夜間通風在浙江地區的適用性研究

高克文 余俊祥 曹益堅

浙江大學建筑設計研究院有限公司

0 引言

夜間通風冷卻技術使用環境冷風降低室內溫度及建筑圍護結構溫度。夜間通風冷卻的效率主要基于夜間的室內外溫差，建筑物的圍護結構，空氣流率以及空氣流與建筑物的耦合效率，總結下來，即氣候，建筑以及運行技術三大因素。顯然，要保證較好的通風冷卻效果，氣候條件首先應當滿足要求。夏熱冬冷地區由于其經濟發展較快，對室內的熱舒適性要求較高，使得空調能耗占比越來越大，已有研究表明，在夏熱冬冷地區應用夜間通風有一定效果，而這些研究主要集中在上海、南京、長沙等地區[1-3]。浙江省為夏熱冬冷氣候區，但其南部與北部在氣候條件上有相對明顯的差異，因此，本文以它為研究對象，對夜間通風冷卻技術在浙江南部及北部的適用性做進一步分析。

1 氣候分析方法

Givoni[4]最早提出溫度日較差（Daily air temperature range）是指示夜間通風冷卻效率的重要指標，不過Blondeau P.[5]則認為平均室外溫差（Average outdoor temperature range）也許更能體現地域的通風冷卻潛能，之后Givoni 又在之前的研究基礎之上提出溫差比率TDR 作為評定氣候區夜間通風潛力的指標：

式中：Tmax,out為室外最高溫度值；Tmax,in為室內的最高溫度值；Tmin,out為室外的最低溫度值。

N.Artmann[6]則提出氣候冷卻潛力（Climatic Cooling Potential，以下簡稱CCP）的概念來描述氣候區的夜間通風冷卻潛力。

式中：hi=19，hf=7，即夜間通風始于晚上7 點結束于早上7 點，通風12 h；室內外溫差ΔTcrit=3 K，可以保證足夠的對流換熱效率，此時可以采用夜間通風；N 是采用夜間通風的天數；Tb,n,h為n 日h 時的室內溫度，Tc,n,h為n 日h 時的室外溫度。

此外，由于建筑本身的蓄熱性能，建筑得熱與夜間通風并非同步進行，而CCP 法是在不考慮建筑參數的情況下，通過分析某一地區的氣候數據來分析評價該地區的夜間通風潛力。考慮到這一情況，N.Artmann 提出用變化的室內溫度來計算CCP。為了盡可能地建立負荷實際模型，假定室內溫度為簡諧波，夏季辦公建筑室內舒適溫度為22～28 ℃，因此，室內溫度滿足：

根據這個定義，建筑室內最高溫度出現在夜間通風開始時刻hi（晚上7 點），室內最低溫度出現在夜間通風結束時刻hf（早上7 點）。

國內的研究人員在N.Artmann 的研究基礎上，對不同氣候區夜間通風的適用性進行了定量分析，亓曉琳等人[7]使用CCP 評價方法對夜間通風冷卻技術在我國北方地區的適用性進行了研究，主要包括我國長江以北的大部分地區和青藏高原地區。東南大學的樂小龍[2]以南京市的典型氣象年數據為基礎，從該地區的6、7、8 月份氣象條件出發，使用CCP 評價方法分析了南京地區的氣候。

本文接下來以浙江地區典型城市為研究對象，以氣候冷卻潛力（CCP）評價方法對省內城市采取夜間通風技術的適用性進行定量分析。

2 夜間通風適用性分析

2.1 浙江地區氣候概況

浙江地區夏季悶熱，冬季濕冷，是我國夏熱冬冷氣候的代表地區，其中1 月、7 月分別為全年氣溫最低和最高的月份，5 月、6 月為集中降雨期。馮夢萍[8]的研究指出浙江省內不同地理位置的城市氣候條件各不相同，全年的采暖、空調時長差異較大，因此不能設定統一的空調采暖期進行設計計算。葉雨等人[9]以浙江省11 個城市2004-2013 年的氣象數據為基礎進行整理分析，據此得到浙江省11 個城市節能計算用空調期，空調期基本分布在6 月初至9 月末的時間段。《浙江省居住建筑節能設計標準》將浙江省分成北區和南區2個氣候區，其中北區主要包括：杭州、寧波、紹興、嘉興、金華、湖州、衢州、舟山。南區主要包括：溫州、臺州、麗水，該分區結果與《民用建筑熱工設計規范》基本一致。北區的建筑節能設計應同時考慮夏季隔熱和冬季保溫，南區的建筑節能設計應主要考慮夏季隔熱，兼顧冬季保溫。

2.2 典型城市氣候冷卻潛力分析

由浙江省的氣候概況易知，南區與北區在氣候特征上有相對明顯的差異，因此本文以具有各自分區典型氣候特征的杭州市（北區）和溫州市（南區）為代表進行城市級夜間通風降溫潛力分析。再者，考慮夜間通風主要應用在空調期，因此僅分析6 月初至9 月末期間的降溫潛力。

杭州地區典型氣象年室外最低、最高溫度如圖1所示：

圖1 杭州地區日最高/最低溫度

由圖1 可知，杭州地區6 月及9 月夜晚最低氣溫一般在23 ℃以下，氣溫日較差較大。7、8 月份晝夜溫度均較高，氣溫日較差較小。

溫州地區典型氣象年室外最低、最高溫度如圖2所示：

圖2 溫州地區日最高/最低溫度

由圖2 可知，溫州地區僅6 月中上旬及9 月末夜晚最低氣溫在23 ℃以下，其余時間段晝夜溫度均較高，氣溫日較差整體較小。

根據氣候冷卻潛力（CCP）評價方法的定義，夜間19:00 至次日7:00 為夜間通風區間，當室外溫度比室內低3 ℃是具有通風冷卻潛力。對杭州地區逐月進行分析，如圖3～圖6 所示：6 月共有125 個小時滿足氣候降溫潛力評價要求，主要分布在6 月9 日至6 月22日，期間可采取夜間通風措施。9 月共有77 個小時滿足氣候降溫潛力評價要求，主要分布在9 月21 日至9月30 日，期間可采取夜間通風措施。而7 月～8 月期間由于夜間氣溫絕大多數高于室內溫度，氣候降溫潛力較小。對溫州地區逐月進行分析，見圖7～10：僅6 月初、9 月末的幾日具備冷卻潛力，其余時間氣候冷卻潛力值基本為0，在該地區實施夜間通風技術難度較大。

圖3 杭州地區6 月份氣候冷卻潛力

圖4 杭州地區7 月份氣候冷卻潛力

圖5 杭州地區8 月份氣候冷卻潛力

圖6 杭州地區9 月份氣候冷卻潛力

圖7 溫州地區6 月份氣候冷卻潛力

圖8 溫州地區7 月份氣候冷卻潛力

圖9 溫州地區8 月份氣候冷卻潛力

圖10 溫州地區9 月份氣候冷卻潛力

由上述分析易知，在浙江南區應用夜間通風降溫技術具有較大難度，相對而言，浙江北區有一定的夜間通風降溫潛力，主要集中在6 月中旬及9 月下旬，而7 月～8 月夏季的最熱月份，由于夜間溫度較高，因此也不適宜采用夜間通風技術。

2.3 夜間通風冷卻的強化措施

根據前述分析，夜間通風在浙江省南部地區應用并不適宜，在北部地區空調季的初期及末期有一定的適用性，但其氣候冷卻潛力并不顯著。需要注意的是，本文所采取的評價方法——氣候冷卻潛力（CCP）評價法僅僅針對氣象數據進行單一分析，并不兼顧建筑熱工參數或其他技術參數的影響，因此在浙江地區若想要盡可能地利用夜間冷量需要在建筑熱工與運行技術等方面與其他節能措施協同強化。

在建筑熱工方面，傳統的夜間通風技術是利用建筑的顯熱蓄熱體（如墻體、家具等）進行冷量的存儲，但是存儲效果非常有限，對夏季室內環境的調控效果不甚理想。而相變材料相比于傳統顯熱蓄熱體，其儲熱密度大，蓄熱能力強，周期性的相變過程還可以對夏季冷負荷起到“削峰填谷”的作用。浙江地區的建筑多為輕質圍護結構，已經有實驗研究證明在夏熱冬冷地區，將相變材料應用在輕質建筑圍護結構上能顯著地提高圍護結構的蓄熱能力，由此看來，基于相變蓄熱的夜間通風冷卻技術在浙江地區的應用具有一定的發展前景。

而影響夜間通風冷卻能力的運行技術方面則并未達成完全一致的意見，有研究者認為20 次/h 的夜間通風換氣量可改善建筑物的熱舒適性，也有研究者發現超過8 次/h 和10 次/h 的換氣量熱舒適性并未有任何改善，并且過多的換氣次數反而會造成過熱時間的增加[10]，由此揭示，要確定運行技術因素（如換氣次數、通風風速、通風溫差等）需結合整個傳熱過程，與建筑物的造型、朝向、層高等特征因素具有密切聯系，仍需進一步探究并總結規律。

3 結論

本文以浙江省南、北氣候區各自的典型城市（溫州、杭州）為例，通過逐月分析其夜間通風冷卻潛力（CCP），得出結論：杭州市（浙江北區）的夜間通風冷卻潛力優于溫州市，具有一定夜間通風適用性，主要集中于六月中旬及九月下旬。溫州市（浙江南區）總體來說，日較差較小，日最低溫度較高，僅空調機始末的幾日存在冷卻潛力，夜間通風實施起來頗具難度。

因而，為了最大化利用有限的夜間通風冷卻潛力，浙江地區應將夜間通風技術與建筑熱工、運行管理兩方面結合起來。在建筑熱工方面，已有研究驗證了相變蓄熱的節能潛力。若將其與夜間通風技術相耦合，可以更好地發揮各自節能效力。就通風運行技術而言，應考慮不同的建筑造型、朝向、層高等特征制定最適宜的通風策略。