通風時段對合肥某商場建筑能耗影響的模擬研究

楊旭冬，胡浩威，方菲苑

(安徽建筑大學 環境與能源工程學院，安徽 合肥 230601)

0 引言

隨著社會的快速發展和建筑行業不斷的興起，建筑能耗也不斷提升。據有關資料預測表明，到2020年我國建筑面積將突破600億m2，但其中只有5%的建筑符合現有的建筑節能標準[1]，所以研究建筑節能，通過研究建筑節能技術和措施減少建筑能耗，構建綠色建筑已經是刻不容緩的任務。

一直以來，夏熱冬冷地區居民喜歡利用開窗等自然通風改善室內環境的生活方式。隨著社會經濟快速發展，更多的制冷采暖設備出現，開窗的需求越來越少，人們經常利用機械設備滿足室內舒適度。但也帶來了以下兩方面的問題[2，3]：①采暖空調能耗迅速提升，導致這一項的耗電就高于其他家用電器用電量的總和，能源資源造成的壓力增大；②長期采用機械通風，空氣不流暢、室內空氣質量惡化，造成身體的抵抗力下降。

模擬分析是研究建筑節能的重要方法，為建筑節能改造提供了有力的數據支撐和理論依據。國內外有很多學者通過建筑模擬軟件實現對建筑能耗數據的直觀化。其中美國要求包括DOE-2，，En‐ergyplus等模擬軟件能模擬得到全年的建筑逐時能耗，在設置空調運行時間、雜項電器、溫控點等參數時能隨時間變化而變化。英國要求選用的能耗模擬軟件能通過選用的氣象數據且滿足相關規范導則的要求[4]。法國Syamimi Saadon[5]等在TRN‐SYS的幫助下實現了系統與模擬建筑的耦合，并且根據氣候的舒適度需求評估了該組合系統。Geor‐gios Gourlis[6]等用EnergyPlus進行動態熱模擬，以評估既有工業建筑圍護結構翻新改進的可能性。開發了兩個改造方案并利用工業建筑能源性能的關鍵參數。南歐Ana Nadal[7]等利用第一個全集成屋頂溫室房子并設置特定地點的天氣數據，精確的控制策略和動態土壤溫度，在EnergyPlus中建模，以評估等效“獨立”溫室的性能。

國內以清華大學研究的DEST為代表，其中楊志偉[8]等以嚴寒地區某高校辦公樓為研究對象，利用DeST能耗模擬軟件研究既有建筑圍護結構熱工性能，分析不同通風條件下辦公建筑的能耗變化狀況以及通風對建筑能耗的影響效果。魏曉真等[9]對寒冷地區某辦公樓利用DEST能耗模擬軟件對4種不同自然通風方案進行能耗模擬分析。解曉明[10]以DeST-c作為模擬軟件利用呼和浩特地區室外氣象和建筑參數分析夜間通風的節能性，并用此方法分析了我國其他城市的辦公類建筑夜間通風節能性。駱詩哲[11]以廣州地區居住建筑為研究對象，采用了DeST-h能耗軟件的兩種通風模擬方式分別模擬在有無通風兩種情況下圍護結構外窗的傳熱系數和遮陽系數對建筑能耗的影響。

在公共建筑的運營過程中需要研究和明晰通風對整體建筑的節能效果，以便采取更加合適的節能改造措施，從建筑不同通風時間下建筑能耗變化情況，進而給出合理的建議。本文以合肥某商場公共建筑為研究對象，根據DeST能耗模擬軟件研究夏熱冬冷地區不同通風時間下公共建筑的能耗情況及節能效果。

1 建筑概況

本文模擬的對象建筑是合肥市某商場，該建筑結構體系為鋼筋混凝加框架剪力墻結構，共有5層，建筑高度33 m，標準層高為5.7 m，建筑面積為115 708 m2，體形系數為0.07。建筑總平面圖如圖1所示。圍護結構熱工參數如表1所示。

圖1 建筑總平面圖

表1 圍護結構材料及傳熱系數

在夏熱冬冷地區，圍護結構材料和參數的選取關乎著窗墻比、外墻和外窗傳熱系數、遮陽系數四個對圍護結構節能潛力的有影響的因素。本文以實際建筑為模型，根據建筑實際圍護結構設置參數，在公共建筑圍護結構規定性限值范圍內。該商場通風方式主要是兩種：一種是采用全空氣中央空調形式或者空氣處理機組+新風的中央空調形式實現商場內與室外空氣的交換的機械通風方式，另一種是采用開窗以及開門等形式的自然通風方式。

2 建立模型及參數設置

2.1 模型的建立

根據實際參數和設計參數情況對合肥市某商場利用DeST軟件進行建模計算分析，該商場整體模型和商場模型俯視圖如圖2，圖3所示。

圖2 商場整體模型

圖3 商場模型俯視圖

3 模擬分析與討論

根據設定的參數，利用DeST根據表4采暖季和空調季的日期設定對該商場建筑的全年逐時冷、熱負荷進行模擬。采暖季設定為11月15日—次年3月15日，空調季設定為6月1號—8月30日，3種方案的模擬結果如圖5，圖6，圖7和表5所示。

表3 通風時段的方案

表4 采暖季和空調季的日期設定

圖5 方案1全年逐時空調負荷

圖6 方案2全年逐時空調負荷

圖7 方案3全年逐時空調負荷

表5 三種方案冷、熱負荷對比

能耗模擬結果見表5。通過分析可知，在5：00-13：00通風其他時間不通風時，全年累計熱負荷為5 792 781.18 kW·h，全年累計冷負荷為12 046 477.67 kW·h。13：00-21：00 通風其他時間不通風時，全年累計熱負荷為4 034 079.80 kW·h，全年累計冷負荷為 12 347 078.24 kW·h。21：00-5：00 通風其他時間不通風時，全年累計熱負荷為699 743.76 kW·h，全年累計冷負荷為10 318 188.65 kW·h。

圖8 三種方案負荷對比

由圖8可知，該商場在通風情況下，全年熱負荷按從小到大排序為：方案3＜方案2＜方案1，全年冷負荷按從小到大排序為：方案3＜方案1＜方案2，所以在21：00-5：00可通過開窗增大自然通風，從而減少建筑能耗，其次在夏季可以適當在時間段5：00-13：00 開窗或冬季可以適當在 13：00-21：00開窗，更大程度上減少建筑能耗。由于此公共建筑為商場，可能在21：00-5：00時間段商場人流量低且部分空調不運行，所以在此時間段通風負荷最低，且在 5：00-13：00 室外溫度低于 13：00-21：00溫度，對于熱負荷來說，冬季上午通風會帶走室內熱量，空調負荷增加，所以上午負荷高于下午負荷，對于冷負荷來說，夏季下午通風會增加外界帶來的熱量，空調負荷增加，所以下午負荷高于上午負荷。

為了更好地分析3種方案的節能情況，以13：00-21：00通風時方案2的建筑負荷為基準值，計算在時間段 5：00-13：00 通風時和 21：00-5：00 通風時負荷節能比，結果如下圖9、圖10所示。

圖9 方案1節能對比

圖10 方案3節能對比

由圖9、圖10可知，不同通風時段的通風節能效果是不同的。以13：00-21：00時間段通風作為基準值，冬季21：00-5：00通風的節能率最高，達82.65%，夏季 21：00-5：00 通風節能率達到16.43%，夏季5：00-13：00通風節能率達到2.43%，但冬季5：00-13：00通風反而增加建筑能耗，不利于建筑節能，達到-43.6%。可能由于21：00-5：00溫度低于其他時間溫度，建筑負荷及能耗偏低，所以在21：00-5：00通風能明顯降低建筑負荷，能達到節能的目的，且 5：00-13：00 溫度低于 13：00-21：00溫度，所以對冬季來說，上午通風降低室內熱量，會更大強度增加空調能耗，從而增加建筑能耗，與下午通風相比，不利于節能。

由于該建筑為公共建筑商場，考慮其實際運營情況，在21：00-5：00和時間段商場人流量最低，在此時間段開窗不影響商店運營和室內舒適度，而5：00-13：00是商場人流量偏低，在此時間段可以在不影響人舒適性和店面運營的情況下適當開窗降低能耗。合理選擇節能效果明顯的時段，可以減少空調風機運行的時間，在不影響熱舒適性的前提下節約風機能耗。在本文研究的氣候環境條件下，選擇21：00-5：00進行自然通風節能效果明顯。

4 結論

通過DeST對該商場建筑物兩種通風方式和三種通風時間進行全年能耗模擬分析，得到合肥市各月逐時干球溫度，全年逐時空調負荷以及項目各負荷能耗統計，并對方案對比得出節能率，主要結論如下：

(1)將三種通風時間方案進行對比，夜間通風可以最大程度的降低全年累計負荷和能耗，達到節能最優的效果。

(2)可能由于夏季和冬季上午溫度低于下午溫度，所以對于全年冷負荷，在時間段5：00-13：00通風的負荷低于 13：00-21：00 通風，5：00-13：00 通風的節能效果優于13：00-21：00通風效果；而對于全年熱負荷，13：00-21：00 通風的負荷低于 5：00-13：00通風負荷，13：00-21：00通風的節能效果優于5：00-13：00通風效果。因此在節能改造過程中，建議在21：00-5：00可通過開窗增大自然通風，從而減少建筑能耗，其次在夏季可以適當在時間段5：00-13：00開窗或冬季可以適當在13：00-21：00開窗，更大程度上減少建筑能耗，也可以注意多種通風時間的綜合使用所帶來的節能效果。

本文建立夏熱冬冷地區自然通風預冷節能潛力評價體系模型，得到通過不同時間段開窗的可行性方法降低建筑能耗以及夜間通風可以達到節能最大化，這些為完善我國近零能耗建筑技術系統提供數據支撐。但在將來研究對通風對負荷和能耗影響過程中，還需要考慮建筑本身的蓄熱特性，進一步結合通風方式和通風時間綜合研究公共建筑的節能效果。