基于Designbuilder對(duì)上海某博物館夜間通風(fēng)的模擬分析

葛海亮,馬進(jìn)偉,王晏平,高 峰,余紅海,王思璐,劉之欣,杜濤

(1.深圳市建筑設(shè)計(jì)研究總院合肥分院，安徽 合肥 230000;2.安徽建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院，安徽 合肥 230000;3.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230000;4.安徽建筑大學(xué) 建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230601;5.安徽省建筑設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230000)

0 引言

我國(guó)建筑能耗占社會(huì)總能耗的比例較大，建筑節(jié)能逐漸成為當(dāng)代建筑科學(xué)技術(shù)一個(gè)新的生長(zhǎng)點(diǎn)[1]。未來(lái)30年的節(jié)能量仍需依靠新節(jié)能技術(shù)實(shí)現(xiàn)，加大新技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用成為主要手段[2]。夜間通風(fēng)是一種利用夜間室內(nèi)外存在溫差，通過(guò)引入低于室溫的室外空氣，使其與室內(nèi)空氣、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、家具等對(duì)流換熱進(jìn)行預(yù)冷和蓄冷的節(jié)能技術(shù)[3]。在降低白天空調(diào)開(kāi)機(jī)能耗的同時(shí)，還能對(duì)室內(nèi)有效換氣，稀釋室內(nèi)污染物，改善人居環(huán)境。該技術(shù)能夠利用峰谷電價(jià)節(jié)省電費(fèi)，對(duì)電網(wǎng)“移峰填谷”。夜間通風(fēng)的節(jié)能效果與氣候條件、建筑構(gòu)造熱工性能、通風(fēng)策略等因素有關(guān)[4]。Artmann等人提出一種能夠衡量夜間通風(fēng)降溫能力的新方法，即通風(fēng)降溫潛力(CCP)[5]。西安建筑科技大學(xué)楊柳基于我國(guó)不同地域氣候特征, 通過(guò)CCP分析，得出我國(guó)大部分地區(qū)都在適宜采用夜間通風(fēng)降溫策略的范圍內(nèi)[6]。同濟(jì)大學(xué)裴曉梅通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與理論分析得出：上海地區(qū)夜間強(qiáng)化通風(fēng)可達(dá)到降溫效果[7]。本文以上海某博物館為例，通過(guò)Designbuilder能耗模擬軟件，模擬分析了該建筑相比夜間不通風(fēng)模式下，通過(guò)全空氣系統(tǒng)夜間進(jìn)行通風(fēng)預(yù)冷的節(jié)能效果。

1 模擬工具與建筑模型

1.1 模擬軟件

本文利用Designbuilder能耗模擬軟件建模并進(jìn)行模擬分析。Designbuilder是一款由英國(guó)DesignBuilder公司開(kāi)發(fā)，可對(duì)建筑采暖、制冷、照明、通風(fēng)、采光等進(jìn)行全年能耗模擬分析和經(jīng)濟(jì)分析的軟件。它是專門針對(duì)EnergyPlus建筑能耗動(dòng)態(tài)模擬引擎開(kāi)發(fā)的綜合用戶圖形界面模擬軟件[8]。其借助于EnergyPlus對(duì)建筑能耗逐時(shí)模擬引擎，采用房間熱平衡法計(jì)算負(fù)荷。熱平衡法根據(jù)能量守恒定律計(jì)算建筑能耗，由建筑外表面熱平衡、建筑體熱平衡、內(nèi)表面熱平衡和室內(nèi)空氣熱平衡方程式組成，并聯(lián)立求解各表面和室內(nèi)空氣溫度，知道溫度便可計(jì)算室內(nèi)冷熱負(fù)荷，描述方程如式(1)和(2)[9]

(1)

(2)

式中qi(t)——第i個(gè)表面t時(shí)刻的得熱量/kW·m-2；

hi——第i個(gè)表面換熱系數(shù)/kW·m-2·℃-1；

hri,k——表面i，k間的輻射換熱系數(shù)/kW·m-2·℃-1；

Si——i表面的面積/m2；

Ri——第i個(gè)表面的輻射吸收量/kW·m-2；

Q(t)——t時(shí)刻冷負(fù)荷/kW；

m(t)——t時(shí)刻新風(fēng)量/kg·s-1；

QS(t)——t時(shí)刻室內(nèi)熱源發(fā)熱量/kW·m-2；

Cp——定壓比熱/kJ·kg-1；

Ti(t)——第i個(gè)內(nèi)表面溫度/℃。

1.2 建筑模型

該博物館位于夏熱冬冷地區(qū)的上海市，靠近東海，建筑面積約46 434 m2，空調(diào)設(shè)計(jì)面積約29 554 m2。建筑共4層，一至三層層高6 m，四層層高5.95 m。其中兩側(cè)總高度23.95 m，中間船帆體高度70.60 m；一層主要功能為恒溫恒濕展區(qū)、恒溫恒濕庫(kù)房、小班教室和展區(qū)；二層主要功能為電影院、會(huì)議室和展區(qū)；三層主要功能為天象館、會(huì)議室和展區(qū)；四層主要功能為展區(qū)，博物館開(kāi)館時(shí)間為9:30-17:00。Designbuilder建立模型如圖1。

圖1 Designbuilder建模效果圖

2 夜間通風(fēng)條件分析

2.1 建筑構(gòu)造熱工性能

該博物館建筑構(gòu)造熱工參數(shù)如表1，結(jié)合《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50189-2015建筑熱工參數(shù)限值，該博物館外墻限值為0.8 W/(m2·K)，本設(shè)計(jì)選用值為0.66 W/(m2·K)；屋面限值為0.5 W/(m2·K)，本設(shè)計(jì)選用值為0.49 W/(m2·K)；外窗限值為1.8 W/(m2·K)，本設(shè)計(jì)選用值為1.61 W/(m2·K)[10]，各圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)均較低，傳熱延遲較長(zhǎng)，保溫性能較好。該博物館可開(kāi)窗面積小，建筑入口為雙道外門，《建筑外門窗氣密、水密、抗風(fēng)壓性能分級(jí)及檢測(cè)方法》GB/T7106-2008限制該類建筑氣密性不應(yīng)低于6級(jí)，即1.5 m3/(m·h)≥氣密性值≥1 m3/(m·h)[11]，氣密性較好。該建筑構(gòu)造特點(diǎn)為：具有較大的帆體結(jié)構(gòu)，其由大面積幕墻和幕窗構(gòu)成，且屋頂面積大，故外圍護(hù)結(jié)構(gòu)獲得較多的輻射得熱使建筑蓄熱量增大。綜上，該博物館良好的保溫性、氣密性，可能導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)白天所蓄存的大量熱量在夜間無(wú)法完全釋放，增加白天空調(diào)開(kāi)機(jī)負(fù)荷。綜上，建筑構(gòu)造良好的保溫性、氣密性為夜間通風(fēng)技術(shù)創(chuàng)造了應(yīng)用條件。

表1 建筑構(gòu)造熱工參數(shù)

2.2 氣候條件與空調(diào)系統(tǒng)

太陽(yáng)輻射在夏季最熱月最強(qiáng)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱量因此增加，而最熱月夜間室外平均溫度較其它月最高，故最熱月為夜間通風(fēng)預(yù)冷技術(shù)的最不利氣候條件；同濟(jì)大學(xué)李崢嶸教授研究了上海地區(qū)晚上8點(diǎn)至次日7點(diǎn)時(shí)間段辦公建筑通風(fēng)降溫技術(shù)的節(jié)能效果，得出夜間通風(fēng)能夠顯著地減小室內(nèi)熱源對(duì)空調(diào)開(kāi)機(jī)負(fù)荷的影響[12]。本方案以全年最熱的七、八月為例，分析在不通風(fēng)情況下，夜間10點(diǎn)至次日6點(diǎn)時(shí)間段室內(nèi)逐時(shí)平均輻射溫度與室外逐時(shí)干球溫度關(guān)系。通過(guò)Designbuilder能耗模擬軟件獲取上海市典型氣象年夜間室外逐時(shí)干球溫度，并結(jié)合該博物館不通風(fēng)模式下全年能耗模擬結(jié)果獲取室內(nèi)逐時(shí)平均輻射溫度，得出兩者關(guān)系如圖2。由圖可知上海最熱兩個(gè)月夜間室外逐時(shí)干球溫度基本都小于對(duì)應(yīng)室內(nèi)平均輻射溫度，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，81.8%的時(shí)間段兩者溫差大于2 K，故室內(nèi)外溫差優(yōu)勢(shì)有利于該博物館夜間通風(fēng)技術(shù)應(yīng)用。

圖2 室外干球溫度與室內(nèi)平均輻射溫度

海陸風(fēng)是一種受海陸熱力性質(zhì)差異影響形成的大氣運(yùn)動(dòng)形式。日落以后，陸地降溫比海洋快，到了夜間海上氣溫高于陸地，陸地形成高壓，海洋形成低壓，近地面空氣在水平氣壓梯度力作用下由陸地流向海洋，形成陸風(fēng)[13]。而該博物館位置靠海，海陸風(fēng)能夠有效改善建筑物周圍風(fēng)環(huán)境，保證夜間排風(fēng)能被及時(shí)帶走，進(jìn)風(fēng)受排風(fēng)影響較小。

《博物館建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》JGJ66-2015第10.3.5規(guī)定：博物館的陳列展覽區(qū)、藏品庫(kù)區(qū)和公眾集中活動(dòng)區(qū)宜采用全空氣系統(tǒng)[14]。該博物館大多數(shù)功能區(qū)均采用了全空氣系統(tǒng)，當(dāng)夜間室外溫度低于室內(nèi)平均輻射溫度時(shí)，對(duì)相互連通的展區(qū)進(jìn)行全新風(fēng)運(yùn)行，只需開(kāi)啟風(fēng)機(jī)而不用冷機(jī)。由于全新風(fēng)運(yùn)行將導(dǎo)致室內(nèi)正壓過(guò)大而送風(fēng)困難，在夜間通風(fēng)預(yù)冷期間可聯(lián)動(dòng)電動(dòng)排風(fēng)窗開(kāi)啟，通過(guò)風(fēng)壓、熱壓將室內(nèi)熱量由建筑上部窗口排出。即：空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為該建筑夜間通風(fēng)技術(shù)提供了設(shè)備條件。

3 模擬結(jié)果與分析

利用Designbuilder軟件分別模擬該博物館夜間不通風(fēng)和通風(fēng)模式下的全年能耗并對(duì)比分析。由于各展區(qū)均采用定風(fēng)量全空氣系統(tǒng)，故將各展區(qū)風(fēng)機(jī)風(fēng)量轉(zhuǎn)換為房間換氣次數(shù)，層高按不吊頂考慮，作為Designbuilder軟件模擬夜間機(jī)械通風(fēng)情況下各空調(diào)區(qū)機(jī)械通風(fēng)換氣次數(shù)的設(shè)置依據(jù)，并統(tǒng)計(jì)各展區(qū)風(fēng)機(jī)額定功率。兩種通風(fēng)模式的計(jì)算條件如表2。

表2 各通風(fēng)模式的計(jì)算條件

該博物館在不通風(fēng)情況下全年能耗模擬結(jié)果如圖3。由圖可知該博物館自然滲透下的換氣次數(shù)為0.4～0.48次/h，通風(fēng)換氣效果不佳；夏季空調(diào)最大冷負(fù)荷約2 626 kW,冷負(fù)荷時(shí)段較長(zhǎng)；從四月底至十月底，可將過(guò)渡季全新風(fēng)運(yùn)行與夜間通風(fēng)技術(shù)相結(jié)合，以縮短供冷季時(shí)段，節(jié)省供冷能耗。

圖3 不通風(fēng)情況下博物館全年能耗圖

模擬該建筑在七、八月份夜間22:00～6:00時(shí)段室外溫度低于室內(nèi)平均輻射溫度時(shí)，開(kāi)啟機(jī)械通風(fēng)對(duì)應(yīng)的全年能耗如圖4。由圖可知七、八月份夜間風(fēng)機(jī)全開(kāi)進(jìn)行通風(fēng)的時(shí)間超過(guò)80%，此時(shí)建筑的平均換氣次數(shù)約為2.3次/h；僅部分風(fēng)機(jī)開(kāi)啟或不進(jìn)行夜間通風(fēng)的時(shí)段不足20%。得出：夜間通風(fēng)技術(shù)在最熱兩月應(yīng)用時(shí)間較長(zhǎng)，具有一定應(yīng)用價(jià)值。

圖4 通風(fēng)情況下博物館全年能耗

將夜間通風(fēng)預(yù)冷模式下，七八月份白天空調(diào)開(kāi)機(jī)后兩小時(shí)(9:00～11:00)能耗與不通風(fēng)模式下對(duì)應(yīng)空調(diào)能耗進(jìn)行比較，可得通風(fēng)預(yù)冷模式下所節(jié)省空調(diào)開(kāi)機(jī)能耗如圖5。結(jié)果表明：七八月份夜間通風(fēng)預(yù)冷節(jié)省能耗24 376 kWh,約占七八月份不通風(fēng)模式下空調(diào)總能耗的12%。上海地區(qū)非居民用戶峰谷電價(jià)為：峰時(shí)段：1.261元/(kWh)；平時(shí)段：0.799元/(kWh)；谷時(shí)段：0.298元/(kWh)。為便于計(jì)算，峰平時(shí)段用電折算為1.03元/(kWh)，可得夜間通風(fēng)技術(shù)所節(jié)省白天空調(diào)電費(fèi)25 107元。

圖5 夜間通風(fēng)技術(shù)所省能耗

各展區(qū)夜間全新風(fēng)運(yùn)行風(fēng)機(jī)需要消耗電能，結(jié)合設(shè)計(jì)所選用的空調(diào)機(jī)組風(fēng)機(jī)功率參數(shù)，所得對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)耗能如圖6。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行總能耗為17 329.24 kWh，由于風(fēng)機(jī)開(kāi)啟時(shí)段為該市谷電時(shí)段，可得風(fēng)機(jī)耗電約5 164元。綜上所述，夜間通風(fēng)預(yù)冷模式下扣除風(fēng)機(jī)能耗后可節(jié)?。?4 376-17 329.24=7 046.76 kWh，節(jié)省能耗占七八月份空調(diào)總能耗4%左右，節(jié)省電費(fèi)19 943元，方案可行，節(jié)能效果顯著。

圖6 夜間通風(fēng)時(shí)風(fēng)機(jī)能耗

夜間通風(fēng)存在自然通風(fēng)與機(jī)械通風(fēng)兩種形式，上文所分析對(duì)象為機(jī)械通風(fēng)，可見(jiàn)風(fēng)機(jī)能耗相對(duì)較大。針對(duì)于此，若結(jié)合自然通風(fēng)形式和建筑構(gòu)造特點(diǎn)加強(qiáng)自然通風(fēng)強(qiáng)度，在其高大帆體上部設(shè)置電動(dòng)排風(fēng)窗，建筑底層設(shè)置可開(kāi)啟自然通風(fēng)窗，利用熱壓作用進(jìn)行自然通風(fēng)，可節(jié)省大量風(fēng)機(jī)能耗，夜間通風(fēng)技術(shù)對(duì)該類建筑應(yīng)用價(jià)值將更高。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)Designbuilder對(duì)上海某博物館全年能耗模擬，得出夏季最熱七八兩月份22:00～6:00時(shí)間段，室外干球溫度基本均小于對(duì)應(yīng)室內(nèi)平均輻射溫度，且81.8%時(shí)間段兩者溫差大于2 K，夜間通風(fēng)技術(shù)具有應(yīng)用潛力。

(2)模擬在七八月份進(jìn)行夜間通風(fēng)的空調(diào)能耗，并與不通風(fēng)時(shí)對(duì)應(yīng)空調(diào)能耗做對(duì)比，得出：七八月份該博物館進(jìn)行夜間通風(fēng)時(shí)間較長(zhǎng)，所節(jié)省空調(diào)能耗約占不通風(fēng)模式下空調(diào)總能耗的12%，節(jié)省空調(diào)電費(fèi)約25 107元。

(3)結(jié)合風(fēng)機(jī)功率計(jì)算分析，得出夜間通風(fēng)模式下，風(fēng)機(jī)總能耗為17 329.24 kWh，所用谷價(jià)電費(fèi)為5 164元；夜間通風(fēng)技術(shù)節(jié)省凈能耗為7 046.76 kWh，占不通風(fēng)模式下空調(diào)總能耗4%，最終節(jié)省電費(fèi)19 943元，節(jié)能、節(jié)電效果顯著。