大空間建筑空調(diào)與混合通風(fēng)聯(lián)合運(yùn)行設(shè)計(jì)與節(jié)能研究

廖堅(jiān)衛(wèi)，盧佑波，賴文彬

(廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院，廣州 510010)

大空間建筑空調(diào)與混合通風(fēng)聯(lián)合運(yùn)行設(shè)計(jì)與節(jié)能研究

廖堅(jiān)衛(wèi)，盧佑波，賴文彬

(廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院，廣州 510010)

[摘要]提出了廣州地區(qū)大空間建筑的集中空調(diào)與混合通風(fēng)系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行策略，并指出系統(tǒng)的適用條件。對(duì)熱壓通風(fēng)及機(jī)械排風(fēng)輔助式熱壓通風(fēng)在大空間內(nèi)的溫度和速度場進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得混合通風(fēng)下溫度和風(fēng)速的擬合式子。同時(shí)，以廣州5,6,10月的逐時(shí)干球溫度為依據(jù)預(yù)測其策略下的混合通風(fēng)潛力。通過應(yīng)用DeST軟件模擬了全年冷負(fù)荷并進(jìn)行通風(fēng)空調(diào)設(shè)備運(yùn)行能耗計(jì)算，可知在指定開口形式下運(yùn)用空調(diào)與混合通風(fēng)聯(lián)合運(yùn)行，最大節(jié)能率可達(dá)61.6%。

[關(guān)鍵詞]大空間建筑；數(shù)值模擬；熱壓通風(fēng)；聯(lián)合運(yùn)行

引言

大空間建筑由于有著透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)比例大，空間大等特點(diǎn)，其能耗比普通大型公共建筑更大，有著巨大的節(jié)能潛力。針對(duì)廣州地區(qū)公建的能耗，相關(guān)調(diào)查反映空調(diào)能耗又占其中35%~47%，可見減少空調(diào)能耗刻不容緩*。而在大空間建筑中設(shè)置混合通風(fēng)系統(tǒng)，即在滿足熱舒適和空氣質(zhì)量的前提下，使自然通風(fēng)與機(jī)械通風(fēng)交替或聯(lián)合運(yùn)行，提高自然通風(fēng)系統(tǒng)可靠性和提高機(jī)械通風(fēng)節(jié)能率，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

國際能源組織聯(lián)合15個(gè)國家的科研機(jī)構(gòu)對(duì)混合通風(fēng)進(jìn)行了積極的試驗(yàn)性研究[1];段雙平利用混合通風(fēng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)北京地區(qū)建筑通風(fēng)潛力和技術(shù)進(jìn)行了研究[2];郭娟等人對(duì)某房間采用混合通風(fēng)系統(tǒng)的多種方式進(jìn)行數(shù)值模擬，驗(yàn)證了其在長江流域氣候條件下應(yīng)用有較大優(yōu)勢[3]；羅國志對(duì)成都地區(qū)的辦公樓應(yīng)用了混合通風(fēng)技術(shù)，在保證室內(nèi)熱環(huán)境前提下，獲得較好的節(jié)能效果[4]。本文以廣州大空間建筑為研究對(duì)象，在典型氣象條件下運(yùn)用混合通風(fēng)進(jìn)行數(shù)值模擬，以獲取其與集中空調(diào)系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行的通風(fēng)潛力和節(jié)能效益。

1系統(tǒng)適用性

1.1　控制參數(shù)的設(shè)定

采用自然通風(fēng)的前提是滿足人員熱舒適的需求，通過設(shè)置在室內(nèi)的傳感器對(duì)熱環(huán)境參數(shù)的檢測判斷是否能采用自然通風(fēng)或是需開啟機(jī)械排風(fēng)輔助自然通風(fēng)。檢測何種參數(shù)取決于采用的熱舒適評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中適應(yīng)性模型是用單一溫度變量作為熱舒適評(píng)價(jià)指標(biāo)，便于實(shí)際工程實(shí)踐上應(yīng)用。

本文采用金振星博士針對(duì)南方地區(qū)提出的室內(nèi)熱環(huán)境適應(yīng)性模型[5]，熱舒適區(qū)上下邊界為18℃，28℃，然而在人體最大承受風(fēng)速(0.8m/s)下，高相對(duì)濕度和風(fēng)速分別對(duì)人體舒適性區(qū)域有著縮減和擴(kuò)大的影響[6]，即有限可接受區(qū)間可提高為28～30℃，以此作為通風(fēng)策略控制目標(biāo)設(shè)定參數(shù)，結(jié)果如式(1)～(2)及圖1所示。

當(dāng)Tin<28℃：

(1)

當(dāng)Tin≥28℃：

(2)

上式中，Tin為室內(nèi)人員區(qū)溫度，TCU為舒適溫度上限，TO為室外適時(shí)干球溫度

圖1　本文采用的適應(yīng)性模型

1.2　氣象數(shù)據(jù)分析

廣州地處南亞熱帶，屬于典型的亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候。圖2顯示了廣州地區(qū)典型氣象年室外逐時(shí)干球溫度的變化情況。

通過對(duì)圖2的數(shù)據(jù)整理，并以無風(fēng)速修正的舒適溫度上限28℃為界限，得到3~11月各月室外干球溫度處于28℃以上的小時(shí)數(shù)及分布比例，見圖3。從而可知，7~9月份超過28℃的時(shí)間占工作時(shí)間平均60%以上，就這三個(gè)月而言，在通風(fēng)技術(shù)使用上遇到一定的障礙，而極端天氣的出現(xiàn)和熱島效應(yīng)亦加大了應(yīng)用難度，期間主要利用空調(diào)對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行調(diào)控。而3,4,11月份超過28℃的時(shí)間甚少，絕大部分時(shí)間通過開窗滿足室內(nèi)熱環(huán)境要求。所以本文針對(duì)5,6,10月份進(jìn)行廣州地區(qū)大空間建筑空調(diào)與混合通風(fēng)聯(lián)合運(yùn)行技術(shù)的應(yīng)用效果研究。

圖2　廣州地區(qū)典型氣象年室外逐時(shí)干球溫度

圖3　廣州典型氣象年各月份工作時(shí)段(06:00-23:00)室外空氣溫度高于28℃的時(shí)間及其比例

1.3　運(yùn)行策略

設(shè)定人員區(qū)的溫度為控制目標(biāo)參數(shù)，在過渡季節(jié)中，當(dāng)其低于舒適溫度上限值時(shí)，開啟外窗，利用自然通風(fēng)消除室內(nèi)余熱，滿足人體熱舒適；當(dāng)人員區(qū)溫度增大，略高于舒適溫度上限值，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，帶走余熱并提高人員區(qū)風(fēng)速，使控制溫度恢復(fù)小于舒適溫度上限值條件；當(dāng)混合通風(fēng)不能滿足要求時(shí)，開啟空調(diào)系統(tǒng)。所以在整體運(yùn)行上是混合通風(fēng)與空調(diào)的耦合運(yùn)行。

1.4　建筑模型及參數(shù)設(shè)定

以廣州某機(jī)場航站樓指廊作為建筑模型?？紤]大空間三維模型劃分網(wǎng)格過多，計(jì)算量太大，對(duì)其簡化為垂直于長度方向的二維剖面模型，此簡化保留建筑大部分特征，如圖4所示。地板上按人均占地2m2，均勻布置0.4m×1.7m的矩形，以示人體、設(shè)備及燈光綜合熱源。其圍護(hù)結(jié)構(gòu)中外墻、外窗、屋頂傳熱系數(shù)分別為1.5、3.0及0.9W/m2·K，其中外窗遮陽系數(shù)為0.35，均滿足GB50189-2005《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)條文。模型采用Gambit建模，F(xiàn)luent求解，模型其它的相關(guān)邊界條件按表1設(shè)置。

圖4　建筑物理模型

表1邊界條件設(shè)置參數(shù)

邊界名稱數(shù)值人員流體體源熱流密度進(jìn)口通風(fēng)入口排風(fēng)壓差出口通風(fēng)出口排風(fēng)壓差幕墻對(duì)流傳熱邊界綜合溫度屋頂對(duì)流傳熱邊界綜合溫度

注: 幕墻和屋頂?shù)膶?duì)流傳熱邊界的設(shè)置中，以綜合溫度取代室外溫度，反映太陽輻射所產(chǎn)生的溫升值，溫升分別為12℃、18.5℃。

2基于正交實(shí)驗(yàn)法的多因素回歸分析

一般情況下，影響室內(nèi)人員區(qū)的熱環(huán)境參數(shù)的因素包括開口形式(進(jìn)風(fēng)口距地高度D及進(jìn)風(fēng)口尺寸高度H)、室外溫度T0、室內(nèi)熱源R、排風(fēng)壓差△P，各因素在不同程度上對(duì)其造成影響。利用正交試驗(yàn)法進(jìn)行多因素的回歸分析，可借助回歸式子反映綜合影響情況。選取常見進(jìn)風(fēng)口距地高度D為0.5米、1.5米和其尺寸高度H為1.5米、2.0米相互搭配四種情況作研究，對(duì)其余三個(gè)因素取5個(gè)水平值，進(jìn)行組合模擬計(jì)算，可得人員區(qū)溫度Tin及風(fēng)速Vin的回歸式子，如下式所示：

1)對(duì)D=0.5m，H=1.5m，得出的擬合關(guān)系式如下:

Tin=0.4240+1.0056 TO+0.0060 R

-0.1308 △P；

Vin=0.3911+0.0013 TO+0.0010 R

+0.0964 △P

2)對(duì)D=0.5m，H=2.0m，得出的擬合關(guān)系式如下:

Tin=0.3976+1.0057 TO+0.0063 R

-0.1016 △P；

Vin=0.3539+0.0006 TO+0.0008 R

+0.0784 △P

3)對(duì)D=1.5m，H=1.5m，得出的擬合關(guān)系式如下:

Tin=0.5901+1.0065 TO+0.0078 R

-0.1436 △P；

Vin=0.3448+0.0012 TO+0.0008 R

+0.0634 △P

4)對(duì)D=1.5m，H=2.0m，得出的擬合關(guān)系式如下:

Tin=0.5969+1.0045 TO+0.0084 R

-0.0778 △P；

Vin=0.3033+0.0013 TO+0.0007 R

+0.0364 △P

以上式子復(fù)相關(guān)系數(shù)基本在0.95以上，經(jīng)過其它參數(shù)的檢驗(yàn)，證明回歸效果顯著。以D=0.5米，H=1.5米作代表，其它開口形式結(jié)果類同。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，在三個(gè)因素中，室內(nèi)溫度、室外溫度對(duì)其參數(shù)的顯著性影響最大，最小是排風(fēng)壓差；而對(duì)于風(fēng)速，顯著性影響最大的是排風(fēng)壓差，最小的是室外溫度。而人員區(qū)溫度隨室外溫度、室內(nèi)熱源增加而增加，隨排風(fēng)壓差增加而減少；同時(shí)人員區(qū)風(fēng)速隨三種因素增加而增加，其中室外溫度影響效果一般。

3聯(lián)合運(yùn)行通風(fēng)潛力及節(jié)能效益

3.1　聯(lián)合運(yùn)行下的轉(zhuǎn)換溫度

在混合通風(fēng)與空調(diào)聯(lián)合運(yùn)行下，可認(rèn)為是存在二個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，按溫度由小到大排列，為熱壓通風(fēng)向機(jī)械排風(fēng)輔助式熱壓通風(fēng)轉(zhuǎn)換，機(jī)械排風(fēng)輔助式熱壓通風(fēng)向空調(diào)轉(zhuǎn)換。這二個(gè)室外溫度轉(zhuǎn)換值的大小關(guān)乎了采用混合通風(fēng)達(dá)到的節(jié)能效果和改善室內(nèi)熱舒適性的發(fā)揮。通過聯(lián)合熱舒適適應(yīng)性模型和上節(jié)提出的回歸方程共同求解，可得到轉(zhuǎn)換點(diǎn)溫度，如表2，3所示。

表2熱壓通風(fēng)下的室外干球溫度(℃)轉(zhuǎn)換值

(D,H)R=80W/m2R=110W/m2R=140W/m2R=170W/m2R=200W/m2(0.5m,1.5m)28.428.328.228.128.0(0.5m,2.0m)28.228.128.027.927.8(1.5m,1.5m)27.927.827.627.427.3(1.5m,2.0m)27.827.627.427.227.0

表3機(jī)械排風(fēng)輔助式熱壓通風(fēng)下的室外干球溫度(℃)轉(zhuǎn)換值

(D,H)R=80W/m2R=110W/m2R=140W/m2R=170W/m2R=200W/m2(0.5m,1.5m)29.3(3.1Pa)29.1(2.8Pa)28.9(2.5Pa)28.7(2.2Pa)28.5(1.9Pa)(0.5m,2.0m)29.4(4.6Pa)29.2(4.3Pa)29.0(4.0Pa)28.7(3.7Pa)28.5(3.4Pa)(1.5m,1.5m)29.3(5.6Pa)29.0(5.2Pa)28.7(4.8Pa)28.4(4.4Pa)28.2(4.1Pa)(1.5m,2.0m)29.0(10.0Pa)28.7(10.5Pa)28.4(9.9Pa)28.1(9.3Pa)27.9(8.7Pa)

注：括號(hào)中為屋頂排風(fēng)所需壓差。

從上表可見，室內(nèi)熱源的增加明顯提升了轉(zhuǎn)換點(diǎn)溫度，卻減少了排風(fēng)壓差。而開口形式亦對(duì)其有明顯影響，如(D,H)=(0.5m,1.5m)比起其它開口形式下的通風(fēng)效果要好，所需排風(fēng)動(dòng)力亦較少。

3.2　聯(lián)合運(yùn)行下的通風(fēng)潛力

采用典型氣象年的5,6,10月份建筑運(yùn)行時(shí)段的逐時(shí)氣象資料，與上節(jié)得出的通風(fēng)空調(diào)聯(lián)合運(yùn)行的轉(zhuǎn)換點(diǎn)溫度作對(duì)比，獲得不同開口情況和室內(nèi)熱源的混合通風(fēng)潛力。鑒于一天之中溫度波動(dòng)較大，筆者以度時(shí)法進(jìn)行對(duì)其潛力的預(yù)測。

從圖5中5,6,10月工作時(shí)間利用混合通風(fēng)的舒適小時(shí)數(shù)可得出以下結(jié)論：1)各月利用混合通風(fēng)策略潛力大小排序依次為10月、5月、6月；2)在過渡季節(jié)應(yīng)用熱壓通風(fēng)與機(jī)械排風(fēng)輔助熱壓通風(fēng)能使平均70%的工作時(shí)間不需開啟空調(diào)；3)在10月份中，在室內(nèi)熱源較小和進(jìn)風(fēng)口形式較利于通風(fēng)的情況下，整月小于100個(gè)小時(shí)需開啟空調(diào)，其余時(shí)間均可利用混合通風(fēng)運(yùn)行消除室內(nèi)余熱。

圖5　 5、6、10月份6∶00-23∶00時(shí)段利用混合通風(fēng)策略的舒適小時(shí)

3.3　聯(lián)合運(yùn)行下的節(jié)能效益

為進(jìn)一步準(zhǔn)確預(yù)測對(duì)空調(diào)與混合通風(fēng)聯(lián)合運(yùn)行策略在大空間建筑中所達(dá)到的節(jié)能效益，選取進(jìn)風(fēng)口開口形式為D=0.5m,H=1.5m及D=1.5m,H=1.5作能耗計(jì)算模型的兩種開口工況并應(yīng)用動(dòng)態(tài)能耗分析軟件DeST進(jìn)行了全年逐時(shí)能耗計(jì)算模擬，房間空調(diào)相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)如表4所示，并且通過不保證50小時(shí)的最大冷負(fù)荷進(jìn)行建筑的通風(fēng)及空調(diào)設(shè)備選型，其中制冷機(jī)組總裝機(jī)容量為2560kW，利用逐時(shí)冷負(fù)荷下的空調(diào)設(shè)備的使用能耗計(jì)算模型與逐時(shí)冷負(fù)荷聯(lián)合求解，得出5,6,10月份采取聯(lián)合運(yùn)行策略下的節(jié)能值，如圖6所示。

在某一指定進(jìn)風(fēng)口形式下，通過運(yùn)用空調(diào)與混合通風(fēng)系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行策略下的能耗模擬計(jì)算得出，廣州地區(qū)節(jié)能率最大可達(dá)61.6%，平均節(jié)電率為42.88kWh/m2，節(jié)能效益顯著。但若建筑進(jìn)風(fēng)口距地高度提高1m時(shí)，節(jié)能率下降為54.3%，平均節(jié)電率為37.77kWh/m2，建筑下側(cè)進(jìn)風(fēng)口的開口形式稍有變化會(huì)較大影響整體節(jié)能效益。

表4主要功能房間空調(diào)參數(shù)設(shè)置

溫度/℃18~26相對(duì)濕度/%夏季50~65;冬季30~65新風(fēng)量/(m3/(人·h)16照明/(W/m2)20人員(人/m2)0.5設(shè)備/(W/m2)30空調(diào)運(yùn)行時(shí)間6∶00~23∶00

圖6　集中空調(diào)與混合通風(fēng)聯(lián)合運(yùn)行策略下的能耗對(duì)比圖

4結(jié)語

(1)提出了以室內(nèi)舒適溫度為控制目標(biāo)參數(shù)的廣州地區(qū)大空間建筑空調(diào)與混合通風(fēng)聯(lián)合運(yùn)行策略：當(dāng)人員區(qū)溫度低于舒適溫度上限時(shí)，采取熱壓通風(fēng)以消除室內(nèi)余熱；當(dāng)人員區(qū)溫度略高于舒適溫度上限值，采取機(jī)械排風(fēng)輔助式熱壓通風(fēng)，使控制溫度恢復(fù)小于舒適溫度上限值條件。當(dāng)以上通風(fēng)方式仍無法滿足人員熱舒適，須開啟空調(diào)達(dá)至要求。

(2)以溫度和風(fēng)速的擬合方程和熱舒適模型聯(lián)合求解，獲得大空間建筑下的通風(fēng)空調(diào)聯(lián)合運(yùn)行下的室外干球溫度轉(zhuǎn)換點(diǎn)。

(3)以廣州典型氣候年的5,6,10月的逐時(shí)干球溫度為依據(jù)預(yù)測了空調(diào)與混合通風(fēng)聯(lián)合運(yùn)行策略下的混合通風(fēng)潛力。

(4)通過運(yùn)用空調(diào)與混合通風(fēng)聯(lián)合運(yùn)行策略下的能耗模擬計(jì)算得出，在D=0.5m,H=1.5m下，廣州某機(jī)場航站樓指廊節(jié)能率達(dá)61.6%。建筑通風(fēng)口距地高度提高1m時(shí)，節(jié)能率下降為54.3%。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于通風(fēng)口的大小、數(shù)量、形式及位置等與理想情況存在差異性，實(shí)際節(jié)能率會(huì)有所下降。

(5)廣州某機(jī)場航站樓指廊應(yīng)用的集中空調(diào)與混合通風(fēng)聯(lián)合運(yùn)行策略，適用于夏熱冬暖地區(qū)同類大空間建筑。

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Design and Energy Saving Research for the Combined Operation of Air Conditioning System and Hybrid Ventilation System in Large Space Building

LIAO Jianwei，LU Youbo，LAI Wenbin

(The Architectural Design & Research Institute of Guangdong Province, Guangzhou 510010)

Abstract：Presents a combined operation strategy of air conditioning and hybrid ventilation system suitable for the large space building in Guangzhou and points out its applicable condition.Simulates the temperature field and wind speed field under hybrid ventilation and gets regression formula of temperature and wind speed. Also, potential of hybrid ventilation was predicted according to hourly dry-bulb temperature data in May, June and October of typical meteorological year in Guangzhou. The maximum energy conservation rate can be reached to 61.6% with using the strategy in specify opening form by simulating the cooling load by DeST software and analyzing energy consumption of equipments.

Key words:Large space building; Numerical simulation; Thermal natural ventilation; Combined operation

[中圖分類號(hào)]TU831[文獻(xiàn)標(biāo)示碼]A

doi:10.3696/J.ISSN.1005-9180.2015.01.001

文章編號(hào)：ISSN1005-9180(2015)01-001-06

作者簡介：廖堅(jiān)衛(wèi)(1959-)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，從事暖通空調(diào)設(shè)計(jì)。E-mail:liaojw801@163.com

收稿日期：2014-10-24

資助項(xiàng)目：國家科技支撐計(jì)劃課題(2011BAJ01B02)，子課題(2011BAJ01B02-0304)