日較差對(duì)居住建筑夜間通風(fēng)室內(nèi)熱環(huán)境的影響

臧紫陽 樊越勝 王歡 張?chǎng)?/p>

西安建筑科技大學(xué)建筑設(shè)備科學(xué)與工程學(xué)院

0 引言

近幾年，我國建筑業(yè)飛速發(fā)展，建筑能耗也呈現(xiàn)穩(wěn)步增長的趨勢(shì)[1]。為了實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能，被動(dòng)式建筑節(jié)能技術(shù)逐漸成為業(yè)界研究的重點(diǎn)問題[2]。夜間通風(fēng)作為一種被動(dòng)式節(jié)能技術(shù)，不僅能降低建筑能耗，也可保證室內(nèi)充足的新鮮空氣，有效改善室內(nèi)熱環(huán)境，因此受到越來越多的關(guān)注。

夜間通風(fēng)的影響因素可分為三類：氣候參數(shù)，如室外氣溫、日較差、風(fēng)速和風(fēng)向等。建筑參數(shù)，如建筑的蓄熱性能、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)、內(nèi)部熱擾等。技術(shù)參數(shù)，如通風(fēng)量、通風(fēng)時(shí)段等[3-7]。亓?xí)粤铡㈥惡ｌ坏热藢?duì)夜間通風(fēng)的適用性和節(jié)能潛力進(jìn)行了研究，結(jié)果表明夜間通風(fēng)的效果隨著緯度的增加而增大[8-9]。王昭俊等人發(fā)現(xiàn)夜間機(jī)械通風(fēng)能夠顯著改善哈爾濱地區(qū)辦公建筑的室內(nèi)熱環(huán)境，有效推遲空調(diào)開啟的時(shí)間，降低建筑能耗[10]。馮國會(huì)、楊柳等人發(fā)現(xiàn)建筑相變蓄熱與夜間通風(fēng)的結(jié)合，可以降低室內(nèi)白天的溫度，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能的目的[11-12]。

但上述研究多集中在辦公建筑，而對(duì)居住建筑夜間通風(fēng)室內(nèi)熱環(huán)境的研究相對(duì)較少。為此，本文采用Energyplus軟件分別就日較差為4 ℃，6 ℃，8 ℃，10 ℃和12 ℃時(shí)，夜間通風(fēng)對(duì)室內(nèi)空氣溫度、平均輻射溫度的影響進(jìn)行了模擬研究。

1 建筑模型及參數(shù)設(shè)置

選取西安地區(qū)某典型公寓建筑為研究對(duì)象，該建筑長57.90 m，寬18.60 m，層高3.12 m，共30層，南北朝向，如圖1所示。表1為其部分熱工參數(shù)。

圖1 建筑模型

表1 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)

該公寓建筑夜間通風(fēng)的模式為22:00～7:00時(shí)段，當(dāng)室外空氣溫度低于室內(nèi)空氣溫度時(shí)，采用機(jī)械通風(fēng)，其它時(shí)間則進(jìn)行滲透通風(fēng)[7-8]。該建筑機(jī)械通風(fēng)的換氣次數(shù)設(shè)為10次/h，滲透通風(fēng)的換氣次數(shù)設(shè)定為0.5次/h[10]。

假定研究時(shí)段為休息日，設(shè)定該公寓每個(gè)房間為2人，室內(nèi)設(shè)備產(chǎn)生的熱量為2 W/m2。該公寓每個(gè)房間有兩個(gè)功率為15 W的日光燈，發(fā)光效率為50%，故室內(nèi)照明的散熱量為15 W，照明使用率：7:00～8:00為0.2，8:00～8:30為0.1，19:00～22:00為0.8，22:00～23:00為0.2[13-14]。

2 模型驗(yàn)證及工況設(shè)置

2.1 模擬驗(yàn)證

選取該典型公寓建筑某房間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為排除人為活動(dòng)等因素造成的誤差，實(shí)驗(yàn)在無人員、照明等熱源條件下進(jìn)行，室內(nèi)僅考慮由通風(fēng)機(jī)運(yùn)行的散熱量，室內(nèi)測(cè)點(diǎn)的布置[15]如圖2所示：

圖2 室內(nèi)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

室外測(cè)試儀器采用小型氣象站，測(cè)試參數(shù)為空氣溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速、太陽輻射。室內(nèi)測(cè)試儀器采用DS1923溫濕度記錄儀、DS1922L溫度記錄儀。測(cè)試參數(shù)為空氣溫度、相對(duì)濕度及圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外表面溫度。模擬時(shí)，用實(shí)驗(yàn)期間室外氣象參數(shù)替代原天氣文件的相應(yīng)數(shù)據(jù)，室內(nèi)空氣溫度模擬與實(shí)測(cè)的對(duì)比具體如圖3所示。

圖3 室內(nèi)空氣溫度實(shí)測(cè)與模擬對(duì)比

由圖3可知，室內(nèi)空氣溫度的模擬值與實(shí)測(cè)值的變化趨勢(shì)一致，最大的誤差為0.32 ℃，相對(duì)的誤差在-0.81%～1.05%之間。但模擬值夜間低于實(shí)測(cè)值，白天高于實(shí)測(cè)值，可能是模擬中未考慮室內(nèi)家具和裝飾材料的蓄熱性引起的誤差。

2.2 工況設(shè)置

根據(jù)實(shí)驗(yàn)期間8月19日的室外氣象數(shù)據(jù)，可得到室外氣溫隨時(shí)間的波動(dòng)規(guī)律[16]為：

式中：x表示時(shí)間；y表示室外氣溫；A為29.6 ℃，表示室外日平均氣溫；B表示振幅，反映了日較差的大小。通過改變振幅，可以得出不同的日較差情況下室外氣溫的逐時(shí)值。

3 結(jié)果與分析

夜間通風(fēng)對(duì)居住建筑室內(nèi)熱環(huán)境的影響，可以采用空氣溫度，有效溫度及新有效溫度等指標(biāo)來進(jìn)行評(píng)價(jià)[14]?？紤]到室內(nèi)空氣溫度受夜間通風(fēng)的影響較大，且室內(nèi)蓄熱體蓄存的冷量是通過對(duì)流和輻射換熱的方式來降低室內(nèi)溫度的。因此，本文采用室內(nèi)空氣溫度和平均輻射溫度兩個(gè)指標(biāo)來評(píng)價(jià)夜間通風(fēng)的效果[4]。

3.1 夜間通風(fēng)效果

以日較差為8 ℃時(shí)為例，圖4給出了未進(jìn)行夜間通風(fēng)和進(jìn)行了夜間通風(fēng)時(shí)，室內(nèi)空氣溫度、平均輻射溫度隨時(shí)間的變化情況。

圖4 無夜間通風(fēng)與夜間通風(fēng)的比較

如圖4所示，夜間通風(fēng)可以削減室內(nèi)溫度的峰值，降低室內(nèi)空氣溫度、平均輻射溫度整體水平。8 ℃日較差時(shí)，夜間通風(fēng)室內(nèi)空氣溫度及平均輻射溫度的峰值分別為30.31 ℃、29.73 ℃，與無夜間通風(fēng)時(shí)相比，分別降低了0.32 ℃、0.34 ℃。分析可知，夜間通風(fēng)時(shí)室內(nèi)溫度降幅較小，說明僅依靠圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄存的冷量，降溫潛力非常有限。

機(jī)械通風(fēng)時(shí)段，室內(nèi)受室外氣溫影響變化較大。室內(nèi)氣溫隨時(shí)間的增加先下降后上升，4:00時(shí)達(dá)到最低為27.17 ℃，與無夜間通風(fēng)時(shí)相比，降低了2.07 ℃。機(jī)械通風(fēng)時(shí)段，室內(nèi)空氣溫度多數(shù)時(shí)間低于居住建筑夏季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度的上限28 ℃[17]，室內(nèi)熱環(huán)境有明顯改善。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，7:00～9:00時(shí)段，室內(nèi)空氣溫度增幅較大，這是由于7:00時(shí)機(jī)械通風(fēng)結(jié)束，室內(nèi)僅依靠滲透進(jìn)行通風(fēng)，無法將熱量有效排出所造成的。

3.2 室內(nèi)空氣溫度

圖5給出了夜間通風(fēng)時(shí)，室內(nèi)空氣溫度在不同日較差情況下隨時(shí)間的變化情況。

圖5 不同日較差情況下的室內(nèi)空氣溫度

如圖5所示，室內(nèi)空氣溫度隨日較差的增大而降低，且機(jī)械通風(fēng)時(shí)段降低顯著。4 ℃日較差時(shí)，室內(nèi)平均氣溫、最低氣溫分別為29.54 ℃、28.39 ℃。與4 ℃日較差時(shí)相比，日較差為6 ℃、8 ℃、10 ℃、12 ℃時(shí)，室內(nèi)平均氣溫分別降低了0.22 ℃、0.45 ℃、0.67 ℃、0.88 ℃，最低氣溫則分別降低了0.60 ℃、1.22 ℃、1.82 ℃、2.38 ℃。

滲透通風(fēng)時(shí)段，室內(nèi)氣溫隨日較差的增大而降輻較小，尤其是對(duì)溫度峰值的削減并不明顯。與4 ℃日較差時(shí)相比，12 ℃日較差時(shí)室內(nèi)最高氣溫僅降低了0.08 ℃，這是因?yàn)槿掌骄鶜鉁叵嗤瑫r(shí)，日較差的增大雖然增加了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄冷量，但也升高了白天的室外氣溫，致使室內(nèi)氣溫降低并不顯著。

由圖5可知，適宜的日較差下，夜間通風(fēng)可以有效降低居住建筑的室內(nèi)氣溫，尤其是人體睡眠時(shí)段的室內(nèi)氣溫。我國居住建筑夏季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度范圍為24～28 ℃，此時(shí)可認(rèn)為人體處于熱舒適狀態(tài)[17]。圖5表明室內(nèi)處于熱舒適時(shí)段的比例隨日較差的增大而增加。4 ℃日較差時(shí)，室內(nèi)均處于熱不舒適時(shí)段。當(dāng)日較差為6 ℃、8 ℃、10 ℃、12 ℃時(shí)，室內(nèi)處于熱舒適時(shí)段的比例則分別增至16.11%，28.06%，32.01% 和34.86%，這說明當(dāng)室外日平均氣溫相同時(shí)，較大的日較差能夠保證室內(nèi)較多時(shí)段處于熱舒適狀態(tài)。

3.3 室內(nèi)平均輻射溫度

圖6給出了夜間通風(fēng)時(shí)，室內(nèi)平均輻射溫度在不同日較差情況下隨時(shí)間的變化情況。

如圖6所示，隨著日較差的增大，室內(nèi)平均輻射溫度的峰值有所削減，整體水平有所降低。4 ℃日較差時(shí)，室內(nèi)最低及最高平均輻射溫度分別為29.29 ℃、29.90 ℃。與4 ℃日較差時(shí)相比，當(dāng)日較差為6 ℃、8 ℃、10 ℃、12 ℃時(shí)，室內(nèi)最低平均輻射溫度分別降低了0.15 ℃、0.34 ℃、0.53 ℃、0.71 ℃，室內(nèi)最高平均輻射溫度則分別降低了0.08 ℃、0.17 ℃、0.27 ℃、0.36 ℃。通過分析可知，雖然機(jī)械通風(fēng)時(shí)段，室內(nèi)平均輻射溫度的降幅比滲透通風(fēng)時(shí)段大，但與室內(nèi)氣溫相比，室內(nèi)平均輻射溫度的降幅仍然較小。

圖6 不同日較差情況下室內(nèi)平均輻射溫度

同時(shí)可以看出，與室內(nèi)氣溫變化相比，室內(nèi)平均輻射溫度的波動(dòng)幅度相對(duì)較小，基本在1 ℃范圍內(nèi)，且最低平均輻射溫度都出現(xiàn)在機(jī)械通風(fēng)時(shí)段結(jié)束的7:00左右，這是由于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有蓄熱性能所造成的。

4 結(jié)論

本文采用建模軟件建立了西安地區(qū)某典型公寓建筑模型，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，并分析了日較差對(duì)居住建筑室內(nèi)熱環(huán)境的影響，結(jié)果表明：

1）夜間通風(fēng)可以削減室內(nèi)溫度的峰值，降低室內(nèi)溫度的整體水平。8 ℃日較差時(shí)，與無夜間通風(fēng)相比，室內(nèi)最高氣溫、最高平均輻射溫度分別降低了0.32 ℃、0.34 ℃。

2）隨著日較差的增大，室內(nèi)氣溫、平均輻射溫度逐漸降低，且機(jī)械通風(fēng)時(shí)段比滲透通風(fēng)時(shí)段降低更加顯著。

3）室內(nèi)處于熱舒適時(shí)段的比例隨日較差的增大而增加。當(dāng)日較差為4 ℃、6 ℃、8 ℃、10 ℃、12 ℃時(shí)，室內(nèi)處于熱舒適時(shí)段的比例分別為0，16.11%，28.06%，32.01%和34.86%。