嚴(yán)寒地區(qū)病房空調(diào)系統(tǒng)夏季夜間運(yùn)行策略研究

喬清鋒 周勃 宋勝波 李佳殷

沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院

0 引言

城市化的快速進(jìn)程使得大量的公共建筑在城市中拔地而起，公共建筑等建筑所消耗的能源更大，充分利用自然能源和清潔能源,不僅可以改善室內(nèi)空氣品質(zhì),同時(shí)能夠達(dá)到降低建筑能耗的目的[1]。夜間自然通風(fēng)既可在過(guò)渡季節(jié)提供新鮮空氣和降低室內(nèi)溫度，又可在制冷季節(jié)排除室內(nèi)蓄熱、減少空調(diào)使用時(shí)間[2-3]。

目前，學(xué)者們對(duì)重慶、上海等夏熱冬冷城市和北京，西安等寒冷城市的高校宿舍、辦公建筑、普通住宅的夜間通風(fēng)節(jié)能效果做了研究[4-7]。研究結(jié)果顯示，夜間通風(fēng)減少空調(diào)的運(yùn)行時(shí)間，降低建筑能耗，其節(jié)能效果主要受氣候因素、圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱性、室內(nèi)得熱量、通風(fēng)方案的影響。夜間通風(fēng)充分利用了自然清潔能源，改善室內(nèi)空氣品質(zhì)的同時(shí)降低了建筑能耗，并使居住者獲得更好的舒適體驗(yàn)。然而在嚴(yán)寒地區(qū)對(duì)于醫(yī)院病房的夏季夜間自然通風(fēng)的研究鮮有報(bào)道。

本文通過(guò)設(shè)計(jì)沈陽(yáng)某醫(yī)院病房夏季夜間自然通風(fēng)方案，模擬其室內(nèi)環(huán)境，并分析該醫(yī)院病房夏季采用夜間通風(fēng)后，室內(nèi)溫度及CO2的變化情況，與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，進(jìn)行節(jié)能性分析，計(jì)算節(jié)能率，為嚴(yán)寒地區(qū)空調(diào)系統(tǒng)的夏季夜間節(jié)能運(yùn)行提供參考依據(jù)。

1 建筑基本概況

沈陽(yáng)市某醫(yī)院住院樓建于2002 年，主體建筑南北朝向，地上8 層，占地面積約1500 m2。住院樓包括普外科等7 個(gè)科室病房，病房床位約350 張，空調(diào)面積約9400 m2。夏季病房室內(nèi)空調(diào)設(shè)計(jì)溫度26 ℃，相對(duì)濕度≤65%，住院樓冷負(fù)荷517 kW，熱負(fù)荷611 kW，主機(jī)選擇2 臺(tái)螺桿式機(jī)組，末端采用風(fēng)機(jī)盤管制冷供暖。其中重癥醫(yī)學(xué)科（ICU）使用潔凈空調(diào)，配備獨(dú)立的冷熱源。

經(jīng)過(guò)課題組調(diào)查得知，住院樓內(nèi)部分為多個(gè)科室，且對(duì)空調(diào)的使用時(shí)間存在差異，另外進(jìn)出住院樓的醫(yī)患人員流動(dòng)異常頻繁，病房夏季一般在晚上22:00 空調(diào)關(guān)機(jī)，直至次日上午8:00 開(kāi)啟空調(diào)。但是，部分病人考慮到住院費(fèi)中包含空調(diào)費(fèi)用，在夜間仍關(guān)窗關(guān)門并保持空調(diào)運(yùn)行。由此在夜間病房溫度低于22 ℃的情況下設(shè)備機(jī)組仍需處于運(yùn)行狀態(tài)。

2016 年課題組對(duì)醫(yī)院住院樓的空調(diào)系統(tǒng)實(shí)施了能耗監(jiān)測(cè)，2016 年該醫(yī)院夏季空調(diào)運(yùn)行期為6 月20日～9 月30 日，共計(jì)103 天，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)沈陽(yáng)地區(qū)平均85 天的制冷期天數(shù)，該住院樓全年制冷平均電耗為25.42 kW·h/(a·m2)，是一幢空調(diào)能耗偏高的建筑。如表1 所示，熱泵機(jī)組的電耗占總能耗的60.82%，水泵的電耗占總能耗的26.57%，風(fēng)機(jī)盤管電耗占總能耗的12.61%。因此，減少熱泵機(jī)組的運(yùn)行時(shí)間可以大大降低運(yùn)行費(fèi)用，提高建筑節(jié)能率。

表1 2016 年住院樓制冷耗電量

2 病房的物理模型及數(shù)學(xué)假設(shè)

2.1 病房的物理模型

利用FLUENT 技術(shù)對(duì)滿足夏季夜間通風(fēng)條件的病房進(jìn)行模擬分析。如圖1 所示，通過(guò)Gambit 建立尺寸為7.8 m×3.6 m×3.3 m 的某病房幾何模型。模擬結(jié)果取X=1.6 m 和Y=1.25 m 處截面，該模型簡(jiǎn)化了病人及室內(nèi)家具，二氧化碳產(chǎn)生量按照人在休息狀態(tài)下每分鐘0.25 L 計(jì)算。

圖1 某病房幾何模型

2.2 病房的基本假設(shè)與數(shù)學(xué)模型

為方便計(jì)算，對(duì)病房計(jì)算模型作出了一些基本的假設(shè)[8]：

1）病房?jī)?nèi)的氣流為定常流動(dòng)，低速流動(dòng)，不可壓縮，滿足Boussinesq 假設(shè)即流體密度變化僅對(duì)浮升力產(chǎn)生影響。

2）病房?jī)?nèi)氣體流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。

3）空調(diào)送風(fēng)為穩(wěn)態(tài)湍流流動(dòng)。

4）忽略固體壁面和物體間熱輻射。

5）病房完全封閉，不考慮漏氣的情況。

6）病房?jī)?nèi)空氣為輻射透明介質(zhì)。

速度與壓力耦合采用SIMPLE 算法。病房空調(diào)通風(fēng)狀況模擬中湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)K-ε 雙方程求解。

3 夜間通風(fēng)方案設(shè)計(jì)

通過(guò)中國(guó)天氣網(wǎng)選取沈陽(yáng)2016 年7 月1 日、7 月15 日、8 月1 日、8 月15 日、8 月30 日夏季22:00-8:00幾個(gè)典型的夜間溫度如圖2 所示。

圖2 夜間逐時(shí)實(shí)測(cè)室外溫度

由圖2 可知，沈陽(yáng)市7、8 月份最熱月的室外干球溫度在晚上22:00 后幾乎均低于25 ℃，夜間室外最高溫度27 ℃，最低溫度13 ℃，晝夜大溫差非常適合夜間自然通風(fēng)。夜間0:00 的平均溫度21.4 ℃，最低溫度出現(xiàn)在凌晨4:00 左右，有利于延遲上午空調(diào)的開(kāi)啟時(shí)間。根據(jù)夜間實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)知，沈陽(yáng)市夜間室外溫度高于27 ℃，相對(duì)濕度大于70%的小時(shí)數(shù)共計(jì)154 h，僅占夜間總小時(shí)數(shù)的14.95%。

結(jié)合以上數(shù)據(jù)和沈陽(yáng)市夏季通風(fēng)室外計(jì)算溫度28.2 ℃，相對(duì)濕度65%的情況，初步確定夜間22:00-8:00 的室外平均溫度tw和相對(duì)濕度Φ 在不同范圍內(nèi)時(shí)的夜間通風(fēng)方案：

1）當(dāng)tw≤25 ℃，具備較好的夜間自然通風(fēng)條件，同時(shí)可考慮延遲上午空調(diào)的開(kāi)啟時(shí)間。

2）當(dāng)25 ℃＜tw＜28 ℃，具備夜間通風(fēng)潛力，需進(jìn)一步分析通風(fēng)方案。

3）當(dāng)tw≥28 ℃，Φ≤70%或tw＞28 ℃，Φ＞70%，不具備夜間通風(fēng)條件，考慮機(jī)械通風(fēng)。

4 病房室內(nèi)環(huán)境模擬與分析

4.1 自然通風(fēng)

4.1.1 方案一室內(nèi)環(huán)境模擬

當(dāng)tw≤25 ℃具備夏季夜間通風(fēng)條件時(shí)，關(guān)閉空調(diào)系統(tǒng)，此時(shí)自然通風(fēng)速度取值0.5 m/s，進(jìn)入室內(nèi)溫度取值25 ℃，得出的病房室內(nèi)溫度與CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)模擬結(jié)果如圖3、圖4 所示。

圖3 不同截面溫度云圖

從圖3 中可以看出，病房夏季夜間通風(fēng)情況下，靠近窗戶側(cè)的室內(nèi)溫度普遍偏低，除局部區(qū)域溫度高達(dá)27 ℃外，室內(nèi)大部分溫度處于26.6 ℃以下，滿足室內(nèi)病人對(duì)溫度的要求，且有助于白天推遲制冷機(jī)組的啟動(dòng)時(shí)間、降低啟動(dòng)負(fù)荷。

圖4 不同截面CO2 質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布云圖

由圖4 可以看出，在病房夜間開(kāi)窗關(guān)門條件下，室內(nèi)CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于《室內(nèi)空氣質(zhì)量指標(biāo)》GB/1883-2002 中規(guī)定的0.1%。

4.1.2 方案二室內(nèi)環(huán)境模擬

當(dāng)25 ℃＜tw＜28 ℃同樣具備夏季夜間通風(fēng)條件時(shí)，關(guān)閉空調(diào)系統(tǒng)，此時(shí)自然通風(fēng)速度仍取值0.5 m/s，進(jìn)入室內(nèi)溫度取值26 ℃，得出的病房室內(nèi)溫度與CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)擬結(jié)果如圖5、圖6 所示。

圖5 不同截面溫度云圖

圖6 不同截面CO2 質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布云圖

從圖5 中可以看出，病房夏季夜間通風(fēng)情況下，病房室內(nèi)靠近外窗側(cè)溫度普遍偏低，室內(nèi)大部分處于26.6～27.5 ℃，只有極少數(shù)區(qū)域超過(guò)28 ℃，滿足室內(nèi)病人對(duì)溫度的要求，且有助于白天推遲制冷機(jī)組的啟動(dòng)時(shí)間、降低啟動(dòng)負(fù)荷。

由圖6 可以看出，在病房夜間開(kāi)窗關(guān)門條件下，室內(nèi)CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于《室內(nèi)空氣質(zhì)量指標(biāo)》GB/1883-2002 中規(guī)定的0.1%。

4.1.3 方案三室內(nèi)環(huán)境模擬

當(dāng)tw≥28 ℃，Φ≤70%或tw＞28 ℃，Φ＞70%病房夜間不具備自然通風(fēng)條件，采取機(jī)械通風(fēng)時(shí)，設(shè)定風(fēng)口送風(fēng)速度為4 m/s，設(shè)定送風(fēng)溫度與開(kāi)窗關(guān)門條件下相同，得出病房室內(nèi)溫度與CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)模擬結(jié)果如圖7、圖8 所示。

由圖7 可得，病房夏季夜間機(jī)械通風(fēng)情況下，病房室內(nèi)大部分區(qū)域溫度處于27.5～27.7 ℃之間，極少數(shù)區(qū)域溫度處于28.2 ℃附近，相比較與開(kāi)窗關(guān)門條件下溫度偏高，但滿足室內(nèi)病人對(duì)溫度的要求。

由圖8 可知，在病房夏季夜間機(jī)械通風(fēng)條件下，室內(nèi)CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)值相較與夜間開(kāi)窗關(guān)門自然通風(fēng)值情況下的質(zhì)量分?jǐn)?shù)要高，但仍低于《室內(nèi)空氣質(zhì)量指標(biāo)》GB/1883-2002 中CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)不得超過(guò)0.1%的限值。

圖7 不同截面溫度云圖

圖8 不同截面CO2 質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布云圖

3.3 病房室內(nèi)環(huán)境實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)情況

為了驗(yàn)證模擬結(jié)果的正確性，課題組對(duì)病房室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，如圖9 所示，分別標(biāo)明病房?jī)?nèi)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)A、B、C。

為確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，課題組將測(cè)試時(shí)間分為三個(gè)時(shí)段：23:00-24:00 夜間時(shí)段、24:00-8:00 夜間睡眠時(shí)段：8:00-9:00 清晨時(shí)段。使用TZS1361 記憶溫濕度計(jì)、CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)記錄儀、TY-9900 數(shù)字微風(fēng)儀等儀器對(duì)夜間病房?jī)?nèi)溫度、相對(duì)濕度、CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)、室內(nèi)風(fēng)速等數(shù)值進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖9 病房測(cè)點(diǎn)分布圖

通過(guò)實(shí)地監(jiān)測(cè)得出夏季夜間病房開(kāi)窗關(guān)門、關(guān)窗關(guān)門條件下室內(nèi)溫度值、CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)。夏季夜間病房?jī)?nèi)模擬與實(shí)測(cè)數(shù)值對(duì)比可得表2。

表2 實(shí)測(cè)值與模擬值比較

由表2 可知，實(shí)測(cè)值與模擬值非常相近，可以得出該模型的模擬值是可以用來(lái)分析實(shí)際問(wèn)題的。同時(shí)，也可以看出夜間病房在關(guān)門關(guān)窗條件下溫度和CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于夜間開(kāi)窗關(guān)門的情況，說(shuō)明在關(guān)門開(kāi)窗情況下夜間自然通風(fēng)能夠很好的改善室內(nèi)空氣質(zhì)量為病人提供舒適的住宿環(huán)境。

4 結(jié)論

1）本文采用數(shù)值模擬的方法，在不同室外溫度和濕度條件下預(yù)測(cè)夜間開(kāi)窗關(guān)門和關(guān)窗關(guān)門時(shí)室內(nèi)溫度和CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布情況，分析夜間通風(fēng)對(duì)室內(nèi)熱濕環(huán)境的影響。

2）在關(guān)閉空調(diào)系統(tǒng)條件下，采用自然通風(fēng)：當(dāng)tw≤25 ℃時(shí)，上午空調(diào)開(kāi)啟時(shí)間是10 點(diǎn)。當(dāng)25 ℃＜tw＜28 ℃，上午空調(diào)開(kāi)啟時(shí)間是9 點(diǎn)。當(dāng)tw≥28 ℃，Φ≤70%或tw＞28 ℃，且Φ＞70%，不具備夜間通風(fēng)條件，采用機(jī)械通風(fēng)時(shí)需對(duì)新風(fēng)進(jìn)行預(yù)處理。

3）根據(jù)沈陽(yáng)夏季夜間室外溫度的變化范圍可知，夏季夜間適用于采取夜間自然通風(fēng)的天數(shù)占比約為75.73%。

因此，在嚴(yán)寒地區(qū)使用空調(diào)系統(tǒng)的同時(shí)，合理利用夜間自然通風(fēng)條件對(duì)公共建筑節(jié)能具有重要意義。