，不同通風(fēng)時(shí)間下，通風(fēng)時(shí)室內(nèi)相對濕度變化趨勢基本相同，只是通風(fēng)結(jié)束時(shí)室內(nèi)相對濕度有所變化。

2.3 通風(fēng)對室內(nèi)空氣比焓值的影響

空氣中的焓值是指空氣中含有的總熱量，通常以干空氣的單位質(zhì)量為基準(zhǔn)，稱作比焓?？梢愿鶕?jù)一定質(zhì)量的空氣在處理過程中比焓的變化，來判定空氣是得到熱量還是失去了熱量。空氣的比焓增加表示空氣中得到了熱量；空氣的比焓減小表示空氣中失去了熱量[10]。

在已知通風(fēng)條件下室內(nèi)溫度、相對濕度、大氣壓力等狀態(tài)的情況下，可以根據(jù)空氣狀態(tài)參數(shù)的一些計(jì)算方法計(jì)算[11]，計(jì)算出室內(nèi)空氣比焓值的變化情況。

在不同通風(fēng)時(shí)間和換氣次數(shù)條件下室內(nèi)空氣比焓的變化情況如圖10所示。從圖10中可以看出，相同的換氣次數(shù)下6:00～7:00這一段時(shí)間內(nèi)進(jìn)行通風(fēng)，通風(fēng)結(jié)束后空氣比焓值下降得更明顯，而7:00～7:30進(jìn)行通風(fēng)后空氣比焓值降低的幅度有限。同時(shí)可以看出在相同的通風(fēng)時(shí)間下，室內(nèi)空氣比焓值降低的程度與換氣次數(shù)呈正相關(guān)。

圖10 不同通風(fēng)時(shí)間下空氣比焓值變化

2.4 節(jié)能性分析

在EnergyPlus中根據(jù)不同的換氣次數(shù)對應(yīng)的不同的通風(fēng)量，由風(fēng)機(jī)性能參數(shù)選擇不同的全壓，已知風(fēng)機(jī)通風(fēng)量、全壓和風(fēng)機(jī)效率可以得到風(fēng)機(jī)的能耗，如表1所示。

表1 不同換氣次數(shù)下0.5h風(fēng)機(jī)能耗

在計(jì)算出不同措施下室內(nèi)空氣焓值變化之后，和無通風(fēng)的情況進(jìn)行比較，可以得出室內(nèi)空氣比焓值的減少量。逸夫建筑館建筑面積16910m2，假設(shè)其辦公區(qū)域面積10000m2，并且辦公區(qū)域全部采用夜間通風(fēng)，于是可以得出整棟建筑冷負(fù)荷的減少量。這部分冷負(fù)荷用空氣源熱泵空調(diào)來消除，空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)按COP=3計(jì)算，可以得出這部分負(fù)荷如果用人工制冷的方式消除需要消耗的電量。

表2，表3和表4分別列出了不同通風(fēng)時(shí)間和換氣次數(shù)（換氣次數(shù)為0表示無通風(fēng)）的條件下，室內(nèi)空氣比焓值的減少量以及這部分負(fù)荷等效的空氣源熱泵的耗電量。

表2 不同換氣次數(shù)下室內(nèi)空氣比焓值（6∶00～6∶30）

表3 不同換氣次數(shù)下室內(nèi)空氣比焓值（6∶30～7∶00）

表4 不同換氣次數(shù)下室內(nèi)空氣比焓值（7∶00～7∶30）

從表2、表3和表4中可以看出，隨著換氣次數(shù)的增加，室內(nèi)空氣比焓值逐漸減小。和無通風(fēng)的時(shí)室內(nèi)空氣狀態(tài)進(jìn)行比較，換氣次數(shù)越大，負(fù)荷減少量越多。

將表2、3、4中等效的空調(diào)耗電量和表1中風(fēng)機(jī)耗電量進(jìn)行比較，通風(fēng)時(shí)間為6:00～6:30時(shí)，空調(diào)等效耗電量與風(fēng)機(jī)耗電量兩者曲線的交點(diǎn)為A點(diǎn)；通風(fēng)時(shí)間為6:30～7:00和7:00～7:30時(shí)，兩者交點(diǎn)分別為B點(diǎn)和C

圖11 風(fēng)機(jī)耗電量與等效的空調(diào)耗電量比較

從圖11中可以看出可以看出，A、B、C點(diǎn)為臨界點(diǎn)。當(dāng)換氣次數(shù)等于臨界點(diǎn)換氣次數(shù)時(shí)，等效的空調(diào)耗電量等于風(fēng)機(jī)耗電量，此時(shí)為臨界狀態(tài)，無節(jié)能效果；當(dāng)換氣次數(shù)小于臨界點(diǎn)的換氣次數(shù)時(shí)，等效的空調(diào)耗電量大于風(fēng)機(jī)耗電量，具有節(jié)能效果；當(dāng)換氣次數(shù)大于臨界點(diǎn)的換氣次數(shù)時(shí)，等效的空調(diào)耗電量小于風(fēng)機(jī)耗電量，不具有節(jié)能效果。當(dāng)通風(fēng)時(shí)間為6:00～6:30時(shí)，換氣次數(shù)為1～2ac/h時(shí)，等效空調(diào)耗電量與風(fēng)機(jī)耗電量差值的絕對值最大，此時(shí)的通風(fēng)效果最佳，0.5h通風(fēng)最大的節(jié)能3.6kWh。

3 結(jié)論

本文利用EnergyPlus對在南京地區(qū)進(jìn)行夜間通風(fēng)的效果進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：

換氣時(shí)間和通風(fēng)次數(shù)對夜間通風(fēng)后室內(nèi)的溫濕度都有影響，通風(fēng)時(shí)間選擇在室外溫度較低的時(shí)間段內(nèi)夜間通風(fēng)效果較好。換氣次數(shù)在不同的通風(fēng)時(shí)間段下對應(yīng)不同的臨界點(diǎn)，當(dāng)換氣次數(shù)等于臨界點(diǎn)的換氣次數(shù)時(shí)，等效空調(diào)的耗電量等于風(fēng)機(jī)耗電量；當(dāng)換氣次數(shù)小于臨界點(diǎn)的換氣次數(shù)時(shí)，等效空調(diào)的耗電量大于風(fēng)機(jī)耗電量，此時(shí)具有節(jié)能效果；當(dāng)換氣次數(shù)大于臨界點(diǎn)的換氣次數(shù)時(shí)，等效空調(diào)的耗電量小于風(fēng)機(jī)耗電量，不具有節(jié)能效果。當(dāng)通風(fēng)時(shí)間為6:00～6:30時(shí)，換氣次數(shù)為1～2ac/h時(shí)，等效空調(diào)的耗電量與風(fēng)機(jī)耗電量差值的絕對值最大，半小時(shí)通風(fēng)后最大的節(jié)能到達(dá)3.6kWh。由此說明南京地區(qū)在合適的通風(fēng)方案下進(jìn)行夜間通風(fēng)，可以利用夜間室外冷空氣這一天然冷源，達(dá)到節(jié)能的目的。

由于本文沒有考慮通風(fēng)時(shí)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄、放冷的影響，因此實(shí)際通風(fēng)的效果是否優(yōu)于以上結(jié)論，還有待于以后的探究。

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Ap p lic a tion Ana lys is on N igh t-tim e Ven tila tion in Nan jing A rea based on Ene rgyPlus

YUEXiao-long,LIANGCai-hua,ZHANG Xiao-song Schoolof Energy and Environment,SoutheastUniversity

In order to study the feasibility of night-time ventilation in Nanjing,a typicaloffice buildingwas selected and building energy simulation software EnergyPluswas used to simulate.In the typicalweather conditions,considered the ventilation time,the air change rate and other factorson the indoor temperature,humidity,and enthalpy.The change in enthalpy of the indoor airwasequivalent to the power consumption of source heatpump air-conditioning,by comparing the energy consumption in fan power consumption.The results show that:ventilation time appropriate to select the time when outdoor temperature is lower.The air change rate corresponds to different critical point in different ventilation time.When air change rate is less than thatof the critical point,the equivalent air-conditioning power consumption is greater than the fan power consumption.Ithasenergy-saving effect.When the ventilation time is from 6:00 to 6:30 am, air change rate is 1～2 ac/h,the absolute difference of equivalent air-conditioning power consumption and fan power consumptionwasmaximum,energy saving reach 3.6kWh in halfan hour.

EnergyPlus,night-time ventilation,Nanjing,energy-saving

1003-0344（2014）02-006-5

2013-5-2

梁彩華（1979～），男，研究員；東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院；025-83792692；E-mail:Caihualiang@163.com

“十二五”國家科技支撐計(jì)劃（2011BAJ03B14）；江蘇省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（BK2010029）