北京地區(qū)商業(yè)建筑夜間通風(fēng)實(shí)驗(yàn)方法

陳冬陽

（中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100089）

1 夜間通風(fēng)研究現(xiàn)狀

關(guān)于夜間通風(fēng)的研究，與國外相比我國的研究起步較晚，僅僅停留在理論，研究方法和模擬能耗方法也是參照國外。隨著國內(nèi)國外學(xué)術(shù)交流的增多以及我國科技的進(jìn)步，國內(nèi)學(xué)者目前在夜間通風(fēng)方面的研究也取得了顯著的學(xué)術(shù)成果。

1993 年初，陳在康等人通過實(shí)驗(yàn)的方法，該方法通過利用合理的夜間通風(fēng)時(shí)間，對(duì)湖南省長沙市的一個(gè)住宅頂層單元，針對(duì)夜間通風(fēng)的降溫效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：夜間通風(fēng)狀態(tài)下，室外最高溫度為39.1℃時(shí)，在室內(nèi)的最高溫度為35.0℃，室外比室內(nèi)要高4.1℃。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果陳老師認(rèn)為，夜間通風(fēng)理論上具備較為明顯的降溫效果，可以在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中，控制夜間通風(fēng)實(shí)驗(yàn)邏輯，以期達(dá)到通過夜間通風(fēng)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降溫的目的。于此同時(shí)，陳老師發(fā)現(xiàn)住宅房間室內(nèi)溫度變化情況與建筑的結(jié)構(gòu)、通風(fēng)量和家具材料都有一定關(guān)系，比如輕型建筑要比重型建筑的溫度變化幅度更大，通風(fēng)量越大證明溫度變化幅度也越大[1]。

李鳳苓學(xué)者在論文中提出，居住類建筑墻體內(nèi)壁面的溫度場(chǎng)可以采用非穩(wěn)態(tài)傳熱的計(jì)算方法，并對(duì)居住類建筑夜間通風(fēng)時(shí)的室內(nèi)溫度進(jìn)行了過程描述。李老師分析后發(fā)現(xiàn)：在炎熱夏天的晚上6—7 點(diǎn)以后，進(jìn)行夜間通風(fēng)后，前提是夏季室外溫度低于室內(nèi)溫度，實(shí)驗(yàn)后室內(nèi)溫度比在室內(nèi)使用電風(fēng)扇吹的室內(nèi)溫度要低2~5℃左右。最后李老師認(rèn)為講風(fēng)機(jī)安裝在適當(dāng)?shù)慕嵌群臀恢貌⑦x擇合適的通風(fēng)量，就可以實(shí)現(xiàn)夜間通風(fēng)降溫的效果[2]。

李崢嶸學(xué)者將蒸發(fā)冷卻技術(shù)和夜間通風(fēng)技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合后對(duì)烏魯木齊地區(qū)某建筑夜間通風(fēng)情況進(jìn)行了研究，得出了一下結(jié)論：

在夜間通風(fēng)時(shí)，烏魯木齊某房間室內(nèi)溫度降低0.5~0.9℃，當(dāng)夜間通風(fēng)聯(lián)合蒸發(fā)冷卻技術(shù)后，室內(nèi)溫度在原基礎(chǔ)上又降低2.5~3.0℃。另外，該文章還研究了機(jī)械供冷和夜間通風(fēng)的關(guān)系，描述了通風(fēng)時(shí)間、夜間通風(fēng)量及通風(fēng)溫度的計(jì)算方法，對(duì)上海的某庫房作為試點(diǎn)模型，論證計(jì)算方法的正確性。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果證明：夜間通風(fēng)可以使庫房室內(nèi)溫度降低2~3℃，但是節(jié)能潛力不足的，能否廣泛應(yīng)用需要進(jìn)一步研究[3]。

陳海旎的研究建立了一個(gè)辦公建筑模型，應(yīng)用EnergyPlus 模擬軟件，針對(duì)上海、廣州和北京三個(gè)地區(qū)，進(jìn)行了夜間通風(fēng)的能耗進(jìn)行了模擬計(jì)算，陳老師研究發(fā)現(xiàn)夜間通風(fēng)的理論條件應(yīng)該滿足室內(nèi)空氣高于室外溫度2℃以上，并且室內(nèi)溫度要在22~26℃的范圍內(nèi)。老師的結(jié)果癥明：夜間通風(fēng)的節(jié)能降溫效果會(huì)因?yàn)榈貐^(qū)的緯度的增加而增大，并且在夏熱冬暖地區(qū)，節(jié)能潛力更為可觀[4]。

筆者通過對(duì)國內(nèi)國外的研究文獻(xiàn)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，夜間通風(fēng)目前的研究更多集中在居住建筑和辦公建筑，很少涉及商業(yè)酒店類建筑。同時(shí)，雖然論文研究大都指出了夜間通風(fēng)存在節(jié)能降溫的理論成效，但大多數(shù)研究還只停留在夜間通風(fēng)的可行性研究和模擬研究上，尚未有文獻(xiàn)對(duì)現(xiàn)有的商業(yè)酒店類建筑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。綜上，本文就現(xiàn)狀研究基礎(chǔ)上，以實(shí)驗(yàn)為依據(jù)，對(duì)北京某商場(chǎng)夜間通風(fēng)的節(jié)能降溫效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出夜間通風(fēng)運(yùn)行控制策略。

2 北京地區(qū)氣候分析

根據(jù)我國建筑氣候熱工分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)可以看出，北京市為我國首都，屬于寒冷地區(qū)，地理位于我國華北平原地區(qū)，北京地區(qū)典型年年平均氣溫為12.6℃，1 月份為最冷月，該月份的平均氣溫為-3.83℃，7 月份為最熱月，該月份的平均氣溫為26.4℃。北京地區(qū)有晝夜溫差較大的特點(diǎn)，在夏季6—8 月期間，平均日較差達(dá)到8.0℃。

本文的氣象資料源于中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集。夜間通風(fēng)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)工況要求在夏季，故要分析夏季室外氣溫的變化。

根據(jù)典型年的北京地區(qū)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，室外最高日溫度、日平均溫度和日最低溫度的變化情況基本一致。從全年上看，室外空氣干球溫度在6 月份上旬和9 月份下旬期間較低，室外空氣干球溫度在7—8 月較高。

通過分析北京地區(qū)典型年的逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)，算出了北京地區(qū)6—10 月上旬的日較差，其頻率分布直方圖，如圖1 所示。

圖1 日較差頻率分布直方圖

由圖1 可知，在6—10 月上旬時(shí)，北京日較差近似呈“正態(tài)分布”，日較差處于6~10℃區(qū)間內(nèi)的天數(shù)多達(dá)60d。陳海旎等人[4]在研究夜間通風(fēng)在不同氣候條件適應(yīng)性時(shí)，提出對(duì)于以北京市為代表的寒冷地區(qū)，夜間通風(fēng)降溫技術(shù)在其供冷季的各個(gè)月份都可以取得顯著的節(jié)能效果。以往辦公類建筑夜間通風(fēng)的研究發(fā)現(xiàn)，李楠等人[5]提出在西安地區(qū)，日較差大于6℃即適合采取夜間通風(fēng)，西安地區(qū)和北京地區(qū)同屬寒冷地帶，具備理論參考價(jià)值。根據(jù)上述北京地區(qū)氣候研究，可以看出6—10 月上旬時(shí)，日較差大于6℃的天數(shù)為125d，約占總天數(shù)的93.7%，根據(jù)以往研究基礎(chǔ)，6—10 月期間，北京地區(qū)夜間通風(fēng)技術(shù)存在理論節(jié)能降溫潛力。

3 夜間通風(fēng)的實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)概述

本次實(shí)驗(yàn)的時(shí)間為 2021 年 9 月 24 日—10 月 9日，實(shí)驗(yàn)期間制冷機(jī)組開機(jī)時(shí)間為7:30—22:00，實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)位于某北京商場(chǎng)獨(dú)立空調(diào)區(qū)域，該區(qū)域是一個(gè)相對(duì)封閉的區(qū)域且無陽光直射，該區(qū)域面積為1100m2。

該區(qū)域組合式空調(diào)機(jī)組負(fù)擔(dān)此獨(dú)立區(qū)域的溫濕度需求，該機(jī)組為雙風(fēng)機(jī)機(jī)組，實(shí)驗(yàn)前運(yùn)行時(shí)間為7:30—22:00，新風(fēng)風(fēng)閥常開啟。

3.2 實(shí)驗(yàn)方法和自控邏輯

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案共三個(gè)模式，分別為夜間通風(fēng)模式、非夜間通風(fēng)模式和普通模式，三個(gè)模式相互切換。

3.2.1 夜間通風(fēng)模式（22:00—7:30）

利用夜間溫度低于室內(nèi)溫度1℃時(shí)段，將風(fēng)機(jī)開X個(gè)小時(shí)，當(dāng)室外溫度高于室內(nèi)溫度時(shí)，關(guān)閉風(fēng)機(jī)。

（1）風(fēng)機(jī)（送風(fēng)機(jī)和回風(fēng)機(jī)）開啟條件

風(fēng)機(jī)開啟時(shí)間范圍為22:00—次日7:30，室外溫度低于室內(nèi)溫度1℃以上，風(fēng)機(jī)開啟且保障連續(xù)開啟時(shí)間不低于2h。

（2）風(fēng)機(jī)（送風(fēng)機(jī)和回風(fēng)機(jī)）關(guān)閉條件

風(fēng)機(jī)關(guān)閉時(shí)間范圍為22:00—次日7：30，當(dāng)室外溫度高于室內(nèi)溫度時(shí)，風(fēng)機(jī)關(guān)閉。

（3）記錄參數(shù)

風(fēng)機(jī)開啟和關(guān)閉時(shí)間、風(fēng)機(jī)電耗E 風(fēng)機(jī)、室內(nèi)外逐時(shí)溫度。

3.2.2 非夜間通風(fēng)模式（7:30—22:00）

實(shí)驗(yàn)房間室內(nèi)溫度低于24.8℃時(shí)，關(guān)閉水路閥門Y個(gè)小時(shí)，實(shí)驗(yàn)房間室內(nèi)溫度超于24.8℃時(shí)，開啟水路閥門。

（1）風(fēng)機(jī)（送風(fēng)機(jī)和回風(fēng)機(jī)）開啟條件

風(fēng)機(jī)開啟時(shí)間范圍為7:30—22:00。

（2）水閥動(dòng)作條件

水閥關(guān)閉時(shí)間范圍為22:00—7:30。非夜間通風(fēng)模式下，當(dāng)實(shí)驗(yàn)房間室內(nèi)溫度低于24.8℃時(shí)，關(guān)閉水路閥門；當(dāng)實(shí)驗(yàn)房間室內(nèi)溫度高于24.8℃時(shí)，開啟水路閥門，且白天一旦開啟水路閥門后遍不再關(guān)閉。

（3）記錄參數(shù)

開啟水路閥門的時(shí)間需要時(shí)間表記錄；水路冷量表的流量讀數(shù)；室內(nèi)外逐時(shí)溫度。

3.2.3 普通模式（7:30—22:00）

計(jì)量Y 個(gè)小時(shí)后耗費(fèi)的冷量，除以冷機(jī)cop 得到冷機(jī)消耗的電量E 空調(diào)。普通模式下風(fēng)機(jī)和水閥均按照正常模式（7:30—22:00）啟停。

3.2.4 節(jié)能量計(jì)算

夜間通風(fēng)工況下，風(fēng)機(jī)存在電能消耗，空調(diào)機(jī)組存在電耗能；白天普通模式下僅開啟空調(diào)系統(tǒng)，夜間通風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能量為普通模式下空調(diào)系統(tǒng)消耗的電能與夜間通風(fēng)模式下風(fēng)機(jī)和空調(diào)系統(tǒng)消耗的電能的差值。關(guān)系如下：

式中：E夜——夜間通風(fēng)模式下系統(tǒng)運(yùn)行能耗，kW·h；E風(fēng)機(jī)——夜間通風(fēng)模式下風(fēng)機(jī)消耗能耗，kW·h；E空調(diào)——夜間通風(fēng)模式下空調(diào)機(jī)組運(yùn)行能耗，kW·h；E’空調(diào)——無夜間通風(fēng)模式下白天空調(diào)機(jī)組運(yùn)行能耗，kW·h；ΔE——夜間通風(fēng)節(jié)省能耗，kW·h；G——普通模式下流量表顯示流量，m3/h；Δt——非夜間通風(fēng)模式晚開水閥小時(shí)數(shù)，h；T——普通模式下通過G 流量下的小時(shí)數(shù)，h。

實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛴?jì)算出空調(diào)系統(tǒng)晚開機(jī)時(shí)消耗的電量，實(shí)驗(yàn)獲取空調(diào)機(jī)組的運(yùn)行能耗和夜間通風(fēng)模式下的運(yùn)行能耗，計(jì)算出夜間通風(fēng)實(shí)驗(yàn)的節(jié)省能耗，進(jìn)行節(jié)能量分析。

3.3 實(shí)驗(yàn)施工內(nèi)容

裝插入式冷量計(jì)計(jì)量組空的供冷量，信號(hào)線接入原有控制箱中，冷量表安裝于組空機(jī)房?jī)?nèi)，無須拆除吊頂；增加室內(nèi)回風(fēng)溫度傳感器，在室內(nèi)大廳回風(fēng)口處增加溫度傳感器。冷量表如圖2 所示。

圖2 冷量表

施工需要在夜間進(jìn)行，施工期間需要內(nèi)部停水，雖然難度不大，但協(xié)調(diào)商場(chǎng)甲方和物業(yè)的工作手續(xù)需要時(shí)間，而工期時(shí)間緊張，夜間通風(fēng)改造有特定氣候和時(shí)間需求，氣候轉(zhuǎn)涼時(shí)期夜間通風(fēng)技術(shù)效果不明顯。

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)在夜間模式下開展夜間全新風(fēng)工況對(duì)室內(nèi)環(huán)境及家具進(jìn)行蓄冷，并由能耗平臺(tái)獲取風(fēng)機(jī)能耗；非夜間模式下通過蓄存的冷量，推遲冷機(jī)水閥的開啟時(shí)間，并讀取晚開啟冷機(jī)水閥小時(shí)數(shù)；普通模式下讀取該小時(shí)數(shù)下冷機(jī)通過該機(jī)組的流量，通過讀取該時(shí)間段的供回水溫差及冷機(jī)COP，計(jì)算出冷機(jī)電耗。最終白天推遲開冷機(jī)時(shí)間段內(nèi)的冷機(jī)電耗減去夜間模式下風(fēng)機(jī)的能耗即為該實(shí)驗(yàn)的節(jié)能量。

4 結(jié)語

本文首先根據(jù)北京地區(qū)典型年夏季的室外氣象數(shù)據(jù)，分析夏季日較差大的天數(shù)在北京較多，說明北京在6—10 月進(jìn)行夜間通風(fēng)實(shí)驗(yàn)有理論節(jié)能降溫效果。

其次，是夜間通風(fēng)的實(shí)驗(yàn)部分，本文分別介紹了實(shí)驗(yàn)方法和自控邏輯、實(shí)驗(yàn)施工內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)工況，用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來探究夜間通風(fēng)對(duì)北京地區(qū)商業(yè)建筑的室內(nèi)熱環(huán)境及能耗的影響。

最后，通過計(jì)算空調(diào)機(jī)組運(yùn)行的電耗和夜間通風(fēng)模式下能耗之差，計(jì)算出夜間通風(fēng)實(shí)驗(yàn)的節(jié)省能耗，結(jié)果表明9 月24 日—10 月9 日共16d 的實(shí)驗(yàn)期內(nèi)，系統(tǒng)故障及室外溫度全天低于室內(nèi)溫度的情況共14d，剩余2d 的夜間通風(fēng)實(shí)驗(yàn)均有節(jié)能量，其中夜間通風(fēng)開機(jī)時(shí)間長日則節(jié)能量小，約為4.5%，夜間通風(fēng)風(fēng)機(jī)開機(jī)時(shí)間短日則節(jié)能量大，約為87%。由此說明夜間通風(fēng)技術(shù)在北京地區(qū)制冷季節(jié)應(yīng)用具備節(jié)能性。