北京地區商業建筑夜間通風實驗方法

陳冬陽

（中國建筑標準設計研究院有限公司，北京 100089）

1 夜間通風研究現狀

關于夜間通風的研究，與國外相比我國的研究起步較晚，僅僅停留在理論，研究方法和模擬能耗方法也是參照國外。隨著國內國外學術交流的增多以及我國科技的進步，國內學者目前在夜間通風方面的研究也取得了顯著的學術成果。

1993 年初，陳在康等人通過實驗的方法，該方法通過利用合理的夜間通風時間，對湖南省長沙市的一個住宅頂層單元，針對夜間通風的降溫效果進行了實驗研究，結果表明：夜間通風狀態下，室外最高溫度為39.1℃時，在室內的最高溫度為35.0℃，室外比室內要高4.1℃。根據實驗結果陳老師認為，夜間通風理論上具備較為明顯的降溫效果，可以在后續實驗中，控制夜間通風實驗邏輯，以期達到通過夜間通風實現節能降溫的目的。于此同時，陳老師發現住宅房間室內溫度變化情況與建筑的結構、通風量和家具材料都有一定關系，比如輕型建筑要比重型建筑的溫度變化幅度更大，通風量越大證明溫度變化幅度也越大[1]。

李鳳苓學者在論文中提出，居住類建筑墻體內壁面的溫度場可以采用非穩態傳熱的計算方法，并對居住類建筑夜間通風時的室內溫度進行了過程描述。李老師分析后發現：在炎熱夏天的晚上6—7 點以后，進行夜間通風后，前提是夏季室外溫度低于室內溫度，實驗后室內溫度比在室內使用電風扇吹的室內溫度要低2~5℃左右。最后李老師認為講風機安裝在適當的角度和位置并選擇合適的通風量，就可以實現夜間通風降溫的效果[2]。

李崢嶸學者將蒸發冷卻技術和夜間通風技術進行聯合后對烏魯木齊地區某建筑夜間通風情況進行了研究，得出了一下結論：

在夜間通風時，烏魯木齊某房間室內溫度降低0.5~0.9℃，當夜間通風聯合蒸發冷卻技術后，室內溫度在原基礎上又降低2.5~3.0℃。另外，該文章還研究了機械供冷和夜間通風的關系，描述了通風時間、夜間通風量及通風溫度的計算方法，對上海的某庫房作為試點模型，論證計算方法的正確性。實驗的結果證明：夜間通風可以使庫房室內溫度降低2~3℃，但是節能潛力不足的，能否廣泛應用需要進一步研究[3]。

陳海旎的研究建立了一個辦公建筑模型，應用EnergyPlus 模擬軟件，針對上海、廣州和北京三個地區，進行了夜間通風的能耗進行了模擬計算，陳老師研究發現夜間通風的理論條件應該滿足室內空氣高于室外溫度2℃以上，并且室內溫度要在22~26℃的范圍內。老師的結果癥明：夜間通風的節能降溫效果會因為地區的緯度的增加而增大，并且在夏熱冬暖地區，節能潛力更為可觀[4]。

筆者通過對國內國外的研究文獻進行分析后發現，夜間通風目前的研究更多集中在居住建筑和辦公建筑，很少涉及商業酒店類建筑。同時，雖然論文研究大都指出了夜間通風存在節能降溫的理論成效，但大多數研究還只停留在夜間通風的可行性研究和模擬研究上，尚未有文獻對現有的商業酒店類建筑進行實驗測試。綜上，本文就現狀研究基礎上，以實驗為依據，對北京某商場夜間通風的節能降溫效果進行實驗研究，用實驗數據得出夜間通風運行控制策略。

2 北京地區氣候分析

根據我國建筑氣候熱工分區標準可以看出，北京市為我國首都，屬于寒冷地區，地理位于我國華北平原地區，北京地區典型年年平均氣溫為12.6℃，1 月份為最冷月，該月份的平均氣溫為-3.83℃，7 月份為最熱月，該月份的平均氣溫為26.4℃。北京地區有晝夜溫差較大的特點，在夏季6—8 月期間，平均日較差達到8.0℃。

本文的氣象資料源于中國建筑熱環境分析專用氣象數據集。夜間通風技術的實驗工況要求在夏季，故要分析夏季室外氣溫的變化。

根據典型年的北京地區數據發現，室外最高日溫度、日平均溫度和日最低溫度的變化情況基本一致。從全年上看，室外空氣干球溫度在6 月份上旬和9 月份下旬期間較低，室外空氣干球溫度在7—8 月較高。

通過分析北京地區典型年的逐時氣象數據，算出了北京地區6—10 月上旬的日較差，其頻率分布直方圖，如圖1 所示。

圖1 日較差頻率分布直方圖

由圖1 可知，在6—10 月上旬時，北京日較差近似呈“正態分布”，日較差處于6~10℃區間內的天數多達60d。陳海旎等人[4]在研究夜間通風在不同氣候條件適應性時，提出對于以北京市為代表的寒冷地區，夜間通風降溫技術在其供冷季的各個月份都可以取得顯著的節能效果。以往辦公類建筑夜間通風的研究發現，李楠等人[5]提出在西安地區，日較差大于6℃即適合采取夜間通風，西安地區和北京地區同屬寒冷地帶，具備理論參考價值。根據上述北京地區氣候研究，可以看出6—10 月上旬時，日較差大于6℃的天數為125d，約占總天數的93.7%，根據以往研究基礎，6—10 月期間，北京地區夜間通風技術存在理論節能降溫潛力。

3 夜間通風的實驗研究

3.1 實驗概述

本次實驗的時間為 2021 年 9 月 24 日—10 月 9日，實驗期間制冷機組開機時間為7:30—22:00，實驗地點位于某北京商場獨立空調區域，該區域是一個相對封閉的區域且無陽光直射，該區域面積為1100m2。

該區域組合式空調機組負擔此獨立區域的溫濕度需求，該機組為雙風機機組，實驗前運行時間為7:30—22:00，新風風閥常開啟。

3.2 實驗方法和自控邏輯

本實驗設計方案共三個模式，分別為夜間通風模式、非夜間通風模式和普通模式，三個模式相互切換。

3.2.1 夜間通風模式（22:00—7:30）

利用夜間溫度低于室內溫度1℃時段，將風機開X個小時，當室外溫度高于室內溫度時，關閉風機。

（1）風機（送風機和回風機）開啟條件

風機開啟時間范圍為22:00—次日7:30，室外溫度低于室內溫度1℃以上，風機開啟且保障連續開啟時間不低于2h。

（2）風機（送風機和回風機）關閉條件

風機關閉時間范圍為22:00—次日7：30，當室外溫度高于室內溫度時，風機關閉。

（3）記錄參數

風機開啟和關閉時間、風機電耗E 風機、室內外逐時溫度。

3.2.2 非夜間通風模式（7:30—22:00）

實驗房間室內溫度低于24.8℃時，關閉水路閥門Y個小時，實驗房間室內溫度超于24.8℃時，開啟水路閥門。

（1）風機（送風機和回風機）開啟條件

風機開啟時間范圍為7:30—22:00。

（2）水閥動作條件

水閥關閉時間范圍為22:00—7:30。非夜間通風模式下，當實驗房間室內溫度低于24.8℃時，關閉水路閥門；當實驗房間室內溫度高于24.8℃時，開啟水路閥門，且白天一旦開啟水路閥門后遍不再關閉。

（3）記錄參數

開啟水路閥門的時間需要時間表記錄；水路冷量表的流量讀數；室內外逐時溫度。

3.2.3 普通模式（7:30—22:00）

計量Y 個小時后耗費的冷量，除以冷機cop 得到冷機消耗的電量E 空調。普通模式下風機和水閥均按照正常模式（7:30—22:00）啟停。

3.2.4 節能量計算

夜間通風工況下，風機存在電能消耗，空調機組存在電耗能；白天普通模式下僅開啟空調系統，夜間通風系統節能量為普通模式下空調系統消耗的電能與夜間通風模式下風機和空調系統消耗的電能的差值。關系如下：

式中：E夜——夜間通風模式下系統運行能耗，kW·h；E風機——夜間通風模式下風機消耗能耗，kW·h；E空調——夜間通風模式下空調機組運行能耗，kW·h；E’空調——無夜間通風模式下白天空調機組運行能耗，kW·h；ΔE——夜間通風節省能耗，kW·h；G——普通模式下流量表顯示流量，m3/h；Δt——非夜間通風模式晚開水閥小時數，h；T——普通模式下通過G 流量下的小時數，h。

實驗能夠計算出空調系統晚開機時消耗的電量，實驗獲取空調機組的運行能耗和夜間通風模式下的運行能耗，計算出夜間通風實驗的節省能耗，進行節能量分析。

3.3 實驗施工內容

裝插入式冷量計計量組空的供冷量，信號線接入原有控制箱中，冷量表安裝于組空機房內，無須拆除吊頂；增加室內回風溫度傳感器，在室內大廳回風口處增加溫度傳感器。冷量表如圖2 所示。

圖2 冷量表

施工需要在夜間進行，施工期間需要內部停水，雖然難度不大，但協調商場甲方和物業的工作手續需要時間，而工期時間緊張，夜間通風改造有特定氣候和時間需求，氣候轉涼時期夜間通風技術效果不明顯。

3.4 實驗結果

本實驗在夜間模式下開展夜間全新風工況對室內環境及家具進行蓄冷，并由能耗平臺獲取風機能耗；非夜間模式下通過蓄存的冷量，推遲冷機水閥的開啟時間，并讀取晚開啟冷機水閥小時數；普通模式下讀取該小時數下冷機通過該機組的流量，通過讀取該時間段的供回水溫差及冷機COP，計算出冷機電耗。最終白天推遲開冷機時間段內的冷機電耗減去夜間模式下風機的能耗即為該實驗的節能量。

4 結語

本文首先根據北京地區典型年夏季的室外氣象數據，分析夏季日較差大的天數在北京較多，說明北京在6—10 月進行夜間通風實驗有理論節能降溫效果。

其次，是夜間通風的實驗部分，本文分別介紹了實驗方法和自控邏輯、實驗施工內容和實驗工況，用實驗數據來探究夜間通風對北京地區商業建筑的室內熱環境及能耗的影響。

最后，通過計算空調機組運行的電耗和夜間通風模式下能耗之差，計算出夜間通風實驗的節省能耗，結果表明9 月24 日—10 月9 日共16d 的實驗期內，系統故障及室外溫度全天低于室內溫度的情況共14d，剩余2d 的夜間通風實驗均有節能量，其中夜間通風開機時間長日則節能量小，約為4.5%，夜間通風風機開機時間短日則節能量大，約為87%。由此說明夜間通風技術在北京地區制冷季節應用具備節能性。