黃山地區既有建筑節能改造中夜間通風與蓄熱技術的應用分析

崔 倩，王東紅，曹靜怡，胡浩威

(1.安徽建筑大學 安徽省綠色建筑先進技術研究院，安徽 合肥 230601；2.安徽省建筑設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230002；3.安徽建筑大學 安徽建筑大學建筑室內熱濕環境實驗室，安徽 合肥 230601)

合理利用建筑圍護結構熱工性能并且充分利用可再生能源而不采用(或少采用)附加能源，達到人體熱舒適要求，對有效利用清潔廉價的可再生能源、降低建筑運行能耗、節省運行開支、減小環境污染等具有重要意義。將夜間通風技術與建筑圍護結構蓄熱技術應用于建筑節能，可以很大程度上改善室內熱環境，是一種成本低、容易實現、操作簡單、利用室外氣候資源的被動式節能技術。特別是相變材料的出現，進一步為該技術提供了應用潛力。

為分析建筑自然通風蓄熱的節能潛力，國內外學者對此進行了大量的研究。許艷利用DeST能耗模擬軟件對不同蓄熱體、通風換氣次數和通風時段進行計算，得出通風量與通風效果不呈線性關系。周軍莉利用數值計算方法對自然通風耦合蓄熱問題進行研究，比較分析了內外蓄熱體及熱源強度對室內溫度的影響，發現室內溫度衰減系數隨外墻材料體積熱容的增大而減小，材料體積熱容相近時，導熱系數大的材料延遲時間較長。朱新榮等以西安市既有辦公建筑為研究對象，通過實驗研究得出，辦公建筑室內溫度上限設置為28 ℃，96%的時間利用通風技術即可滿足舒適性條件。楊柳等通過對相變蓄熱、夜間通風以及兩者結合的深入調研分析，表明了合理利用通風和相變蓄熱耦合可獲得舒適的室內環境，節約空調能耗。Liu等以中國西部10個城市為對象，研究了相變材料與自然通風在過渡季的適宜性，利用EnergyPlus軟件進行了數值模擬，確定了相變材料蓄熱與自然通風在過渡季和熱季的最佳相變溫度。Barzin等實驗研究了夜間通風與pcm浸漬石膏板在冷卻方面的應用。Solgi等確定了夜間通風的適宜條件和風機通風量，還研究了熔點溫度對建筑物冷負荷的影響。

目前，我國正在大力推進既有建筑節能改造項目，因此，研究不同墻體材料蓄熱與通風耦合技術在既有建筑節能改造項目中的節能潛力，為助力黃山市乃至夏熱冬冷地區的建筑節能改造提供一定的理論依據與技術支持。

1 模型建立

1.1 項目模型

選取黃山市建設大廈為研究對象，該辦公建筑共13層，建筑高度為48.6 m，總面積約5 727 m，建筑體型系數為0.43，建筑體形系數偏大，建筑較復雜，采暖與制冷所需能耗量也較大。現利用DeST對建設大廈的平面圖簡化建模后得到一層平面圖和大廈整體建筑模型圖，分別如圖1和圖2所示。

圖1 黃山大廈一層平面圖圖2 大廈整體建筑模型圖

1.2 參數設置

(1)氣象參數設定。項目位于黃山市屯溪區，屬夏熱冬冷地區，年平均氣溫8 ℃。一年之中，西南風、西北風頻率較大，夏季平均風速為6.1 m/s，冬季平均風速為6.3 m/s。模擬選用軟件自帶的黃山市氣象參數，得到典型年各天干球溫度統計，如圖3所示。

圖3 黃山地區各天溫度統計圖

(2)圍護結構參數設定。模擬主要目的是分析不同墻體材料與通風蓄熱耦合的節能潛力，因此，為簡化計算，外窗、屋面等圍護構件統一為設定值，其圍護結構熱工性能如表1所示。外墻選用4種不同蓄熱材料如表2所示。結合通風方案B，分析4種方案對建筑能耗的影響。不同外墻主體材料熱物性如表3所示。

表1 建筑圍護結構熱工性能

表2 不同主體材料構造的外墻方案

表3 不同主體材料的熱物性

(3)室內熱擾的設定。室內熱擾根據DeST默認值以及《公共建筑節能設計標準》進行相關設定，具體如表4所示。

表4 室內熱擾設定

2 建筑能耗模擬與分析

2.1 不同蓄熱材料對建筑能耗的影響

典型日內的室內自然溫度如圖4所示。上述4種方案下全年累計負荷變化情況如圖5所示。從圖4可以看出，不同建筑墻體材料的蓄熱保溫性能及節能效果從大到小依次為：相變材料、加氣混凝土、粉煤灰陶粒混凝土、紅磚砌體。

由于圍護結構的蓄熱及衰減延遲特性，白天室外溫度較高時，大量熱量蓄存在圍護結構中，利用夜間通風也不能夠及時地把熱量帶走，導致室內溫度升高。從圖5可以看出，方案4蓄熱保溫性能最好；對于方案1、方案2、方案3，空調運行冷負荷增加了1.5%、1.2%、0.2%，熱負荷降低了34%、31%、8.4%；以方案1為基準，全年累計總負荷方案2節能率為1.2%，方案3節能率為7.4%，方案4節能率為9.0%。因此，從節能方面考慮，方案4具有很好的節能潛力，宜采用相變材料作為圍護結構類型。

圖4 典型日室內溫度變化對比分析圖圖5 建筑全年負荷對比分析圖

2.2 夜間通風對建筑能耗的影響

選取相變材料為建筑蓄熱材料作為不通風的對比方案，設定采暖季為11月15日～3月15日，空調季為6月1日～8月31日。研究只分析空調季通風與不通風對室內溫度及節能效果的影響，故設置過渡季白天工作時間(8:00～20:00，考慮到加班)通風，通風次數為3次/h，夜間非工作時間不通風，采暖季整天不進行通風。考慮到門窗縫隙，不通風時，通風換氣次數設置為0.5 次/h，空調季采用兩種不同方案進行比較分析如表5所示。

表5 空調季通風方案

典型日逐時冷負荷如圖6所示。從圖6可以看出，夜間空調系統停止運行后，圍護結構在白天蓄存的熱量向室內釋放，室內溫度開始升高。未采用夜間通風時，房間升溫較快，整體房間溫度高于設定的空調溫度，導致空調運行時，需要更多的冷負荷以消除蓄存的熱量，從而實現房間溫度的降低。采用夜間通風后，夜間的冷空氣帶走了部分圍護結構蓄存的熱量，減少了房間溫度對空調冷負荷的需求。

圖6 典型日空調逐時冷負荷圖7 全年累計總負荷對比分析圖

全年累計總負荷對比分析如圖7所示。從圖7可知，未采用通風時，全年累計冷負荷為495 191.43 kW·h，全年累計熱負荷為126 198.82 kW·h。采用通風后，全年累計冷負荷為469 437.88 kW·h，降低了5.2%；全年累計熱負荷為127 127.28 kW·h，增加了0.7%；全年總能耗降低24 825.09 kW·h，方案B相比于方案A節能率為4%，采用夜間通風技術具有一定的節能潛力。

2.3 通風換氣次數對建筑能耗的影響

由上述分析內容可知，建筑能耗不僅與圍護結構蓄熱特性有關，而且夜間通風對降低能耗也有較大影響。在原有模擬結果的基礎上，現采用相變材料，選用通風次數分別為0.5 次/h(不開窗)、2 次/h、4 次/h、6 次/h、8 次/h、10 次/h、12 次/h、14 次/h的設置組，分析夜間通風換氣次數與建筑能耗的關系。

典型日內房間空調室溫變化情況如圖8所示。由圖8可知，在白天工作時間段，由于空調控制房間溫度，房間保持恒定值25 ℃。當空調關閉后，室內溫度迅速上升，達到最大值，這是由于白天蓄存在圍護結構中熱量向室內釋放所致。隨著室外較低溫度的引入與室內較高溫度進行對流換熱，室內溫度開始下降，并且在空調開啟前達到最低值。從圖8中可以看出，當換氣次數小于 4次/h時，整個通風階段室內溫度均大于25 ℃；換氣次數大于4 次/h時，在第二天未上班之前室內溫度便可降到空調設定溫度，從而減少空調開啟時間，降低能耗。

隨著換氣次數的增加，室外氣溫對室內影響越大，夜間室內溫度波動就越大。從圖8中還可以看出，通風換氣次數增加到 10次/h后，對室內氣溫影響波動不再明顯。不同通風次數下的空調單位面積冷負荷如圖9所示。結合圖9換氣次數對單位面積冷負荷的影響來看，通風換氣次數小于10 次/h之前，隨著通風換氣次數的增加，單位建筑面積冷負荷降低。而大于10 次/h之后，通風換氣次數的增加對建筑能耗降低作用不明顯。因此，對于所研究建筑，通風換氣次數為 10次/h最為適宜。

圖8 不同通風次數的空調室溫對比分析圖圖9 不同通風次數下的空調單位面積冷負荷

3 結論

以黃山市建筑大廈為研究對象，通過對不同蓄熱材料通風耦合、空調季夜間是否通風，以及相變材料在不同通風換氣次數作用下的室溫及負荷進行模擬分析，得出結論：4種不同墻體材料蓄熱能力不同。其中，相變材料的蓄熱保溫性能優于普通墻體材料，相對于紅磚砌體全年累計總負荷，相變材料節能率達到9%。同時，相變材料對于室內溫度波動影響較小，更有利于滿足人體舒適度要求；對比空調季夜間是否通風，通過對比全年累計空調冷負荷得出通風后建筑冷負荷降低了5.2%。而通風換氣次數的增加在一定程度上可以有效地降低建筑能耗，但超越適宜范圍后，通風換氣次數的作用也微乎其微。對比研究進行的通風換氣次數模擬值來看，10 次/h為黃山建設大廈的最佳值。對比不開窗行為，選用開窗通風換氣次數為10 次/h時，節能率為6.3%。