通風(fēng)時(shí)段對(duì)合肥某商場(chǎng)建筑能耗影響的模擬研究

楊旭冬，胡浩威，方菲苑

(安徽建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

0 引言

隨著社會(huì)的快速發(fā)展和建筑行業(yè)不斷的興起，建筑能耗也不斷提升。據(jù)有關(guān)資料預(yù)測(cè)表明，到2020年我國(guó)建筑面積將突破600億m2，但其中只有5%的建筑符合現(xiàn)有的建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)[1]，所以研究建筑節(jié)能，通過(guò)研究建筑節(jié)能技術(shù)和措施減少建筑能耗，構(gòu)建綠色建筑已經(jīng)是刻不容緩的任務(wù)。

一直以來(lái)，夏熱冬冷地區(qū)居民喜歡利用開(kāi)窗等自然通風(fēng)改善室內(nèi)環(huán)境的生活方式。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，更多的制冷采暖設(shè)備出現(xiàn)，開(kāi)窗的需求越來(lái)越少，人們經(jīng)常利用機(jī)械設(shè)備滿(mǎn)足室內(nèi)舒適度。但也帶來(lái)了以下兩方面的問(wèn)題[2，3]：①采暖空調(diào)能耗迅速提升，導(dǎo)致這一項(xiàng)的耗電就高于其他家用電器用電量的總和，能源資源造成的壓力增大；②長(zhǎng)期采用機(jī)械通風(fēng)，空氣不流暢、室內(nèi)空氣質(zhì)量惡化，造成身體的抵抗力下降。

模擬分析是研究建筑節(jié)能的重要方法，為建筑節(jié)能改造提供了有力的數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù)。國(guó)內(nèi)外有很多學(xué)者通過(guò)建筑模擬軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑能耗數(shù)據(jù)的直觀化。其中美國(guó)要求包括DOE-2，，En‐ergyplus等模擬軟件能模擬得到全年的建筑逐時(shí)能耗，在設(shè)置空調(diào)運(yùn)行時(shí)間、雜項(xiàng)電器、溫控點(diǎn)等參數(shù)時(shí)能隨時(shí)間變化而變化。英國(guó)要求選用的能耗模擬軟件能通過(guò)選用的氣象數(shù)據(jù)且滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范導(dǎo)則的要求[4]。法國(guó)Syamimi Saadon[5]等在TRN‐SYS的幫助下實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)與模擬建筑的耦合，并且根據(jù)氣候的舒適度需求評(píng)估了該組合系統(tǒng)。Geor‐gios Gourlis[6]等用EnergyPlus進(jìn)行動(dòng)態(tài)熱模擬，以評(píng)估既有工業(yè)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)翻新改進(jìn)的可能性。開(kāi)發(fā)了兩個(gè)改造方案并利用工業(yè)建筑能源性能的關(guān)鍵參數(shù)。南歐Ana Nadal[7]等利用第一個(gè)全集成屋頂溫室房子并設(shè)置特定地點(diǎn)的天氣數(shù)據(jù)，精確的控制策略和動(dòng)態(tài)土壤溫度，在EnergyPlus中建模，以評(píng)估等效“獨(dú)立”溫室的性能。

國(guó)內(nèi)以清華大學(xué)研究的DEST為代表，其中楊志偉[8]等以嚴(yán)寒地區(qū)某高校辦公樓為研究對(duì)象，利用DeST能耗模擬軟件研究既有建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能，分析不同通風(fēng)條件下辦公建筑的能耗變化狀況以及通風(fēng)對(duì)建筑能耗的影響效果。魏曉真等[9]對(duì)寒冷地區(qū)某辦公樓利用DEST能耗模擬軟件對(duì)4種不同自然通風(fēng)方案進(jìn)行能耗模擬分析。解曉明[10]以DeST-c作為模擬軟件利用呼和浩特地區(qū)室外氣象和建筑參數(shù)分析夜間通風(fēng)的節(jié)能性，并用此方法分析了我國(guó)其他城市的辦公類(lèi)建筑夜間通風(fēng)節(jié)能性。駱詩(shī)哲[11]以廣州地區(qū)居住建筑為研究對(duì)象，采用了DeST-h能耗軟件的兩種通風(fēng)模擬方式分別模擬在有無(wú)通風(fēng)兩種情況下圍護(hù)結(jié)構(gòu)外窗的傳熱系數(shù)和遮陽(yáng)系數(shù)對(duì)建筑能耗的影響。

在公共建筑的運(yùn)營(yíng)過(guò)程中需要研究和明晰通風(fēng)對(duì)整體建筑的節(jié)能效果，以便采取更加合適的節(jié)能改造措施，從建筑不同通風(fēng)時(shí)間下建筑能耗變化情況，進(jìn)而給出合理的建議。本文以合肥某商場(chǎng)公共建筑為研究對(duì)象，根據(jù)DeST能耗模擬軟件研究夏熱冬冷地區(qū)不同通風(fēng)時(shí)間下公共建筑的能耗情況及節(jié)能效果。

1 建筑概況

本文模擬的對(duì)象建筑是合肥市某商場(chǎng)，該建筑結(jié)構(gòu)體系為鋼筋混凝加框架剪力墻結(jié)構(gòu)，共有5層，建筑高度33 m，標(biāo)準(zhǔn)層高為5.7 m，建筑面積為115 708 m2，體形系數(shù)為0.07。建筑總平面圖如圖1所示。圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)如表1所示。

圖1 建筑總平面圖

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料及傳熱系數(shù)

在夏熱冬冷地區(qū)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料和參數(shù)的選取關(guān)乎著窗墻比、外墻和外窗傳熱系數(shù)、遮陽(yáng)系數(shù)四個(gè)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能潛力的有影響的因素。本文以實(shí)際建筑為模型，根據(jù)建筑實(shí)際圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)置參數(shù)，在公共建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)規(guī)定性限值范圍內(nèi)。該商場(chǎng)通風(fēng)方式主要是兩種：一種是采用全空氣中央空調(diào)形式或者空氣處理機(jī)組+新風(fēng)的中央空調(diào)形式實(shí)現(xiàn)商場(chǎng)內(nèi)與室外空氣的交換的機(jī)械通風(fēng)方式，另一種是采用開(kāi)窗以及開(kāi)門(mén)等形式的自然通風(fēng)方式。

2 建立模型及參數(shù)設(shè)置

2.1 模型的建立

根據(jù)實(shí)際參數(shù)和設(shè)計(jì)參數(shù)情況對(duì)合肥市某商場(chǎng)利用DeST軟件進(jìn)行建模計(jì)算分析，該商場(chǎng)整體模型和商場(chǎng)模型俯視圖如圖2，圖3所示。

圖2 商場(chǎng)整體模型

圖3 商場(chǎng)模型俯視圖

3 模擬分析與討論

根據(jù)設(shè)定的參數(shù)，利用DeST根據(jù)表4采暖季和空調(diào)季的日期設(shè)定對(duì)該商場(chǎng)建筑的全年逐時(shí)冷、熱負(fù)荷進(jìn)行模擬。采暖季設(shè)定為11月15日—次年3月15日，空調(diào)季設(shè)定為6月1號(hào)—8月30日，3種方案的模擬結(jié)果如圖5，圖6，圖7和表5所示。

表3 通風(fēng)時(shí)段的方案

表4 采暖季和空調(diào)季的日期設(shè)定

圖5 方案1全年逐時(shí)空調(diào)負(fù)荷

圖6 方案2全年逐時(shí)空調(diào)負(fù)荷

圖7 方案3全年逐時(shí)空調(diào)負(fù)荷

表5 三種方案冷、熱負(fù)荷對(duì)比

能耗模擬結(jié)果見(jiàn)表5。通過(guò)分析可知，在5：00-13：00通風(fēng)其他時(shí)間不通風(fēng)時(shí)，全年累計(jì)熱負(fù)荷為5 792 781.18 kW·h，全年累計(jì)冷負(fù)荷為12 046 477.67 kW·h。13：00-21：00 通風(fēng)其他時(shí)間不通風(fēng)時(shí)，全年累計(jì)熱負(fù)荷為4 034 079.80 kW·h，全年累計(jì)冷負(fù)荷為 12 347 078.24 kW·h。21：00-5：00 通風(fēng)其他時(shí)間不通風(fēng)時(shí)，全年累計(jì)熱負(fù)荷為699 743.76 kW·h，全年累計(jì)冷負(fù)荷為10 318 188.65 kW·h。

圖8 三種方案負(fù)荷對(duì)比

由圖8可知，該商場(chǎng)在通風(fēng)情況下，全年熱負(fù)荷按從小到大排序?yàn)椋悍桨?＜方案2＜方案1，全年冷負(fù)荷按從小到大排序?yàn)椋悍桨?＜方案1＜方案2，所以在21：00-5：00可通過(guò)開(kāi)窗增大自然通風(fēng)，從而減少建筑能耗，其次在夏季可以適當(dāng)在時(shí)間段5：00-13：00 開(kāi)窗或冬季可以適當(dāng)在 13：00-21：00開(kāi)窗，更大程度上減少建筑能耗。由于此公共建筑為商場(chǎng)，可能在21：00-5：00時(shí)間段商場(chǎng)人流量低且部分空調(diào)不運(yùn)行，所以在此時(shí)間段通風(fēng)負(fù)荷最低，且在 5：00-13：00 室外溫度低于 13：00-21：00溫度，對(duì)于熱負(fù)荷來(lái)說(shuō)，冬季上午通風(fēng)會(huì)帶走室內(nèi)熱量，空調(diào)負(fù)荷增加，所以上午負(fù)荷高于下午負(fù)荷，對(duì)于冷負(fù)荷來(lái)說(shuō)，夏季下午通風(fēng)會(huì)增加外界帶來(lái)的熱量，空調(diào)負(fù)荷增加，所以下午負(fù)荷高于上午負(fù)荷。

為了更好地分析3種方案的節(jié)能情況，以13：00-21：00通風(fēng)時(shí)方案2的建筑負(fù)荷為基準(zhǔn)值，計(jì)算在時(shí)間段 5：00-13：00 通風(fēng)時(shí)和 21：00-5：00 通風(fēng)時(shí)負(fù)荷節(jié)能比，結(jié)果如下圖9、圖10所示。

圖9 方案1節(jié)能對(duì)比

圖10 方案3節(jié)能對(duì)比

由圖9、圖10可知，不同通風(fēng)時(shí)段的通風(fēng)節(jié)能效果是不同的。以13：00-21：00時(shí)間段通風(fēng)作為基準(zhǔn)值，冬季21：00-5：00通風(fēng)的節(jié)能率最高，達(dá)82.65%，夏季 21：00-5：00 通風(fēng)節(jié)能率達(dá)到16.43%，夏季5：00-13：00通風(fēng)節(jié)能率達(dá)到2.43%，但冬季5：00-13：00通風(fēng)反而增加建筑能耗，不利于建筑節(jié)能，達(dá)到-43.6%。可能由于21：00-5：00溫度低于其他時(shí)間溫度，建筑負(fù)荷及能耗偏低，所以在21：00-5：00通風(fēng)能明顯降低建筑負(fù)荷，能達(dá)到節(jié)能的目的，且 5：00-13：00 溫度低于 13：00-21：00溫度，所以對(duì)冬季來(lái)說(shuō)，上午通風(fēng)降低室內(nèi)熱量，會(huì)更大強(qiáng)度增加空調(diào)能耗，從而增加建筑能耗，與下午通風(fēng)相比，不利于節(jié)能。

由于該建筑為公共建筑商場(chǎng)，考慮其實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況，在21：00-5：00和時(shí)間段商場(chǎng)人流量最低，在此時(shí)間段開(kāi)窗不影響商店運(yùn)營(yíng)和室內(nèi)舒適度，而5：00-13：00是商場(chǎng)人流量偏低，在此時(shí)間段可以在不影響人舒適性和店面運(yùn)營(yíng)的情況下適當(dāng)開(kāi)窗降低能耗。合理選擇節(jié)能效果明顯的時(shí)段，可以減少空調(diào)風(fēng)機(jī)運(yùn)行的時(shí)間，在不影響熱舒適性的前提下節(jié)約風(fēng)機(jī)能耗。在本文研究的氣候環(huán)境條件下，選擇21：00-5：00進(jìn)行自然通風(fēng)節(jié)能效果明顯。

4 結(jié)論

通過(guò)DeST對(duì)該商場(chǎng)建筑物兩種通風(fēng)方式和三種通風(fēng)時(shí)間進(jìn)行全年能耗模擬分析，得到合肥市各月逐時(shí)干球溫度，全年逐時(shí)空調(diào)負(fù)荷以及項(xiàng)目各負(fù)荷能耗統(tǒng)計(jì)，并對(duì)方案對(duì)比得出節(jié)能率，主要結(jié)論如下：

(1)將三種通風(fēng)時(shí)間方案進(jìn)行對(duì)比，夜間通風(fēng)可以最大程度的降低全年累計(jì)負(fù)荷和能耗，達(dá)到節(jié)能最優(yōu)的效果。

(2)可能由于夏季和冬季上午溫度低于下午溫度，所以對(duì)于全年冷負(fù)荷，在時(shí)間段5：00-13：00通風(fēng)的負(fù)荷低于 13：00-21：00 通風(fēng)，5：00-13：00 通風(fēng)的節(jié)能效果優(yōu)于13：00-21：00通風(fēng)效果；而對(duì)于全年熱負(fù)荷，13：00-21：00 通風(fēng)的負(fù)荷低于 5：00-13：00通風(fēng)負(fù)荷，13：00-21：00通風(fēng)的節(jié)能效果優(yōu)于5：00-13：00通風(fēng)效果。因此在節(jié)能改造過(guò)程中，建議在21：00-5：00可通過(guò)開(kāi)窗增大自然通風(fēng)，從而減少建筑能耗，其次在夏季可以適當(dāng)在時(shí)間段5：00-13：00開(kāi)窗或冬季可以適當(dāng)在13：00-21：00開(kāi)窗，更大程度上減少建筑能耗，也可以注意多種通風(fēng)時(shí)間的綜合使用所帶來(lái)的節(jié)能效果。

本文建立夏熱冬冷地區(qū)自然通風(fēng)預(yù)冷節(jié)能潛力評(píng)價(jià)體系模型，得到通過(guò)不同時(shí)間段開(kāi)窗的可行性方法降低建筑能耗以及夜間通風(fēng)可以達(dá)到節(jié)能最大化，這些為完善我國(guó)近零能耗建筑技術(shù)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐。但在將來(lái)研究對(duì)通風(fēng)對(duì)負(fù)荷和能耗影響過(guò)程中，還需要考慮建筑本身的蓄熱特性，進(jìn)一步結(jié)合通風(fēng)方式和通風(fēng)時(shí)間綜合研究公共建筑的節(jié)能效果。