嚴(yán)寒地區(qū)超低能耗建筑夜間通風(fēng)節(jié)能潛力分析

李曉旭，黃凱良，馮國(guó)會(huì)，張東旭

(沈陽(yáng)建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168)

超低能耗建筑可以作為建筑行業(yè)的發(fā)展方向，夜間通風(fēng)是讓超低能耗建筑進(jìn)一步節(jié)能的重要手段。目前，超低能耗的研究主要集中在室內(nèi)溫度與建筑負(fù)荷的特性分析上[1-3]，對(duì)其與通風(fēng)節(jié)能措施相結(jié)合的研究較少。夜間通風(fēng)技術(shù)主要集中在日較差較小的城市地區(qū)[4-5],對(duì)夏季和過(guò)渡季具有較大日較差的東北地區(qū)的研究較少，對(duì)于我國(guó)北方大部分地區(qū)使用夜間降溫技術(shù)，是一種較為合適的降溫措施[6]。陳水英[7]對(duì)北京地區(qū)利用夜間通風(fēng)降溫技術(shù)進(jìn)行的模擬計(jì)算，夜間通風(fēng)房間的室溫鋒值明顯降低。賀志朋等[8]利用EnergyPlus軟件對(duì)湖南省某高校的圖書(shū)館進(jìn)行了模擬計(jì)算，夜間通風(fēng)的最優(yōu)工況下可減少耗電量2.71(kW·h)/(m2·a)，節(jié)能率高達(dá)10%。夏利梅等[9]利用EnergyPlus進(jìn)行通風(fēng)模擬分析發(fā)現(xiàn)，哈爾濱市相比于其他城市，采用夜間通風(fēng)工況下的耗電量最少，夜間通風(fēng)對(duì)于嚴(yán)寒地區(qū)具有最高的經(jīng)濟(jì)效益。蔣琳等[10]將夜間通風(fēng)技術(shù)與綠化屋頂措施相結(jié)合進(jìn)行降溫實(shí)驗(yàn)研究，兩種措施結(jié)合后可以現(xiàn)在降低室內(nèi)和屋頂?shù)脽崃?。馮國(guó)會(huì)等[11]對(duì)相變墻房間進(jìn)行夜間通風(fēng)的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)相變儲(chǔ)能墻與夜間通風(fēng)技術(shù)結(jié)合，有助于降低室內(nèi)白天的溫度，其溫降幅度是普通房間的2倍。嚴(yán)寒地區(qū)夏季風(fēng)速以及晝夜溫差大，室外氣溫峰值較低，日較差較高，所以在嚴(yán)寒地區(qū)的建筑非常適于使用夏季夜間通風(fēng)技術(shù)。筆者以沈陽(yáng)某高校內(nèi)的超低能耗建筑為模型，進(jìn)行相關(guān)夜間通風(fēng)的模擬與測(cè)試，并對(duì)其進(jìn)行分析效果評(píng)價(jià)，意在評(píng)價(jià)夜間通風(fēng)在嚴(yán)寒地區(qū)超低能耗建筑節(jié)能潛力。

1 工程概況

筆者所研究的超低能耗建筑案例位于沈陽(yáng)市，建筑外立面如圖1所示。該建筑首層層高為3.3 m，包括客廳、臥室、示范展廳等房間；2層高為3.6 m，包括辦公室、衛(wèi)生間等房間。建筑在設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行管理等各個(gè)階段均采用先進(jìn)的綠色節(jié)能技術(shù)，大幅度減少了對(duì)化石燃料的需求。

圖1 超低能耗建筑外觀圖

該建筑主體結(jié)構(gòu)為H鋼框架+現(xiàn)澆聚苯顆粒泡沫混凝土墻體，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用保溫性能良好的技術(shù)措施，屋面與地面的傳熱系數(shù)為0.098 W/(m2·K)、0.113 W/(m2·K)。窗的氣密性等級(jí)達(dá)到8級(jí)，窗體的傳熱系統(tǒng)為1.0 W/(m2·K)。該超低能耗建筑的建筑總面積為302.4 m2， 體型系數(shù)為0.47，窗墻比分別為0.09、0.12、0.12、0.05。建筑平面圖如圖2所示。

圖2 示范建筑平面圖

2 模型建立

2.1 超低能耗建筑模型

沈陽(yáng)市屬于嚴(yán)寒地區(qū)，超低能耗建筑根據(jù)《公共機(jī)構(gòu)超低能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(T/CECS713—2020)設(shè)置參數(shù)(見(jiàn)表1)。圖3為建筑在DeST軟件中的建筑模型。

表1 超低能耗建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能參數(shù)

圖3 超低能耗建筑模型

筆者利用DeST軟件模擬建筑采用夜間通風(fēng)技術(shù)的可行性，在不同夜間通風(fēng)工況下，模擬建筑室內(nèi)熱環(huán)境與建筑冷負(fù)荷的變化規(guī)律,并對(duì)夜間通風(fēng)節(jié)能效果進(jìn)行分析。

2.2 模擬方案

筆者對(duì)建筑模型南向會(huì)客室進(jìn)行夜間通風(fēng)方案下的自然室內(nèi)熱環(huán)境模擬，計(jì)算建筑模型的冷負(fù)荷，計(jì)算建筑制冷系統(tǒng)的耗電量。建筑夜間通風(fēng)方案中的通風(fēng)時(shí)間段分別設(shè)置為：0:00—7:00、0:00—8:00、23:00—次日7:00、23:00—次日8:00、22:00—次日7:00、22:00—次日8:00。將每小時(shí)的換氣量分別設(shè)置為：1次/h、2次/h、3次/h、4次/h、5次/h、6次/h、7次/h、8次/h、9次/h、10次/h、11次/h、12次/h，將6種通風(fēng)時(shí)間段與12種換氣量進(jìn)行正交，得到72中不同夜間通風(fēng)的模擬方案。將不同夜間通風(fēng)方案與模擬內(nèi)容相結(jié)合，分析不同通風(fēng)方案下，會(huì)議室內(nèi)的自然熱環(huán)境的變化規(guī)律和建筑整體冷負(fù)荷的變化規(guī)律，以及空調(diào)環(huán)境下，建筑制冷系統(tǒng)總耗電量的變化規(guī)律，并對(duì)空調(diào)環(huán)境下的建筑進(jìn)行節(jié)能效果分析，確定節(jié)能效果最佳的通風(fēng)方案。制冷月建筑采用風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)的空調(diào)制冷方案。

2.3 能耗數(shù)學(xué)模型

(1)通風(fēng)機(jī)能耗數(shù)學(xué)模型

夜間通風(fēng)采用定風(fēng)量風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)模擬，此時(shí)夜間通風(fēng)的主要能耗為風(fēng)機(jī)的能耗，定風(fēng)量風(fēng)機(jī)的能耗計(jì)算方法。

(1)

式中：W0為風(fēng)機(jī)能耗，W;G0為風(fēng)量，m3/s;P0為風(fēng)機(jī)風(fēng)壓,Pa;φ1為風(fēng)機(jī)效率；φ2為傳動(dòng)效率。

(2)制冷系統(tǒng)能耗數(shù)學(xué)模型

制冷系統(tǒng)能耗主要包括夜間通風(fēng)機(jī)能耗和空調(diào)系統(tǒng)能耗。

Q0=Q1+Q2.

(2)

式中：Q0為制冷系統(tǒng)能耗，kW;Q1為夜間通風(fēng)機(jī)能耗，kW;Q2為空調(diào)系統(tǒng)能耗;kW。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

馮國(guó)會(huì)等[12]2019年對(duì)示范建筑在夜間通風(fēng)狀態(tài)下的室內(nèi)溫度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。超低能耗建筑的能耗計(jì)算模型使用其測(cè)試結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。夜間通風(fēng)工況下，室內(nèi)溫度的變化幅度為3.17 ℃，室內(nèi)最高溫與室外最高溫的差值為9.7 ℃。與夜間非通風(fēng)工況相比，室內(nèi)溫度的變化幅度增大，室內(nèi)最高溫與室外最高溫的差值增大。同時(shí)，建筑進(jìn)行夜間通風(fēng)會(huì)使室內(nèi)溫度峰值出現(xiàn)的時(shí)刻較室外溫度峰值出現(xiàn)的時(shí)間相比有所延遲。筆者模擬得出該建筑模型在夜間通風(fēng)方案下全天的室內(nèi)溫度變化情況。夜間通風(fēng)工況下，室內(nèi)溫度的變化幅度為3.97 ℃；室內(nèi)最高溫與室外最高溫的差值為9.37 ℃。與夜間非通風(fēng)工況相比，室內(nèi)溫度的變化幅度增大，室內(nèi)最高溫與室外最高溫的差值增大。并且在夜間通風(fēng)工況下，室內(nèi)溫度峰值出現(xiàn)的時(shí)刻較室外溫度峰值出現(xiàn)的時(shí)刻相比有所延遲。

將實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與DeST模擬結(jié)果對(duì)比分析，室外氣象參數(shù)相近條件下，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和DeST模擬數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.6，平均相對(duì)誤差為6.2%。圖4為實(shí)驗(yàn)測(cè)試和DeST模擬夜間通風(fēng)工況下的室內(nèi)溫度變化情況，可以看出夜間通風(fēng)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)和仿真模擬中得到數(shù)據(jù)和圖形整體趨勢(shì)基本一致，表明實(shí)驗(yàn)結(jié)果與DeST模擬結(jié)果一致度較高。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與DeST模擬數(shù)據(jù)之間的誤差主要是由于兩者室外環(huán)境參數(shù)條件的不嚴(yán)格一致形成的。因此，可以利用DeST軟件對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)超低能耗建筑夜間通風(fēng)技術(shù)的節(jié)能潛力進(jìn)行研究。

圖4 室內(nèi)溫度

4 結(jié)果分析

4.1 室內(nèi)熱環(huán)境分析

整理室外氣象參數(shù)，得到6月份、7月份、8月份、9月份室外日平均溫度分別為21.46 ℃、25.67 ℃、23.16 ℃、17.22 ℃；室外平均日較差為9.91 ℃、8.77 ℃、8.76 ℃、12.14 ℃。筆者選取6月28日、7月11日、8月11日、9月11日作為各個(gè)月份的代表日，其平均溫度分別為21.24 ℃、25.63 ℃、23.03 ℃、15.58 ℃；室外平均日較差分別為10.2 ℃、9.1 ℃、8.7 ℃、12.1 ℃。以首層南向會(huì)議室為代表房間進(jìn)行室內(nèi)溫度變化情況的分析，模擬不同通風(fēng)方案下該房間自然室內(nèi)溫度峰值。室內(nèi)峰值變化如圖5所示。

圖5 6至9月份室內(nèi)溫度峰值

根據(jù)模擬結(jié)果顯示，6至9月份室內(nèi)溫度峰值隨著通風(fēng)量的增加均呈現(xiàn)先陡后緩的下降趨勢(shì)。室內(nèi)溫度峰值隨著通風(fēng)時(shí)長(zhǎng)的增加而降低，隨著通風(fēng)換氣頻率的增加而降低。在72種夜間通風(fēng)方案下，4個(gè)月份室內(nèi)溫度峰值最高點(diǎn)均出現(xiàn)在00:00—次日7:00時(shí)間段通風(fēng)1次/h的方案下，溫度峰值分別為38.87 ℃、39.73 ℃、39.42 ℃、38.48 ℃；室內(nèi)峰值的最低點(diǎn)均出現(xiàn)在22:00至次日8:00時(shí)間段通風(fēng)12次/h的方案下，溫度峰值分別為27.17 ℃、29.76 ℃、26.49 ℃、24.04 ℃。

在夜間由于超低能耗建筑具有良好的蓄冷保溫功能，可以將送入到室內(nèi)的夜間低溫空氣的冷量?jī)?chǔ)存。在白天由于建筑良好的氣密性，一方面在全封閉狀態(tài)下可以消減室外溫度對(duì)室內(nèi)溫度的影響；另一方面利用夜間儲(chǔ)存的冷量來(lái)降低室內(nèi)溫度，從而使得室內(nèi)溫度的峰值降低。然而，夜間蓄冷量與夜間通風(fēng)換氣量關(guān)系密切，蓄冷量隨著換氣量的增加而增大，進(jìn)而使得室內(nèi)溫度隨著通風(fēng)換氣量的增大而降低。

4.2 建筑負(fù)荷分析

沈陽(yáng)地區(qū)的用冷月時(shí)間為6月至9月，案例建筑的用冷房間最高溫度設(shè)置為26 ℃，最低溫度設(shè)置為24 ℃，人員密度、最大照明功率、設(shè)備功率分別為0.3人/m2、11 W/m2、5 W/m2，對(duì)建筑進(jìn)行逐時(shí)冷負(fù)荷模擬計(jì)算，整理統(tǒng)計(jì)各月份冷負(fù)荷數(shù)據(jù)，得出超低能耗建筑各月份在不同通風(fēng)方案下的冷負(fù)荷曲線(見(jiàn)圖6)。從圖可以看出，各月份在不同的通風(fēng)方案下，建筑冷負(fù)荷變化曲線均呈先陡后緩的下降趨勢(shì)；建筑冷負(fù)荷隨著通風(fēng)時(shí)間和換氣頻率的增加而降低。這是由于通風(fēng)換氣頻率和通風(fēng)時(shí)間的增加增大了建筑結(jié)構(gòu)蓄存的冷量，冷量的增加抵消部分建筑冷負(fù)荷，從而減少了建筑所需的冷量。

圖6 6至9月份建筑冷負(fù)荷

從圖中建筑冷負(fù)荷的數(shù)值變化可以看出，7月份和8月份的建筑冷負(fù)荷較大，其中7月份建筑冷負(fù)荷最大。6月份和9月份的建筑冷負(fù)荷較小，其中9月份的建筑冷負(fù)荷最小。由于沈陽(yáng)地區(qū)7月份和8月份室外晝夜溫度均高于6月份和9月份室外晝夜溫度，所需冷量較大；且晝夜溫度的日較差小于6月份和9月份，使得建筑結(jié)構(gòu)體夜間儲(chǔ)冷量較小。因此，7月份和8月份的建筑冷負(fù)荷高于6月份和9月份的建筑冷負(fù)荷。

4.3 夜間通風(fēng)能效分析

4.3.1 制冷系統(tǒng)能耗分析

在集中用冷月，每日空調(diào)的工作時(shí)間段為9:00至19:00，對(duì)不同夜間機(jī)械通風(fēng)方案下整棟樓的能耗情況進(jìn)行模擬分析。確定供冷期各月份的最佳通風(fēng)時(shí)間及換氣頻率。建筑系統(tǒng)耗能情況如圖7所示。

圖7 6至9月份建筑制冷耗電量

由于超低能耗建筑良好的存儲(chǔ)冷量性能，可以將夜間的儲(chǔ)存的冷量來(lái)抵消白天的冷負(fù)荷，從而降低空調(diào)負(fù)荷，但當(dāng)夜間通風(fēng)時(shí)長(zhǎng)越長(zhǎng)，換氣量越大，風(fēng)機(jī)耗能越大，同時(shí)空調(diào)系統(tǒng)的耗能越小，因此夜間通風(fēng)與空調(diào)系統(tǒng)的總耗電量隨通風(fēng)量的變化存在最小值。最佳通風(fēng)方案如表2所示。

表2 最佳通風(fēng)方案

4.3.2 節(jié)能效果分析

用冷月最佳夜間通風(fēng)方案下的建筑制冷系統(tǒng)能耗與無(wú)夜間通風(fēng)時(shí)的制冷系統(tǒng)能耗進(jìn)行對(duì)比，6至9月份超低能耗建筑的節(jié)能效果如圖8所示。模擬得出6至9月份的制冷系統(tǒng)節(jié)能率分別為20.8%、0.3%、11.11%、29.32%。可以看出9月份的夜間通風(fēng)節(jié)能效果最佳，7月份的節(jié)能效果較差。6月份與9月份為過(guò)渡季節(jié)，室外溫度日較差較大，超低能耗建筑可以很好利用夜間較低溫度室外空氣進(jìn)行蓄冷。7月份和8月份白天與夜晚的室外溫度均較高，特別是7月份，室外溫度整體最高，晝夜溫差較小，使超低能耗建筑夜晚存儲(chǔ)冷量較少，夜間機(jī)械通風(fēng)又需要消耗電能，增加了制冷系統(tǒng)的耗電，因此7月份制冷系統(tǒng)節(jié)能率較差。

圖8 6至9月份建筑制冷耗電和節(jié)能情況

5 結(jié) 論

(1)嚴(yán)寒地區(qū)超低能耗建筑夜間通風(fēng)的模擬與實(shí)測(cè)平均相對(duì)誤差為6.2%，建立的模型和模擬方法可靠，可以對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)超低能耗建筑進(jìn)行夜間通風(fēng)多工況模擬分析。

(2)對(duì)建筑6個(gè)通風(fēng)時(shí)間段的12種夜間機(jī)械通風(fēng)方案模擬，在夜間通風(fēng)模式下建筑溫降的變化規(guī)律皆是先陡后緩，連續(xù)兩點(diǎn)最大溫差值出現(xiàn)時(shí)間段皆在0:00至7:00，通風(fēng)換氣量在1次/h與2次/h，差值分別為4.17 ℃、3.82 ℃、4.64 ℃、4.79 ℃。

(3)嚴(yán)寒地區(qū)超低能耗建筑夜間機(jī)械通風(fēng)量達(dá)到5～8次/h時(shí)，制冷系統(tǒng)節(jié)能效果明顯。制冷月份不同，最佳通風(fēng)量和通風(fēng)時(shí)間段略有不同。

(4)超低能耗建筑在夜間最佳機(jī)械通風(fēng)方案下，6、9月份節(jié)能率較高，分別為20.8%、29.32%；8月份的節(jié)能率居中為11.11%；7月份的節(jié)能率較差。在室外環(huán)境條件允許的條件下，采用夜間自然通風(fēng)降溫技術(shù)，會(huì)降低投資運(yùn)行費(fèi)用，增大節(jié)能率。