基于夜間通風(fēng)的相變房間室內(nèi)熱環(huán)境研究

許倩語，宋文武，江竹，石建偉，魏立超，楊秀鑫

（1.西華大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，四川 成都　610039；2.西華大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，四川 成都　610039）

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基于夜間通風(fēng)的相變房間室內(nèi)熱環(huán)境研究

許倩語1，宋文武2，江竹2，石建偉2，魏立超2，楊秀鑫2

（1.西華大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，四川 成都610039；2.西華大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，四川 成都610039）

摘要：基于DesignBuilder和EnergyPlus軟件，以成都地區(qū)白天室外最高溫分別為30℃和32℃為代表日，采用相變材料結(jié)合夜間通風(fēng)技術(shù)對室內(nèi)熱環(huán)境的影響進(jìn)行了模擬，分析了房間的墻體結(jié)構(gòu)、通風(fēng)換氣次數(shù)、通風(fēng)時段對室內(nèi)溫度的影響。模擬結(jié)果表明，相變材料結(jié)合夜間通風(fēng)能有效地改善室內(nèi)熱環(huán)境。換氣次數(shù)為3 ac/h、通風(fēng)時段在1：00～7：00時，相變房間的室內(nèi)平均溫度降低了1.0～1.5℃。相變房間減短了空調(diào)期，比普通房間節(jié)省電量60.9%。

關(guān)鍵詞：相變儲能；夜間通風(fēng)；室內(nèi)熱環(huán)境；經(jīng)濟(jì)性分析

0　引言

建筑節(jié)能是關(guān)系到我國建設(shè)低碳經(jīng)濟(jì)、完成節(jié)能減排目標(biāo)、保持經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)之一，而相變儲能是一種提高能源利用穩(wěn)定性以及效率的技術(shù)，也是節(jié)能環(huán)保的綠色環(huán)保載體，相變儲能技術(shù)得到了越來越廣泛的關(guān)注。夜間通風(fēng)降溫技術(shù)被認(rèn)為是具有較大節(jié)能潛力的被動式節(jié)能技術(shù)之一，可以很大程度的降低建筑制冷能耗，同時還可以改善室內(nèi)空氣質(zhì)量，降低室內(nèi)的溫度；相變墻體還能把夜間的冷量儲存起來，達(dá)到很好的降溫節(jié)能效果。近年來，國內(nèi)外許多學(xué)者開展了一系列相變墻體結(jié)合夜間通風(fēng)技術(shù)在建筑中的應(yīng)用研究，取得了重要成果，但大部分研究都是針對北方大溫差地區(qū)的［1-3］。相變墻體結(jié)合夜間通風(fēng)在夏季晝夜溫差較大的地區(qū)節(jié)能效果顯著，在晝夜溫差不大的炎熱地區(qū)利用相變墻體儲能，夜間如果不能及時把熱量排出去，可能會引起熱量在室內(nèi)聚集，達(dá)不到利用相變材料改善室內(nèi)熱環(huán)境的問題［4］?；谏鲜鰡栴}，本文對成都地區(qū)的相變墻體房間（以下簡稱相變房間）結(jié)合夜間通風(fēng)技術(shù)與普通墻體房間的室內(nèi)溫度進(jìn)行對比研究，在白天室外最高溫分別為30℃和32℃的氣象條件下，首先使用普通墻體和相變墻體房間進(jìn)行對比，其次對使用相變墻體房間以不同的通風(fēng)次數(shù)和通風(fēng)時段等方面討論夜間通風(fēng)對室內(nèi)熱環(huán)境的影響，最后在空調(diào)期對普通房間和相變房間的耗電量進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。

1　模擬條件

1.1模型說明

利用 DesignBuilder進(jìn)行建模，用建筑全能耗軟件EnergyPlus進(jìn)行模擬，EnergyPlus是由美國能源部（Department of Energy，DOE）和勞倫斯·伯克利國家實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory，LBNL）共同開發(fā)的一款建筑能耗模擬軟件，DesignBuilder是由英國DesignBuilder公司基于EnergyPlus開發(fā)的一款商業(yè)建筑能耗分析軟件。在成都地區(qū)的氣象參數(shù)下，對某一房間進(jìn)行夏季室內(nèi)溫度的模擬分析，模擬房間為5m×4m×3.6m的長方形建筑，總墻體面積為64.8m2，建筑面積為20m2，體積為72m3，各個朝向各有一扇2m×2.4m的窗戶，窗墻比為29.6%。普通房間和相變房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)見表1。

表1　圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工參數(shù)

1.2參數(shù)設(shè)置

相變房間的相變材料由石蠟與高密度聚乙烯制成的定型相變板材，厚度為15mm，相變溫度為26℃，相變材料的熱特性參數(shù)［5］見表2；模擬的日期為6月1日到9月30日，以白天最高溫為30℃和32℃分別作為代表日進(jìn)行分析；通風(fēng)換氣次數(shù)分別為2、3、4、5 ac/h；通風(fēng)時段為21：00～7：00、23：00～7：00、1：00～7：00、2：00～7：00；氣象參數(shù)取我國典型氣象年數(shù)據(jù)中的成都地區(qū)。

表2　相變材料的熱特性參數(shù)

2　模擬結(jié)果分析

2.1夏季普通房間與相變房間對室內(nèi)溫度的影響

對普通房間和相變房間進(jìn)行模擬，在模擬時段內(nèi)以白天室外最高溫度為30℃和32℃的其中一天為代表日在不通風(fēng)條件下分別對2種墻體房間最終的室內(nèi)溫度進(jìn)行比較，結(jié)果見圖1、圖2。

圖1　室外最高溫度為30℃時不同墻體下的室內(nèi)溫度變化

從圖1可以看出，在白天室外最高溫度為30℃時，相變房間的溫度始終低于普通房間的溫度，從22：00～9：00時間段內(nèi)相變房間在不通風(fēng)時室內(nèi)溫度明顯低于相變溫度26℃，在這個時段內(nèi)相變材料發(fā)生相變，儲存冷量，在室內(nèi)溫度高于26℃時釋放冷量，降低室內(nèi)的溫度。

圖2　室外最高溫度為32℃時不同墻體下的室內(nèi)溫度變化

從圖2可以看出，在白天室外最高溫度為32℃時，1：00～19：00相變房間的溫度低于普通房間的溫度，而在19：00以后2種房間的室內(nèi)溫度很接近。這是因為相變房間的最低室內(nèi)溫度在25℃左右，雖然低于相變溫度26℃，相比白天室外最高溫為30℃時儲存的冷量少，在白天釋放的冷量減少，又由于在不通風(fēng)時熱量在室內(nèi)聚集，導(dǎo)致19：00以后溫度變化不明顯。

從圖1、圖2可以看出，在2種溫度條件下使用相變墻體都有較好的降溫效果，室外最高溫為30℃時最高溫降低了0.23℃，平均溫度降低了0.34℃；室外最高溫為32℃時，最高溫降了0.30℃，平均溫度降低了0.41℃。

2.2夏季相變房間夜間有通風(fēng)和無通風(fēng)對

室內(nèi)溫度的影響

同樣是在白天室外最高溫為30℃和32℃時，對相變房間進(jìn)行夜間通風(fēng)和沒有夜間通風(fēng)，夜間通風(fēng)采取2 ac/h的換氣次數(shù)，通風(fēng)時段為23：00～7：00，有無通風(fēng)對室內(nèi)溫度的影響見圖3、圖4。

圖3　室外最高溫度為30℃時有無通風(fēng)室內(nèi)溫度變化

圖4　室外最高溫度為32℃時有無通風(fēng)室內(nèi)溫度變化

從圖3、圖4可以看出，白天室外最高溫度分別為30℃和32℃時，在采取夜間通風(fēng)條件下，相變房間的室內(nèi)溫度都降低了，平均溫度分別降低了0.31℃和0.24℃，在通風(fēng)時段內(nèi)溫度降幅最為明顯，隨著室外溫度的不斷升高，室內(nèi)溫度也逐漸升高。

2.3夏季相變房間不同通風(fēng)換氣次數(shù)對

室內(nèi)溫度的影響

當(dāng)通風(fēng)時間為23：00～7：00時，在室外最高溫度為30℃和32℃分別采取不同的換氣次數(shù)進(jìn)行通風(fēng)，換氣次數(shù)對室內(nèi)溫度的影響見圖5、圖6。

圖5　室外最高溫度為30℃時不同換氣次數(shù)室內(nèi)溫度變化

從圖5、圖6可以看出，隨著換氣次數(shù)的不斷增加，室內(nèi)溫度逐漸降低，當(dāng)換氣次數(shù)從2 ac/h變?yōu)? ac/h時，溫度變化明顯，當(dāng)換氣次數(shù)從3 ac/h增加到4 ac/h、5 ac/h時，溫度變化幅度反而小了。為了得到一個改善室內(nèi)熱環(huán)境合適的換氣次數(shù)，根據(jù)林坤平等［6］提出“累計日室內(nèi)溫度不舒適度”IDCT作為使用相變材料房間室內(nèi)熱舒適性的評價指標(biāo)。

圖6　室外最高溫度為32℃時不同換氣次數(shù)室內(nèi)溫度變化

式中：tin為室內(nèi)溫度，td為設(shè)定的舒適溫度上限，通常夏季空調(diào)房間設(shè)定溫度為26～28℃，本文取28℃作為溫度上限，換氣次數(shù)通過△IDCT/△h［7］取值，△IDCT/△h越小，說明室內(nèi)熱環(huán)境舒適性越高，△h為換氣次數(shù)變化值。在2種溫度條件下不同的夜間換氣次數(shù)對室內(nèi)熱舒適性的影響見表3。

表3　不同的通風(fēng)換氣次數(shù)對室內(nèi)熱環(huán)境的影響

從表3可以看出，當(dāng)換氣次數(shù)為3 ac/h時，在30℃和32℃溫度條件下△IDCT/△h最小值分別為-2.75和-2.90，此時室內(nèi)熱環(huán)境熱舒適性相對較好。因此，在達(dá)到一定的通風(fēng)量之后，換氣次數(shù)增加并沒有很高地改善室內(nèi)熱環(huán)境。綜合圖5、圖6和表3來看，換氣次數(shù)選為3 ac/h對改善室內(nèi)熱環(huán)境效果較好。

2.4夏季相變房間不同的通風(fēng)時段對

室內(nèi)平均溫度的影響

同樣是夏季室外溫度為30℃和32℃的相變房間，在同一通風(fēng)換氣次數(shù)3ac/h下，變換不同的通風(fēng)時段，通風(fēng)時段選為21：00～7：00、23：00～7：00、1：00～7：00、2：00～7：00四個時段，對室內(nèi)溫度的影響見圖7、圖8。

從圖7可以看出，室外最高溫度為30℃時，當(dāng)通風(fēng)時段在21：00～7：00、23：00～7：00和1：00～7：00這3個時段內(nèi)，室內(nèi)平均溫度逐漸降低，依次為25.21、25.19、25.139℃，在1：00～7：00時段內(nèi)通風(fēng)，室內(nèi)平均溫度最低，此時段內(nèi)室外溫度低于室內(nèi)溫度，室外的空氣進(jìn)入室內(nèi)，與室內(nèi)空氣進(jìn)行很好的熱交換，帶走室內(nèi)熱量，而相變材料把室外低溫空氣的冷量儲存起來，在2：00～7：00時段內(nèi)，平均溫度為25.143℃，反而比1：00～7：00時段高，在21：00～23：00時段內(nèi)，比凌晨時的室外溫度高，室外的熱空氣進(jìn)入房間，熱量在房間內(nèi)表面蓄積，與1：00～7：00通風(fēng)相比降溫效果不明顯，所以最終選擇1：00～7：00作為夜間通風(fēng)的時間。

圖7　室外最高溫度為30℃時不同通風(fēng)時段室內(nèi)平均溫度變化

圖8　室外最高溫度為32℃時不同通風(fēng)時段室內(nèi)平均溫度變化

從圖8可以看出，室外溫度為32℃時與室外溫度為30℃的變化趨勢相同，在1：00～7：00時段內(nèi)通風(fēng)，室內(nèi)平均溫度最低為26.64℃。

3　經(jīng)濟(jì)性分析

基于成都夏天高溫天氣持續(xù)時間短，在6～9月份，最高溫度為35℃的天氣大概持續(xù)7d，其它時間都是35℃以下，而大部分天氣都是32℃以下的，為了對不同溫度區(qū)域采用相變墻后室內(nèi)的溫度變化進(jìn)行分析，統(tǒng)計了近幾年6月1日到9 月30日不同的溫度所占天數(shù)，計算2種墻體房間的溫度變化，結(jié)果分別見表4、表5。

表4　溫度劃分天數(shù)占比

表5　2種墻體房間的溫度變化

從表5可得出，白天室外最高溫度為30℃時，通風(fēng)相變房間平均溫度比不通風(fēng)普通房間降了1.29℃；而白天室外最高溫度為32℃時，通風(fēng)相變房間平均溫度比普通房間降了1.34℃，在這2種溫度下可以只開電扇的方式來降溫。

從表5和以上分析可得出，對于相變房間，當(dāng)室外溫度在28℃（17d）以下時不用開空調(diào)和電扇，當(dāng)室外溫度在28～32℃（73d）時開電扇來代替空調(diào)，室外溫度在32℃以上（32d）時開空調(diào)。按照夏季空調(diào)房間設(shè)定溫度是26～28℃，普通房間的空調(diào)期為105d，相變房間的空調(diào)期為32d，假設(shè)空調(diào)的制冷功率為850W，耗電量約為0.85kW·h，1d的開啟時間為8h，耗電量為6.8kW·h/d；電扇的功率為70W，開啟時間為12h，耗電量大約為0.84kW·h/d，對于普通房間整個空調(diào)期的耗電量為714kW· h，相變房間的總耗電量為278.92kW·h，節(jié)省用電量60.9%。

4　結(jié)論

（1）對于成都地區(qū)，白天室外最高溫度為30℃和32℃時，在不通風(fēng)的情況下相變房間的室內(nèi)溫度比普通房間的室內(nèi)溫度分別降低了0.52℃和0.73℃。

（2）相變房間結(jié)合夜間通風(fēng)時，通風(fēng)換氣次數(shù)為3 ac/h，通風(fēng)時段為1：00-7：00能有效地改善室內(nèi)熱環(huán)境，在30℃和32℃條件下，與不通風(fēng)的普通房間相比，溫度分別降了1.29℃和1.34℃。

（3）在整個空調(diào)期，相變房間可以減少空調(diào)的使用時間，相比普通房間節(jié)省用電量60.9%。

參考文獻(xiàn)：

［1］馮國會，韓淑伊，劉馨，等.相變墻房間夏季夜間通風(fēng)效果實驗［J］.沈陽建筑大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2013，29（4）：693-697. ［2］馮國會，曹廣宇，于瑾，等.夏季晝夜溫差較大地區(qū)相變墻蓄冷可行性分析［J］.沈陽建筑大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2005，21（4）：350-353.

［3］林坤平，張寅平，江億.我國不同氣候地區(qū)夏季相變墻房間熱性能模擬和評價［J］.太陽能學(xué)報，2003，24（1）：46-52.

［4］李百戰(zhàn)，莊春龍，鄧安仲，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.

［5］呂亞軍.相變材料在輕質(zhì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究［D］.天津：天津大學(xué)，2013.

［6］林坤平，張寅平，江億.夏季“空調(diào)”型相變墻熱設(shè)計方法［J］.太陽能學(xué)報，2003，24（2）：145-151.

［7］張洪宇，莊春龍，鄧安仲，等.夜間通風(fēng)量對相變輕質(zhì)房間室內(nèi)熱環(huán)境的影響［J］.后勤工程學(xué)院學(xué)報，2014，30（2）：56-60.

西華大學(xué)流體及動力機(jī)械教育部重點實驗室開放基金資助（szjj2015-037）；

西華大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項目（ycjj2015062）

中圖分類號：TU55+1.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-702X（2016）05-0103-04

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目（51279172）；

收稿日期：2015-12-23

作者簡介：許倩語，女，1991年生，云南玉溪人，碩士研究生，主要研究方向為人居環(huán)境技術(shù)及建筑節(jié)能。

Research on the indoor thermal environment of the phase change room based on the night ventilation

XU Qianyu1，SONG Wenwu2，JIANG Zhu2，SHI Jianwei2，WEI Lichao2，YANG Xiuxin2
（1.School of Architecture and Civil Engineering，Xihua University，Chengdu 610039，China；2.School of Energy and Power Engineering，Xihua University，Chengdu 610039，China）

Abstract：Based on DesignBuilder and EnergyPlus software，the representative day that the most high outdoor temperature were respectively 30℃ and 32℃ in Chengdu area，the influence of the phase change material and the night ventilation technology on the indoor thermal environment is simulated，the influence of the wall structure，the ventilation rate and the ventilation period for the indoor temperature is analyzed.Simulation results show：the phase change material and the night ventilation can effectively improve the indoor thermal environment.When the ventilation rate is 3 ac/h and ventilation period is 1：00～7：00，the indoor average temperature of the phase change room is reduced by 1.0～1.5℃.Compared to ordinary room，the phase change room can shorten cooling period and save electricity 60.9%.

Keywords：phase change energy storage，night ventilation，indoor thermal environment，economic analysis