建筑實體蓄能的探討

榮國華

華優建筑設計院有限公司

夏季空調蓄冷、冬季采暖蓄熱技術已經得到大量應用，夜間蓄能為電網消峰填谷、緩解電力緊張起到了積極的作用，同時為用戶節省了電費。目前的蓄能技術是把能量蓄存在介質中，系統結構復雜，冰蓄冷投資高，回收期長，通常在3 年以上[1]。任何材料都可以蓄能，比如建筑的墻體、地板、家具等建筑實體，這些都是建筑的既有材料，屬于必要的一次性投資，如果利用建筑實體作為蓄能介質，可以為用戶節省投資。

國內學者對建筑夏季夜間通風降溫做了大量的研究，對比了不同的換氣次數對房間降溫的影響，比如：朱新榮等在文獻[2]中提出，通風換氣最佳次數為10 次/h，繼續增大換氣次數對空調負荷的降低沒有意義。這些研究對建筑實體溫度的變化沒有太多的敘述，而建筑實體蓄冷是一個深度降溫的過程，其溫度的變化對蓄冷量影響較大。

1 建筑實體蓄能溫度的設定和舒適性

建筑實體蓄能溫度是指蓄能結束后，實體材料所達到的溫度。夏季蓄冷溫度宜定為20 ℃，與室內空調設計溫度26 ℃有6 ℃的溫差，可以防止結露，避免引起人體的過度冷感。冬季蓄熱溫度宜定為26 ℃，與室內采暖設計溫度20 ℃有6 ℃的溫差，高于26 ℃時，人體感覺燥熱。蓄冷和蓄熱過程都是6 ℃的溫差，增大溫差可以增加蓄能量，但提高了運行費用且人體的不舒適度感增強。減小溫差就減少了蓄能量，雖然降低了人體的不舒適度，但節能效果受到影響。當然，建筑實體蓄能溫度的設定應遵守《輻射供暖供冷技術規程》（JGJ142-2012）[3]的規定。建筑實體蓄能降低了人體的舒適性，用戶很難接受和適應，建議通過改變著裝來適應，夏季穿保暖的褲子和鞋，抵御下肢體的冷感，而冬季穿夏裝，使身體感到涼爽。

2 建筑實體蓄能的外部條件

在我國高緯度、高海拔地區，夏季凌晨會出現持續時間較長的低溫，通常在20 ℃以下，為建筑實體蓄冷提供了免費的天然冷源，比如我國的東北、西北、西南地區，青藏高原、黃土高原、云貴高原地區，很多地方7 月份的平均最低氣溫在20 ℃以下[3]，在其它月份，還會出現更低的溫度，在這些地區有豐富的天然冷源。在我國其它地區夏季凌晨也會出現20 ℃以下的時間窗口，是建筑實體蓄冷的好時機。

實行峰谷平電價，夜間利用廉價的電能，啟動建筑的空調制冷系統，向房間送冷風或冷水，把建筑實體的溫度降到露點溫度以上，它不受地理位置、氣候條件的限制，任何地方都可以實施，節省電費效果顯著。利用空調系統蓄能要實現經濟效益，必須有較高的峰谷電價比或電價差。

3 建筑實體蓄能的內部條件

建筑實體蓄能需要有厚重的圍護結構和良好的保溫、遮陽性能，外墻、內墻、地板需要用高密度、高容重的建筑材料構筑，保證建筑實體有高的熱容量，同時依靠良好的保溫、遮陽性能，減少室內外能量的傳遞，降低冷熱負荷。老式建筑多為磚混結構，墻體厚重，通過節能改造，加強外保溫，這樣的建筑就適合實體蓄能的要求。而現代建筑為了節能的需要，往往采用厚重的外保溫、輕薄的結構墻體、通暢的玻璃幕墻，雖然降低了冷熱負荷，建筑實體的熱容量也降低了，不利于建筑實體的蓄能。

建筑實體蓄能是利用建筑現有的通風空調制冷系統，而不需要額外增加冰蓄冷、水蓄冷等蓄能系統。當建筑具有風機盤管加新風系統時，可利用新風系統從室外引進低溫冷風，如果新風量不能滿足建筑實體降溫的需求，就啟動風機盤管系統，加大風量和制冷量。當建筑采用地埋管輻射空調系統時，可利用室外冷空氣把循環水降溫，再送入室內，使地板降溫。因此，建筑實體蓄能就是利用建筑現有通風空調制冷系統，通過風、水循環介質，把室外能量蓄存在建筑實體中。

4 建筑實體蓄能的傳熱分析

4.1 建筑實體的蓄能過程

以北京某磚混結構辦公樓的標準房間為例，分析在蓄能過程中墻體溫度的變化。該房間朝南，開間為3.6 m，進深5 m，層高為3.2 m，外墻為370 mm 實心磚墻，外包50 mm 聚苯板，外窗為雙層Low-e 玻璃，房間內隔墻、走道隔墻為240 mm 實心磚墻，房間門為0.9 mm×2.2 mm 木門，底板和頂板為150 mm 厚鋼筋混凝土鋪地磚，不考慮相鄰房間的傳熱。

夏季夜間蓄冷時，假設室外溫度為17 ℃，向房間送冷風，瞬間把室內空氣溫度從20 ℃降為17 ℃，外墻、內墻、地板、家具的起始溫度為26 ℃，瞬間處于17 ℃的空氣中，使這些建筑實體降溫，通過非穩態導熱的數值解法[4]，求解建筑實體的溫度變化值。

通過計算可知，當墻板中心溫度達到20 ℃時，地板用時3969 s（約1 h 6 min），內墻用時15093 s（約4 h 12 min），外墻用時35883 s（約10 h），如果考慮外墻的保溫，尤其夏季夜間室外最低溫度超過26 ℃時，用時將會更長，在一個晚上不可能降到20 ℃。同時可知，當墻板中心溫度降低到20 ℃時，墻板表面溫度已經低于18 ℃，易發生結露現象。

為了防止結露，墻中心溫度不必要降到20 ℃，只要墻內各點平均溫度達到20 ℃即可，這樣從計算過程可以得出，內墻經過9503 s 時，墻內平均溫度達到20.02 ℃，熱容量（或蓄冷量）為58193 kJ，外墻經過22593 s 時，墻內平均溫度達到20.05 ℃，熱容量為30948 kJ，地板經過2499 s 時，板內平均溫度達到20.02 ℃，熱容量為32659 kJ，蓄冷時間縮短了三分之一以上。

4.2 建筑實體的釋能過程

夜間建筑實體蓄能結束后，早上投入使用，建筑實體開始釋能，由于建筑實體與人體、燈具、電腦等發熱體有較大的溫差，兩者必然發生輻射換熱，空調送新風以及人走動形成空氣擾動，室內空氣與建筑實體表面發生對流換熱，人體接觸低溫的地板、家具，也有少量導熱換熱，因此，建筑實體釋能是一個輻射換熱、對流換熱、導熱的復合換熱過程，與蓄能單純的對流換熱過程有較大的區別，兩者不是一個反向對稱過程，釋能所需的時間不一定與蓄能所需的時間相同。

很多學者對釋能過程做了大量的研究工作，林坤平、徐宏慶在文獻[5]中提出了附加冷負荷系數的概念，該文認為，對于間歇性空調系統，當夜間空調系統停止運行時，室外熱量通過圍護結構傳入室內，使建筑實體和室內空氣溫度升高，大于室內空調設計溫度，第二天空調系統啟動后，由于建筑實體的溫度高于室內空調設計溫度，從而給空調系統帶來附加冷負荷。為此，他們推出了不同場景下房間附加冷負荷系數，據此可以求出空調運行期間的逐時附加冷負荷。

本文借鑒該研究成果，用于求解建筑實體釋能過程中逐時的釋冷負荷。該房間內墻面積為41.54 m2，地板面積18 m2，家具面積2 m2，家具厚度為3cm，室內設計溫度為26 ℃，房間晝夜溫差為6 ℃，從文獻[5]中查出該房間的冷負荷系數，從而得出建筑實體的逐時附加冷負荷，見表1。

表1 逐時附加冷負荷

當建筑夜間不蓄冷時，根據《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》（GB50736-2012）[6]，計算出該房間夏季空調設計逐時冷負荷。房間有兩人辦公，兩臺電腦，人體發熱量為110 W/人，電腦發熱量150 W/臺，燈光發熱量60 W，室內設計溫度26 ℃，新風標準為30 m3/(人·時)，新風冷負荷為183 W，這樣，夏季該房間實際冷負荷見表2。

表2 夏季逐時冷負荷

實際冷負荷為設計冷負荷、附加冷負荷、新風冷負荷之和，因建筑實體溫度低于室內設計溫度26 ℃，所以附加冷負荷為負值。從表2 可以看出，從8:00 上班到13:00 時間段內，由于建筑實體向房間釋放冷量，空調系統向房間提供必要的新風，而且新風是降溫除濕后的冷風，房間實際所需的冷負荷為負值，這樣房間的風機盤管不啟動，只需送新風，制冷主機的負荷至少降低三分之二，避開了2 h 的平段電價和3 bh 的峰值電價，節省了大量的電費。

根據表2 計算得出，從8:00 到18:00，內墻、地板釋放的冷量為22655 kJ，內墻、地板還積蓄有68197 kJ的冷量沒有釋放出來。19:00 至7:00 時間段的空調設計總冷量為3726 kJ，8:00 至18:00 時間段空調設計總冷量為24984 kJ，合計總冷量為28710 kJ，該數值遠小于內墻、地板積蓄的總冷量90852 kJ，后者是前者的3倍。從數值上可以推斷，只需要一個晚上的時間，把建筑實體溫度降到20 ℃，就可以三天不用開空調。但實際上由于建筑實體釋冷速率的緩慢和衰減，在空調使用的后期，可能滿足不了冷負荷的需求，從表2 可以看出，13:00 以后冷負荷在回升。此時，要把建筑實體的冷量及時釋放出來，可以采取提高室內風速的辦法，加強對流換熱，比如，打開風機盤管，高速送風，但不送冷凍水，施行空轉。

由于建筑實體積蓄的冷量不能全部釋放出來，夜間再次蓄冷時就可以減少蓄冷時間，實際上沒有浪費。既然建筑實體積蓄的冷量用不完，為何不能減少蓄冷量？要減少蓄冷量，只能把建筑實體蓄冷溫度提高到20 ℃以上，但是蓄冷溫度提高了，建筑實體釋冷速率就會降低，可能滿足不了空調冷負荷。在空調季節使用的初期5、6 月份和使用的后期8、9 月份，冷負荷較低，宜提高建筑實體蓄冷溫度。而在使用的中期7 月份，冷負荷最高，應降低蓄冷溫度。由于室內場景的復雜性，對建筑實體蓄能和釋能過程的描述，不論是手工計算還是軟件模擬都會存在誤差，對于實際工程，只能通過長期的運轉實踐，才能掌握其中的規律。

5 適合建筑實體蓄能的建筑類型

建筑實體蓄能的可行性取決于建筑的容重、使用人數，圍護結構越厚重，熱容量就越高，蓄能量也就越大，而建筑的使用人數越多，發熱量也就越大，提高了夏季的冷負荷，降低了冬季的熱負荷，總之，希望人均容重或人均使用面積越大越好。

假設人體發熱量（靜坐）=110W，照明發熱量=30 W/人，每人一臺電腦，電腦發熱量=150 W/臺，室外冷負荷為60 w/人，總計冷負荷為350 W/人，在上班的10 個小時內產生的總熱量為12600 kJ，又假設建筑實體蓄冷的總冷量為該總熱量的3 倍，并在10 h 釋放出12600 kJ 的冷量，用于消除上述發熱量，無需啟動空調系統，求出鋼筋混凝土蓄冷所需要的體積為3 m3，假設鋼筋混凝土板的厚度為150 mm，3 m3鋼筋混凝土相當于20 m2。對于框架結構的建筑，內墻很薄，完全靠地板蓄能，當人均使用面積為20 m2時，白天可以靠地板釋放冷量滿足空調需求。對于磚混結構、框剪結構的建筑，假設內墻面積與地板面積相同，內墻與地板同時蓄冷，人均使用面積為10 m2時，也可以滿足白天的空調需求。通常辦公樓人均使用面積在10 m2以下，對于磚混結構的辦公樓也許能夠滿足空調白天的要求，而對框架結構的辦公樓，蓄冷量則不能滿足白天的空調要求。以上屬于估算，僅供參考。

目前，我國城鎮人均住房面積達到39 m2，農村人均住房面積達到47 m2[8]。住宅結構為磚混或框剪結構，熱容量較大，應用建筑實體蓄能技術能夠實現晚上蓄能，白天可以大幅度減少開空調的時間，節省大量電費。不限于辦公樓、住宅建筑，其它建筑也可以根據建筑實體的總容重、冷熱負荷來確定是否適合建筑實體蓄能，只要建筑實體的蓄能量大于設計冷熱負荷，都有一定的應用價值。

6 建筑實體蓄能的技術措施

6.1 利用現有的空調采暖系統提供冷熱源

從上面的計算結果來看，內墻蓄冷時間為9503 s，積蓄的熱容量為58193 kJ，平均熱功率為6124 W。地板蓄冷時間為2499 s，積蓄的熱容量為32659 kJ，平均熱功率為13069 W，兩者最大平均熱功率為19193 W，如果用17 ℃的冷風作為冷源，需要的風量為6281 m3/h，房間換氣次數為109 次/h。

該房間夏季空調設計冷負荷為733 W，如果選用最小型號的風機盤管FP-34[9]，它的額定制冷量為1800 W，額定風量340 m3/h，可以滿足房間空調需求。但是該風機盤管的額定制冷量與蓄冷時所需的最大平均熱功率19193 W 相差很多，風機盤管的循環風量也很小，即使加上新風183 W 的冷負荷，在上述蓄冷時間內遠遠滿足不了蓄冷要求。如果利用該空調系統蓄冷，只能延長蓄冷時間，經計算蓄冷時間將超過13 h，蓄冷時間段為19:00 至第二天8:00，因蓄冷時間過長，耗電量和電費過高，就沒有經濟效益。

從前面的分析可知，空調系統的設計負荷很小，而建筑實體有很大的蓄能量，要積蓄這么大的能量，一天之內可能也完成不了。可以采取逐步積累的辦法，在過渡季節就開始積蓄，比如，春季建筑實體整體的溫度在20 ℃左右，可以引進室外冷風保持這個溫度恒定，進入空調季節后，夜間開啟空調制冷系統，只需要運行很短的時間，補充少量的冷量，就可以把建筑實體的溫度穩定在20 ℃，這樣通過全年連續不斷的能量積累，就可以克服空調系統負荷不夠的弊端。

6.2 提高建筑的通風量和換氣次數

現代建筑密封性能好、通風性能差，由于常規的空調系統風管尺寸的限制，夜間通過新風系統引進的室外風量很小，普通住宅只有抽油煙機和衛生間排風機，風量也很小，夜間室外的風力也沒有保證，因此依靠室外冷風降溫蓄冷效果有限。

要提高新建建筑的通風量可以通過以下措施，比如，辦公房間外窗、門設通風孔，走道外窗設排風機或送風機，夜間啟動風機，室外冷風經過外窗、室內、門、走道、風機形成對流換熱。對于變風量空調系統，加大新風引入管的尺寸，保證空調箱的送風量與夜間的新風引入量相同。對于老舊建筑，可以通過改造實現上述措施。對于沒有安全性要求的建筑，夜間打開窗、門，施行自然通風是最簡易的辦法，或在走道外窗設風機增加換氣量。建筑防排煙通風系統平時不用，只有火災或維修時啟動，建議平時用于建筑蓄能時通風換氣。

6.3 利用埋管技術提高蓄能速率

地板采暖是常用的技術，由于水的換熱效率是空氣的10 倍以上，而且管道埋在板中間，它的蓄能和散熱效率較高。在地板、墻壁埋入水管，或把地板、墻壁做成空心體，將冷熱水或空氣輸送其中，蓄能速率比外表面傳熱高很多。利用埋管技術可以將建筑內區與外區連通，將建筑內區的蓄能輸送給外區，提高了建筑整體的蓄能量。

6.4 施行“春凍秋捂”運行策略

人體為了適應氣溫的變化，有“春捂秋凍”的生活習慣，而建筑實體蓄能要反其道而行，施行“春凍秋捂”的運行策略。“春凍”就是把春天的冷量輸送到建筑實體內，阻止建筑實體溫度的回升，保持其溫度在20 ℃以下，這個季節人體“春捂”，著裝較厚，室內的低溫不影響舒適性。“秋捂”就是把秋天的熱量輸送到建筑實體內，阻止建筑實體溫度的下降，保持其溫度在20 ℃以上，這個季節人體“秋凍”，著裝較少，室內的高溫不影響舒適性。

施行“春凍秋捂”運行策略，建筑實體蓄能保持了全年的連續性，可以減緩冬夏兩季蓄能的壓力，有益于建筑實體溫度的恒定，讓建筑實體溫度的波動范圍控制在20 ℃至26 ℃之間。做好建筑的外保溫是“春凍秋捂”的基本保障，只有做好了外保溫，才能保證蓄能不外流。

7 結論

我國高緯度、高海拔地區夏季適宜建筑實體蓄冷，施行分時電價的地區適宜夏季蓄冷、冬季蓄熱，具有厚重墻體的老式建筑、使用人數較少的公共建筑、住宅建筑適宜蓄能。建筑外保溫是建筑實體蓄能的基本保障。現有的空調系統新風量很小，夏季夜間引進室外冷空氣降溫，節能效果有限。盡量在墻體和地板中布置管道系統，讓冷熱介質在墻體和地板內部流動換熱，提高蓄能速率。提高房間的風速，可以加快蓄能和釋能速率。建筑實體蓄能降低了人體舒適性，改變著裝方式可以提高舒適度。建筑實體蓄能是就地取材、因地制宜的簡易節能方法，僅是現有空調系統運行時間的調整和策略的改變，它沒有投資風險。