建筑實體蓄能的探討

榮國華

華優(yōu)建筑設(shè)計院有限公司

夏季空調(diào)蓄冷、冬季采暖蓄熱技術(shù)已經(jīng)得到大量應(yīng)用，夜間蓄能為電網(wǎng)消峰填谷、緩解電力緊張起到了積極的作用，同時為用戶節(jié)省了電費。目前的蓄能技術(shù)是把能量蓄存在介質(zhì)中，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，冰蓄冷投資高，回收期長，通常在3 年以上[1]。任何材料都可以蓄能，比如建筑的墻體、地板、家具等建筑實體，這些都是建筑的既有材料，屬于必要的一次性投資，如果利用建筑實體作為蓄能介質(zhì)，可以為用戶節(jié)省投資。

國內(nèi)學(xué)者對建筑夏季夜間通風降溫做了大量的研究，對比了不同的換氣次數(shù)對房間降溫的影響，比如：朱新榮等在文獻[2]中提出，通風換氣最佳次數(shù)為10 次/h，繼續(xù)增大換氣次數(shù)對空調(diào)負荷的降低沒有意義。這些研究對建筑實體溫度的變化沒有太多的敘述，而建筑實體蓄冷是一個深度降溫的過程，其溫度的變化對蓄冷量影響較大。

1 建筑實體蓄能溫度的設(shè)定和舒適性

建筑實體蓄能溫度是指蓄能結(jié)束后，實體材料所達到的溫度。夏季蓄冷溫度宜定為20 ℃，與室內(nèi)空調(diào)設(shè)計溫度26 ℃有6 ℃的溫差，可以防止結(jié)露，避免引起人體的過度冷感。冬季蓄熱溫度宜定為26 ℃，與室內(nèi)采暖設(shè)計溫度20 ℃有6 ℃的溫差，高于26 ℃時，人體感覺燥熱。蓄冷和蓄熱過程都是6 ℃的溫差，增大溫差可以增加蓄能量，但提高了運行費用且人體的不舒適度感增強。減小溫差就減少了蓄能量，雖然降低了人體的不舒適度，但節(jié)能效果受到影響。當然，建筑實體蓄能溫度的設(shè)定應(yīng)遵守《輻射供暖供冷技術(shù)規(guī)程》（JGJ142-2012）[3]的規(guī)定。建筑實體蓄能降低了人體的舒適性，用戶很難接受和適應(yīng)，建議通過改變著裝來適應(yīng)，夏季穿保暖的褲子和鞋，抵御下肢體的冷感，而冬季穿夏裝，使身體感到?jīng)鏊?/p>

2 建筑實體蓄能的外部條件

在我國高緯度、高海拔地區(qū)，夏季凌晨會出現(xiàn)持續(xù)時間較長的低溫，通常在20 ℃以下，為建筑實體蓄冷提供了免費的天然冷源，比如我國的東北、西北、西南地區(qū)，青藏高原、黃土高原、云貴高原地區(qū)，很多地方7 月份的平均最低氣溫在20 ℃以下[3]，在其它月份，還會出現(xiàn)更低的溫度，在這些地區(qū)有豐富的天然冷源。在我國其它地區(qū)夏季凌晨也會出現(xiàn)20 ℃以下的時間窗口，是建筑實體蓄冷的好時機。

實行峰谷平電價，夜間利用廉價的電能，啟動建筑的空調(diào)制冷系統(tǒng)，向房間送冷風或冷水，把建筑實體的溫度降到露點溫度以上，它不受地理位置、氣候條件的限制，任何地方都可以實施，節(jié)省電費效果顯著。利用空調(diào)系統(tǒng)蓄能要實現(xiàn)經(jīng)濟效益，必須有較高的峰谷電價比或電價差。

3 建筑實體蓄能的內(nèi)部條件

建筑實體蓄能需要有厚重的圍護結(jié)構(gòu)和良好的保溫、遮陽性能，外墻、內(nèi)墻、地板需要用高密度、高容重的建筑材料構(gòu)筑，保證建筑實體有高的熱容量，同時依靠良好的保溫、遮陽性能，減少室內(nèi)外能量的傳遞，降低冷熱負荷。老式建筑多為磚混結(jié)構(gòu)，墻體厚重，通過節(jié)能改造，加強外保溫，這樣的建筑就適合實體蓄能的要求。而現(xiàn)代建筑為了節(jié)能的需要，往往采用厚重的外保溫、輕薄的結(jié)構(gòu)墻體、通暢的玻璃幕墻，雖然降低了冷熱負荷，建筑實體的熱容量也降低了，不利于建筑實體的蓄能。

建筑實體蓄能是利用建筑現(xiàn)有的通風空調(diào)制冷系統(tǒng)，而不需要額外增加冰蓄冷、水蓄冷等蓄能系統(tǒng)。當建筑具有風機盤管加新風系統(tǒng)時，可利用新風系統(tǒng)從室外引進低溫冷風，如果新風量不能滿足建筑實體降溫的需求，就啟動風機盤管系統(tǒng)，加大風量和制冷量。當建筑采用地埋管輻射空調(diào)系統(tǒng)時，可利用室外冷空氣把循環(huán)水降溫，再送入室內(nèi)，使地板降溫。因此，建筑實體蓄能就是利用建筑現(xiàn)有通風空調(diào)制冷系統(tǒng)，通過風、水循環(huán)介質(zhì)，把室外能量蓄存在建筑實體中。

4 建筑實體蓄能的傳熱分析

4.1 建筑實體的蓄能過程

以北京某磚混結(jié)構(gòu)辦公樓的標準房間為例，分析在蓄能過程中墻體溫度的變化。該房間朝南，開間為3.6 m，進深5 m，層高為3.2 m，外墻為370 mm 實心磚墻，外包50 mm 聚苯板，外窗為雙層Low-e 玻璃，房間內(nèi)隔墻、走道隔墻為240 mm 實心磚墻，房間門為0.9 mm×2.2 mm 木門，底板和頂板為150 mm 厚鋼筋混凝土鋪地磚，不考慮相鄰房間的傳熱。

夏季夜間蓄冷時，假設(shè)室外溫度為17 ℃，向房間送冷風，瞬間把室內(nèi)空氣溫度從20 ℃降為17 ℃，外墻、內(nèi)墻、地板、家具的起始溫度為26 ℃，瞬間處于17 ℃的空氣中，使這些建筑實體降溫，通過非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的數(shù)值解法[4]，求解建筑實體的溫度變化值。

通過計算可知，當墻板中心溫度達到20 ℃時，地板用時3969 s（約1 h 6 min），內(nèi)墻用時15093 s（約4 h 12 min），外墻用時35883 s（約10 h），如果考慮外墻的保溫，尤其夏季夜間室外最低溫度超過26 ℃時，用時將會更長，在一個晚上不可能降到20 ℃。同時可知，當墻板中心溫度降低到20 ℃時，墻板表面溫度已經(jīng)低于18 ℃，易發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象。

為了防止結(jié)露，墻中心溫度不必要降到20 ℃，只要墻內(nèi)各點平均溫度達到20 ℃即可，這樣從計算過程可以得出，內(nèi)墻經(jīng)過9503 s 時，墻內(nèi)平均溫度達到20.02 ℃，熱容量（或蓄冷量）為58193 kJ，外墻經(jīng)過22593 s 時，墻內(nèi)平均溫度達到20.05 ℃，熱容量為30948 kJ，地板經(jīng)過2499 s 時，板內(nèi)平均溫度達到20.02 ℃，熱容量為32659 kJ，蓄冷時間縮短了三分之一以上。

4.2 建筑實體的釋能過程

夜間建筑實體蓄能結(jié)束后，早上投入使用，建筑實體開始釋能，由于建筑實體與人體、燈具、電腦等發(fā)熱體有較大的溫差，兩者必然發(fā)生輻射換熱，空調(diào)送新風以及人走動形成空氣擾動，室內(nèi)空氣與建筑實體表面發(fā)生對流換熱，人體接觸低溫的地板、家具，也有少量導(dǎo)熱換熱，因此，建筑實體釋能是一個輻射換熱、對流換熱、導(dǎo)熱的復(fù)合換熱過程，與蓄能單純的對流換熱過程有較大的區(qū)別，兩者不是一個反向?qū)ΨQ過程，釋能所需的時間不一定與蓄能所需的時間相同。

很多學(xué)者對釋能過程做了大量的研究工作，林坤平、徐宏慶在文獻[5]中提出了附加冷負荷系數(shù)的概念，該文認為，對于間歇性空調(diào)系統(tǒng)，當夜間空調(diào)系統(tǒng)停止運行時，室外熱量通過圍護結(jié)構(gòu)傳入室內(nèi)，使建筑實體和室內(nèi)空氣溫度升高，大于室內(nèi)空調(diào)設(shè)計溫度，第二天空調(diào)系統(tǒng)啟動后，由于建筑實體的溫度高于室內(nèi)空調(diào)設(shè)計溫度，從而給空調(diào)系統(tǒng)帶來附加冷負荷。為此，他們推出了不同場景下房間附加冷負荷系數(shù)，據(jù)此可以求出空調(diào)運行期間的逐時附加冷負荷。

本文借鑒該研究成果，用于求解建筑實體釋能過程中逐時的釋冷負荷。該房間內(nèi)墻面積為41.54 m2，地板面積18 m2，家具面積2 m2，家具厚度為3cm，室內(nèi)設(shè)計溫度為26 ℃，房間晝夜溫差為6 ℃，從文獻[5]中查出該房間的冷負荷系數(shù)，從而得出建筑實體的逐時附加冷負荷，見表1。

表1 逐時附加冷負荷

當建筑夜間不蓄冷時，根據(jù)《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》（GB50736-2012）[6]，計算出該房間夏季空調(diào)設(shè)計逐時冷負荷。房間有兩人辦公，兩臺電腦，人體發(fā)熱量為110 W/人，電腦發(fā)熱量150 W/臺，燈光發(fā)熱量60 W，室內(nèi)設(shè)計溫度26 ℃，新風標準為30 m3/(人·時)，新風冷負荷為183 W，這樣，夏季該房間實際冷負荷見表2。

表2 夏季逐時冷負荷

實際冷負荷為設(shè)計冷負荷、附加冷負荷、新風冷負荷之和，因建筑實體溫度低于室內(nèi)設(shè)計溫度26 ℃，所以附加冷負荷為負值。從表2 可以看出，從8:00 上班到13:00 時間段內(nèi)，由于建筑實體向房間釋放冷量，空調(diào)系統(tǒng)向房間提供必要的新風，而且新風是降溫除濕后的冷風，房間實際所需的冷負荷為負值，這樣房間的風機盤管不啟動，只需送新風，制冷主機的負荷至少降低三分之二，避開了2 h 的平段電價和3 bh 的峰值電價，節(jié)省了大量的電費。

根據(jù)表2 計算得出，從8:00 到18:00，內(nèi)墻、地板釋放的冷量為22655 kJ，內(nèi)墻、地板還積蓄有68197 kJ的冷量沒有釋放出來。19:00 至7:00 時間段的空調(diào)設(shè)計總冷量為3726 kJ，8:00 至18:00 時間段空調(diào)設(shè)計總冷量為24984 kJ，合計總冷量為28710 kJ，該數(shù)值遠小于內(nèi)墻、地板積蓄的總冷量90852 kJ，后者是前者的3倍。從數(shù)值上可以推斷，只需要一個晚上的時間，把建筑實體溫度降到20 ℃，就可以三天不用開空調(diào)。但實際上由于建筑實體釋冷速率的緩慢和衰減，在空調(diào)使用的后期，可能滿足不了冷負荷的需求，從表2 可以看出，13:00 以后冷負荷在回升。此時，要把建筑實體的冷量及時釋放出來，可以采取提高室內(nèi)風速的辦法，加強對流換熱，比如，打開風機盤管，高速送風，但不送冷凍水，施行空轉(zhuǎn)。

由于建筑實體積蓄的冷量不能全部釋放出來，夜間再次蓄冷時就可以減少蓄冷時間，實際上沒有浪費。既然建筑實體積蓄的冷量用不完，為何不能減少蓄冷量？要減少蓄冷量，只能把建筑實體蓄冷溫度提高到20 ℃以上，但是蓄冷溫度提高了，建筑實體釋冷速率就會降低，可能滿足不了空調(diào)冷負荷。在空調(diào)季節(jié)使用的初期5、6 月份和使用的后期8、9 月份，冷負荷較低，宜提高建筑實體蓄冷溫度。而在使用的中期7 月份，冷負荷最高，應(yīng)降低蓄冷溫度。由于室內(nèi)場景的復(fù)雜性，對建筑實體蓄能和釋能過程的描述，不論是手工計算還是軟件模擬都會存在誤差，對于實際工程，只能通過長期的運轉(zhuǎn)實踐，才能掌握其中的規(guī)律。

5 適合建筑實體蓄能的建筑類型

建筑實體蓄能的可行性取決于建筑的容重、使用人數(shù)，圍護結(jié)構(gòu)越厚重，熱容量就越高，蓄能量也就越大，而建筑的使用人數(shù)越多，發(fā)熱量也就越大，提高了夏季的冷負荷，降低了冬季的熱負荷，總之，希望人均容重或人均使用面積越大越好。

假設(shè)人體發(fā)熱量（靜坐）=110W，照明發(fā)熱量=30 W/人，每人一臺電腦，電腦發(fā)熱量=150 W/臺，室外冷負荷為60 w/人，總計冷負荷為350 W/人，在上班的10 個小時內(nèi)產(chǎn)生的總熱量為12600 kJ，又假設(shè)建筑實體蓄冷的總冷量為該總熱量的3 倍，并在10 h 釋放出12600 kJ 的冷量，用于消除上述發(fā)熱量，無需啟動空調(diào)系統(tǒng)，求出鋼筋混凝土蓄冷所需要的體積為3 m3，假設(shè)鋼筋混凝土板的厚度為150 mm，3 m3鋼筋混凝土相當于20 m2。對于框架結(jié)構(gòu)的建筑，內(nèi)墻很薄，完全靠地板蓄能，當人均使用面積為20 m2時，白天可以靠地板釋放冷量滿足空調(diào)需求。對于磚混結(jié)構(gòu)、框剪結(jié)構(gòu)的建筑，假設(shè)內(nèi)墻面積與地板面積相同，內(nèi)墻與地板同時蓄冷，人均使用面積為10 m2時，也可以滿足白天的空調(diào)需求。通常辦公樓人均使用面積在10 m2以下，對于磚混結(jié)構(gòu)的辦公樓也許能夠滿足空調(diào)白天的要求，而對框架結(jié)構(gòu)的辦公樓，蓄冷量則不能滿足白天的空調(diào)要求。以上屬于估算，僅供參考。

目前，我國城鎮(zhèn)人均住房面積達到39 m2，農(nóng)村人均住房面積達到47 m2[8]。住宅結(jié)構(gòu)為磚混或框剪結(jié)構(gòu)，熱容量較大，應(yīng)用建筑實體蓄能技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)晚上蓄能，白天可以大幅度減少開空調(diào)的時間，節(jié)省大量電費。不限于辦公樓、住宅建筑，其它建筑也可以根據(jù)建筑實體的總?cè)葜?、冷熱負荷來確定是否適合建筑實體蓄能，只要建筑實體的蓄能量大于設(shè)計冷熱負荷，都有一定的應(yīng)用價值。

6 建筑實體蓄能的技術(shù)措施

6.1 利用現(xiàn)有的空調(diào)采暖系統(tǒng)提供冷熱源

從上面的計算結(jié)果來看，內(nèi)墻蓄冷時間為9503 s，積蓄的熱容量為58193 kJ，平均熱功率為6124 W。地板蓄冷時間為2499 s，積蓄的熱容量為32659 kJ，平均熱功率為13069 W，兩者最大平均熱功率為19193 W，如果用17 ℃的冷風作為冷源，需要的風量為6281 m3/h，房間換氣次數(shù)為109 次/h。

該房間夏季空調(diào)設(shè)計冷負荷為733 W，如果選用最小型號的風機盤管FP-34[9]，它的額定制冷量為1800 W，額定風量340 m3/h，可以滿足房間空調(diào)需求。但是該風機盤管的額定制冷量與蓄冷時所需的最大平均熱功率19193 W 相差很多，風機盤管的循環(huán)風量也很小，即使加上新風183 W 的冷負荷，在上述蓄冷時間內(nèi)遠遠滿足不了蓄冷要求。如果利用該空調(diào)系統(tǒng)蓄冷，只能延長蓄冷時間，經(jīng)計算蓄冷時間將超過13 h，蓄冷時間段為19:00 至第二天8:00，因蓄冷時間過長，耗電量和電費過高，就沒有經(jīng)濟效益。

從前面的分析可知，空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計負荷很小，而建筑實體有很大的蓄能量，要積蓄這么大的能量，一天之內(nèi)可能也完成不了?？梢圆扇≈鸩椒e累的辦法，在過渡季節(jié)就開始積蓄，比如，春季建筑實體整體的溫度在20 ℃左右，可以引進室外冷風保持這個溫度恒定，進入空調(diào)季節(jié)后，夜間開啟空調(diào)制冷系統(tǒng)，只需要運行很短的時間，補充少量的冷量，就可以把建筑實體的溫度穩(wěn)定在20 ℃，這樣通過全年連續(xù)不斷的能量積累，就可以克服空調(diào)系統(tǒng)負荷不夠的弊端。

6.2 提高建筑的通風量和換氣次數(shù)

現(xiàn)代建筑密封性能好、通風性能差，由于常規(guī)的空調(diào)系統(tǒng)風管尺寸的限制，夜間通過新風系統(tǒng)引進的室外風量很小，普通住宅只有抽油煙機和衛(wèi)生間排風機，風量也很小，夜間室外的風力也沒有保證，因此依靠室外冷風降溫蓄冷效果有限。

要提高新建建筑的通風量可以通過以下措施，比如，辦公房間外窗、門設(shè)通風孔，走道外窗設(shè)排風機或送風機，夜間啟動風機，室外冷風經(jīng)過外窗、室內(nèi)、門、走道、風機形成對流換熱。對于變風量空調(diào)系統(tǒng)，加大新風引入管的尺寸，保證空調(diào)箱的送風量與夜間的新風引入量相同。對于老舊建筑，可以通過改造實現(xiàn)上述措施。對于沒有安全性要求的建筑，夜間打開窗、門，施行自然通風是最簡易的辦法，或在走道外窗設(shè)風機增加換氣量。建筑防排煙通風系統(tǒng)平時不用，只有火災(zāi)或維修時啟動，建議平時用于建筑蓄能時通風換氣。

6.3 利用埋管技術(shù)提高蓄能速率

地板采暖是常用的技術(shù)，由于水的換熱效率是空氣的10 倍以上，而且管道埋在板中間，它的蓄能和散熱效率較高。在地板、墻壁埋入水管，或把地板、墻壁做成空心體，將冷熱水或空氣輸送其中，蓄能速率比外表面?zhèn)鳠岣吆芏?。利用埋管技術(shù)可以將建筑內(nèi)區(qū)與外區(qū)連通，將建筑內(nèi)區(qū)的蓄能輸送給外區(qū)，提高了建筑整體的蓄能量。

6.4 施行“春凍秋捂”運行策略

人體為了適應(yīng)氣溫的變化，有“春捂秋凍”的生活習慣，而建筑實體蓄能要反其道而行，施行“春凍秋捂”的運行策略。“春凍”就是把春天的冷量輸送到建筑實體內(nèi)，阻止建筑實體溫度的回升，保持其溫度在20 ℃以下，這個季節(jié)人體“春捂”，著裝較厚，室內(nèi)的低溫不影響舒適性?！扒镂妗本褪前亚锾斓臒崃枯斔偷浇ㄖ嶓w內(nèi)，阻止建筑實體溫度的下降，保持其溫度在20 ℃以上，這個季節(jié)人體“秋凍”，著裝較少，室內(nèi)的高溫不影響舒適性。

施行“春凍秋捂”運行策略，建筑實體蓄能保持了全年的連續(xù)性，可以減緩冬夏兩季蓄能的壓力，有益于建筑實體溫度的恒定，讓建筑實體溫度的波動范圍控制在20 ℃至26 ℃之間。做好建筑的外保溫是“春凍秋捂”的基本保障，只有做好了外保溫，才能保證蓄能不外流。

7 結(jié)論

我國高緯度、高海拔地區(qū)夏季適宜建筑實體蓄冷，施行分時電價的地區(qū)適宜夏季蓄冷、冬季蓄熱，具有厚重墻體的老式建筑、使用人數(shù)較少的公共建筑、住宅建筑適宜蓄能。建筑外保溫是建筑實體蓄能的基本保障?，F(xiàn)有的空調(diào)系統(tǒng)新風量很小，夏季夜間引進室外冷空氣降溫，節(jié)能效果有限。盡量在墻體和地板中布置管道系統(tǒng)，讓冷熱介質(zhì)在墻體和地板內(nèi)部流動換熱，提高蓄能速率。提高房間的風速，可以加快蓄能和釋能速率。建筑實體蓄能降低了人體舒適性，改變著裝方式可以提高舒適度。建筑實體蓄能是就地取材、因地制宜的簡易節(jié)能方法，僅是現(xiàn)有空調(diào)系統(tǒng)運行時間的調(diào)整和策略的改變，它沒有投資風險。