夜間自然通風(fēng)降低辦公室空調(diào)制冷能耗

尚城名，張玉輝，何江海（.松下冷鏈（大連）有限公司，大連 6600；.大連三洋高效制冷系統(tǒng)有限公司，大連 6600）

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夜間自然通風(fēng)降低辦公室空調(diào)制冷能耗

尚城名1，張玉輝1，何江海2
（1.松下冷鏈（大連）有限公司，大連 116600；2.大連三洋高效制冷系統(tǒng)有限公司，大連 116600）

摘要：夜間自然通風(fēng)已經(jīng)成功運(yùn)用于許多被動(dòng)制冷或低能耗寫字樓中。介紹了夜間自然通風(fēng)在寫字樓中的適用性。在適當(dāng)?shù)臏囟葪l件下，建立熱量計(jì)通風(fēng)模型，以此來檢驗(yàn)節(jié)能以及內(nèi)部舒適度改善情況。研究發(fā)現(xiàn)，自然通風(fēng)模式能夠減少傳統(tǒng)空調(diào)寫字間的制冷能耗。采用“應(yīng)用最佳”的原則，如提高氣密性、內(nèi)部發(fā)熱及日曬生熱的最小化等改善建筑結(jié)構(gòu)能有效提高自然通風(fēng)的節(jié)能性。

關(guān)鍵詞：通風(fēng)模型；空調(diào)制冷；節(jié)能

前言

1）寫字樓的制冷能耗要求

在我國(guó)，建筑能耗占社會(huì)總能耗約27～30 %，安裝空調(diào)的樓房比例也在逐年增加。因此，使用被動(dòng)制冷方式減少空調(diào)器能耗從而減少CO2排放量的方式是勢(shì)在必行的。另外，減少制冷最大能量，發(fā)電廠會(huì)受益。同時(shí)會(huì)減少空調(diào)安裝空間，投資商也會(huì)受益。

2）夜間自然通風(fēng)

夜間通風(fēng)通過自然通風(fēng)冷卻建筑物外表面墻體，當(dāng)建筑物內(nèi)熱量高時(shí)，冷卻會(huì)更迅速[1]。而在白天熱量會(huì)被墻體吸收，夜間通風(fēng) 會(huì)通過四種方式對(duì)日間辦公室室內(nèi)環(huán)境產(chǎn)生影響：

①降低氣溫峰值；

②降低全天氣溫，特別是早晨的氣溫；

③降低石板溫度；

④使室外氣溫最高時(shí)間與室內(nèi)氣溫最高時(shí)間產(chǎn)生溫差。

綜合夜間通風(fēng)與散熱成為最受歡迎的技術(shù)之一。這種技術(shù)利用熱、冷機(jī)溫度氣候來降低對(duì)空調(diào)的依賴，并改善建筑物內(nèi)部的散熱狀況。這也標(biāo)志著夜間通風(fēng)散熱將會(huì)廣泛應(yīng)用于低能耗建筑中。這意味著散熱及夜間通風(fēng)將會(huì)成為“綠色”寫字樓的設(shè)計(jì)主流。然而，這種用于空調(diào)寫字間技術(shù)的潛能還沒有具體數(shù)據(jù)和實(shí)際應(yīng)用的報(bào)道。

1 自然通風(fēng)模擬節(jié)能

這篇文章介紹了在傳統(tǒng)空調(diào)寫字間應(yīng)用夜間通風(fēng)的潛能對(duì)節(jié)約的能量及減少的空調(diào)安裝空間做出估計(jì)。使用熱量氣流模擬來計(jì)算傳統(tǒng)空調(diào)寫字間的節(jié)能潛能。

1.1自然通風(fēng)節(jié)能模型

計(jì)算是局域BRE的熱量模擬工程3TC[2]。使用這種方法，每個(gè)房間的熱量隨時(shí)間有三種變化形式。以每一個(gè)房間作為一個(gè)導(dǎo)熱和儲(chǔ)熱的網(wǎng)絡(luò)，用包括CIBSE的AM10方程求出風(fēng)量，用預(yù)先設(shè)計(jì)的工具進(jìn)行建模，這種工具特別為寫字樓與氣候設(shè)計(jì)，其目的是找出能量消耗對(duì)房間舒適度的影響。這些工具能夠快速測(cè)量室內(nèi)散熱量的變化、風(fēng)速、室內(nèi)格局以及室外溫度。

1.2 室外溫度環(huán)境

為了是實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有代表性，實(shí)驗(yàn)時(shí)間選定為整個(gè)制冷季節(jié)（5月-9月）。規(guī)定最高室外溫度23.5 ℃，最低溫度為14.5 ℃。代表風(fēng)險(xiǎn)度為5 %的中國(guó)東部實(shí)際氣溫。

1.3建筑模型

傳統(tǒng)形式的10*6*3 m（長(zhǎng)*寬*高）辦公室單位為建筑模型。模型的位置位于一幢三層高的寫字樓正中。各種建筑因素分別為（由外向內(nèi)）：

1）墻體：3 mm厚鐵板、氣隙、100 mm隔熱層、10 mm橡膠層。

2）窗戶：雙層玻璃，U=3.0 W/m2·K

3）隔層：5 mm橡膠，13 mm塑膠板、100 mm氣隙、13 mm塑膠板、5 mm橡膠

4）天棚：

輕承重：12 mm威爾頓地毯、150 mm輕塑混凝土、400 mm氣隙、20 mm玻璃纖維內(nèi)襯、2 mm鐵板

中承重：12 mm威爾頓地毯、20 mm膠合板、100 mm氣隙、100 mm重塑混凝土、400 mm氣隙、20 mm玻璃纖維內(nèi)襯、2 mm鐵板

重承重：12 mm威爾頓地毯、5 mm膠合板、20 mm氣隙、300 mm混凝土

實(shí)驗(yàn)時(shí)間為周一至周五的8:00 am-18:00 pm，以及周六、日的8:00 am-12:30 pm。

1.4 日間制冷系統(tǒng)

日間制冷即使用空調(diào)進(jìn)行制冷，白天為打造舒適的工作環(huán)境，開啟空調(diào)進(jìn)行制冷，將空調(diào)出風(fēng)口溫度調(diào)整為不低于26 ℃的冷風(fēng)。在為辦公樓提供舒適環(huán)境的同時(shí)，會(huì)造成電能的消耗。本次實(shí)驗(yàn)對(duì)比的日間制冷為：選擇COP為3.0的風(fēng)冷空調(diào)，根據(jù)慣例，送風(fēng)機(jī)的比功率為1 W/ls，出風(fēng)機(jī)的比功率為0.75 W/ls。

1.5 夜間制冷系統(tǒng)

夜間制冷將白天吸收了大量熱量的辦公樓通過自然通風(fēng)的方式實(shí)現(xiàn)熱量的交換，以便室內(nèi)以及墻壁等溫度達(dá)到較低值，白天開啟空調(diào)進(jìn)行制冷具有更小的熱負(fù)荷。通過夜間制冷與傳統(tǒng)方式相比，分析夜間制冷降低能耗的可行性。實(shí)驗(yàn)中采用了幾種不同的夜間制冷系統(tǒng)，三種自然通風(fēng)形式（單側(cè)通風(fēng)、交叉通風(fēng)及堆積通風(fēng)）。在實(shí)驗(yàn)過程中需要使用一些合理控制來避免過冷，設(shè)定整夜通風(fēng)，在7∶00 am由定時(shí)器切斷，以防下列情況出現(xiàn)：

1）室內(nèi)溫度下降到18 ℃；

2）室內(nèi)外溫差大于12 ℃。

1.6實(shí)驗(yàn)參數(shù)

為了檢測(cè)各項(xiàng)參數(shù)對(duì)夜間通風(fēng)效果的影響，通過將每個(gè)研究參數(shù)指定相關(guān)值的方式，設(shè)計(jì)了一個(gè)關(guān)聯(lián)實(shí)驗(yàn)。檢測(cè)參數(shù)的給定值如下：

1）室內(nèi)散熱：30 W/m2。此時(shí)被動(dòng)制冷建筑物中的夜間通風(fēng)效率最高。

2）玻璃窗覆蓋面積：60 %，在使用大窗戶的寫字間情況具有代表性。

3）避光：避光協(xié)同因數(shù)0.2（1≡全遮擋，0≡無(wú)遮擋）。

4）自然通風(fēng)風(fēng)速：5 ach。

實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)是保持其他參數(shù)不變時(shí)改變其中之一計(jì)算得出，對(duì)于給定參數(shù)的值，均進(jìn)行兩項(xiàng)試驗(yàn)：一是只采用空調(diào)制冷，一是采用夜間通風(fēng)。在整個(gè)制冷季節(jié)結(jié)束后，計(jì)算采用夜間通風(fēng)節(jié)約的能量。

2 結(jié)果及討論

以上述方式采用夜間自然通風(fēng)，可減少5 %能耗，6 %空調(diào)安裝空間。將寫字間制冷原能耗作為標(biāo)準(zhǔn)，傳統(tǒng)能耗約為31 kW·h/m2，采用夜間通風(fēng)每年可降低0.7～1.55 kW·h/m2。對(duì)于一個(gè)面積為5 000 m2的辦公室來說，相當(dāng)于每年減少2～4 tCO2排放。建筑參數(shù)對(duì)節(jié)能的影響:

1）室內(nèi)發(fā)熱：如圖1所示，散熱量越低，夜間通風(fēng)越有效。

2）玻璃窗面積：如圖2所示，減少玻璃窗的面積會(huì)使夜間通風(fēng)節(jié)能提高。

3）避光：提高避光可降低能耗。但在使用夜間通風(fēng)時(shí)，節(jié)約的能量并不取決于避光面積的大?。▓D3）。

圖1　室內(nèi)熱量增加對(duì)夜間通風(fēng)節(jié)能影響

圖2　玻璃窗面積對(duì)夜間通風(fēng)節(jié)能影響

圖3　避光協(xié)同因數(shù)對(duì)夜間通風(fēng)節(jié)能影響

3 結(jié)論

本文證明了在傳統(tǒng)空調(diào)寫字樓中使用夜間通風(fēng)的樓層節(jié)能潛能，一些建筑、氣候及空調(diào)安裝參數(shù)對(duì)節(jié)能效果的影響被數(shù)值化。

如果將建筑參數(shù)按照“低能耗”設(shè)計(jì)原則進(jìn)行優(yōu)化，夜間通風(fēng)的節(jié)能效果將會(huì)進(jìn)一步得到提高，混凝土天棚、墻壁及其他可直接散熱方式將提高節(jié)能效果，減少玻璃窗的面積、降低室內(nèi)發(fā)熱及增加氣密性將會(huì)更加節(jié)能，在這種情況下，機(jī)械通風(fēng)會(huì)非常有效。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李百戰(zhàn),莊春龍,等. 相變墻體與夜間通風(fēng)改善輕質(zhì)建筑室內(nèi)熱環(huán)境[J]. 土木建筑與環(huán)境工程,2009,31(3),109-113.

[2] 錢宇,張克.質(zhì)量熱量同時(shí)傳遞過程的類比分析與計(jì)算機(jī)模擬[C].蘇州：中國(guó)工程熱物理學(xué)會(huì)年會(huì),1985.

中圖分類號(hào)：TB69

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-7204（2016）02-0038-03

作者簡(jiǎn)介:

尚城名（1979年2月-），男，滿族，籍貫：遼寧鳳城，大學(xué)本科，機(jī)械制造及其自動(dòng)化專業(yè)，工程師，研究方向：冷凍冷藏保溫及存儲(chǔ)。

Cooling-energy Reduction of Air-conditioned Offi ces by Using Night Natural Ventilation

SHANG Cheng-ming1, ZHANG Yu-hui1, HE Jiang-hai2
(1. Panasonic Appliances Cold Chain (Dalian) Co., Ltd., Dalian 116600; 2. Dalian Sanyo High-Efficient Refrigeration System Co., Ltd., Dalian 116600)

Abstract：Night natural ventilation has been successfully applied to many passively-cooled or low-energy office buildings. This paper investigates the applicability of night natural ventilation in office buildings. A thermal and ventilation simulation model, together with suitable weather data were used to examine the energy saving and internal comfort conditions. It was found that natural ventilation strategies could save cooling-energy in typical air-conditioned office. Based on the principle of “the best” application, such as improving air-tightness, and minimization of internal and solar heat gains to improve building structure can effectively improve the energy saving of natural ventilation.

Key words：ventilation simulation model; refrigeration of air conditioning; energy saving