崔 倩，王東紅，曹靜怡，胡浩威

(1.安徽建筑大學(xué) 安徽省綠色建筑先進(jìn)技術(shù)研究院，安徽 合肥 230601；2.安徽省建筑設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230002；3.安徽建筑大學(xué) 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)

合理利用建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能并且充分利用可再生能源而不采用(或少采用)附加能源，達(dá)到人體熱舒適要求，對(duì)有效利用清潔廉價(jià)的可再生能源、降低建筑運(yùn)行能耗、節(jié)省運(yùn)行開(kāi)支、減小環(huán)境污染等具有重要意義。將夜間通風(fēng)技術(shù)與建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱技術(shù)應(yīng)用于建筑節(jié)能，可以很大程度上改善室內(nèi)熱環(huán)境，是一種成本低、容易實(shí)現(xiàn)、操作簡(jiǎn)單、利用室外氣候資源的被動(dòng)式節(jié)能技術(shù)。特別是相變材料的出現(xiàn)，進(jìn)一步為該技術(shù)提供了應(yīng)用潛力。

為分析建筑自然通風(fēng)蓄熱的節(jié)能潛力，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量的研究。許艷利用DeST能耗模擬軟件對(duì)不同蓄熱體、通風(fēng)換氣次數(shù)和通風(fēng)時(shí)段進(jìn)行計(jì)算，得出通風(fēng)量與通風(fēng)效果不呈線性關(guān)系。周軍莉利用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)自然通風(fēng)耦合蓄熱問(wèn)題進(jìn)行研究，比較分析了內(nèi)外蓄熱體及熱源強(qiáng)度對(duì)室內(nèi)溫度的影響，發(fā)現(xiàn)室內(nèi)溫度衰減系數(shù)隨外墻材料體積熱容的增大而減小，材料體積熱容相近時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)大的材料延遲時(shí)間較長(zhǎng)。朱新榮等以西安市既有辦公建筑為研究對(duì)象，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究得出，辦公建筑室內(nèi)溫度上限設(shè)置為28 ℃，96%的時(shí)間利用通風(fēng)技術(shù)即可滿足舒適性條件。楊柳等通過(guò)對(duì)相變蓄熱、夜間通風(fēng)以及兩者結(jié)合的深入調(diào)研分析，表明了合理利用通風(fēng)和相變蓄熱耦合可獲得舒適的室內(nèi)環(huán)境，節(jié)約空調(diào)能耗。Liu等以中國(guó)西部10個(gè)城市為對(duì)象，研究了相變材料與自然通風(fēng)在過(guò)渡季的適宜性，利用EnergyPlus軟件進(jìn)行了數(shù)值模擬，確定了相變材料蓄熱與自然通風(fēng)在過(guò)渡季和熱季的最佳相變溫度。Barzin等實(shí)驗(yàn)研究了夜間通風(fēng)與pcm浸漬石膏板在冷卻方面的應(yīng)用。Solgi等確定了夜間通風(fēng)的適宜條件和風(fēng)機(jī)通風(fēng)量，還研究了熔點(diǎn)溫度對(duì)建筑物冷負(fù)荷的影響。

目前，我國(guó)正在大力推進(jìn)既有建筑節(jié)能改造項(xiàng)目，因此，研究不同墻體材料蓄熱與通風(fēng)耦合技術(shù)在既有建筑節(jié)能改造項(xiàng)目中的節(jié)能潛力，為助力黃山市乃至夏熱冬冷地區(qū)的建筑節(jié)能改造提供一定的理論依據(jù)與技術(shù)支持。

1 模型建立

1.1 項(xiàng)目模型

選取黃山市建設(shè)大廈為研究對(duì)象，該辦公建筑共13層，建筑高度為48.6 m，總面積約5 727 m，建筑體型系數(shù)為0.43，建筑體形系數(shù)偏大，建筑較復(fù)雜，采暖與制冷所需能耗量也較大。現(xiàn)利用DeST對(duì)建設(shè)大廈的平面圖簡(jiǎn)化建模后得到一層平面圖和大廈整體建筑模型圖，分別如圖1和圖2所示。

圖1 黃山大廈一層平面圖圖2 大廈整體建筑模型圖

1.2 參數(shù)設(shè)置

(1)氣象參數(shù)設(shè)定。項(xiàng)目位于黃山市屯溪區(qū)，屬夏熱冬冷地區(qū)，年平均氣溫8 ℃。一年之中，西南風(fēng)、西北風(fēng)頻率較大，夏季平均風(fēng)速為6.1 m/s，冬季平均風(fēng)速為6.3 m/s。模擬選用軟件自帶的黃山市氣象參數(shù)，得到典型年各天干球溫度統(tǒng)計(jì)，如圖3所示。

圖3 黃山地區(qū)各天溫度統(tǒng)計(jì)圖

(2)圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)定。模擬主要目的是分析不同墻體材料與通風(fēng)蓄熱耦合的節(jié)能潛力，因此，為簡(jiǎn)化計(jì)算，外窗、屋面等圍護(hù)構(gòu)件統(tǒng)一為設(shè)定值，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能如表1所示。外墻選用4種不同蓄熱材料如表2所示。結(jié)合通風(fēng)方案B，分析4種方案對(duì)建筑能耗的影響。不同外墻主體材料熱物性如表3所示。

表1 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能

表2 不同主體材料構(gòu)造的外墻方案

表3 不同主體材料的熱物性

(3)室內(nèi)熱擾的設(shè)定。室內(nèi)熱擾根據(jù)DeST默認(rèn)值以及《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行相關(guān)設(shè)定，具體如表4所示。

表4 室內(nèi)熱擾設(shè)定

2 建筑能耗模擬與分析

2.1 不同蓄熱材料對(duì)建筑能耗的影響

典型日內(nèi)的室內(nèi)自然溫度如圖4所示。上述4種方案下全年累計(jì)負(fù)荷變化情況如圖5所示。從圖4可以看出，不同建筑墻體材料的蓄熱保溫性能及節(jié)能效果從大到小依次為：相變材料、加氣混凝土、粉煤灰陶?；炷痢⒓t磚砌體。

由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱及衰減延遲特性，白天室外溫度較高時(shí)，大量熱量蓄存在圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，利用夜間通風(fēng)也不能夠及時(shí)地把熱量帶走，導(dǎo)致室內(nèi)溫度升高。從圖5可以看出，方案4蓄熱保溫性能最好；對(duì)于方案1、方案2、方案3，空調(diào)運(yùn)行冷負(fù)荷增加了1.5%、1.2%、0.2%，熱負(fù)荷降低了34%、31%、8.4%；以方案1為基準(zhǔn)，全年累計(jì)總負(fù)荷方案2節(jié)能率為1.2%，方案3節(jié)能率為7.4%，方案4節(jié)能率為9.0%。因此，從節(jié)能方面考慮，方案4具有很好的節(jié)能潛力，宜采用相變材料作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)類(lèi)型。

圖4 典型日室內(nèi)溫度變化對(duì)比分析圖圖5 建筑全年負(fù)荷對(duì)比分析圖

2.2 夜間通風(fēng)對(duì)建筑能耗的影響

選取相變材料為建筑蓄熱材料作為不通風(fēng)的對(duì)比方案，設(shè)定采暖季為11月15日～3月15日，空調(diào)季為6月1日～8月31日。研究只分析空調(diào)季通風(fēng)與不通風(fēng)對(duì)室內(nèi)溫度及節(jié)能效果的影響，故設(shè)置過(guò)渡季白天工作時(shí)間(8:00～20:00，考慮到加班)通風(fēng)，通風(fēng)次數(shù)為3次/h，夜間非工作時(shí)間不通風(fēng)，采暖季整天不進(jìn)行通風(fēng)?？紤]到門(mén)窗縫隙，不通風(fēng)時(shí)，通風(fēng)換氣次數(shù)設(shè)置為0.5 次/h，空調(diào)季采用兩種不同方案進(jìn)行比較分析如表5所示。

表5 空調(diào)季通風(fēng)方案

典型日逐時(shí)冷負(fù)荷如圖6所示。從圖6可以看出，夜間空調(diào)系統(tǒng)停止運(yùn)行后，圍護(hù)結(jié)構(gòu)在白天蓄存的熱量向室內(nèi)釋放，室內(nèi)溫度開(kāi)始升高。未采用夜間通風(fēng)時(shí)，房間升溫較快，整體房間溫度高于設(shè)定的空調(diào)溫度，導(dǎo)致空調(diào)運(yùn)行時(shí)，需要更多的冷負(fù)荷以消除蓄存的熱量，從而實(shí)現(xiàn)房間溫度的降低。采用夜間通風(fēng)后，夜間的冷空氣帶走了部分圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄存的熱量，減少了房間溫度對(duì)空調(diào)冷負(fù)荷的需求。

圖6 典型日空調(diào)逐時(shí)冷負(fù)荷圖7 全年累計(jì)總負(fù)荷對(duì)比分析圖

全年累計(jì)總負(fù)荷對(duì)比分析如圖7所示。從圖7可知，未采用通風(fēng)時(shí)，全年累計(jì)冷負(fù)荷為495 191.43 kW·h，全年累計(jì)熱負(fù)荷為126 198.82 kW·h。采用通風(fēng)后，全年累計(jì)冷負(fù)荷為469 437.88 kW·h，降低了5.2%；全年累計(jì)熱負(fù)荷為127 127.28 kW·h，增加了0.7%；全年總能耗降低24 825.09 kW·h，方案B相比于方案A節(jié)能率為4%，采用夜間通風(fēng)技術(shù)具有一定的節(jié)能潛力。

2.3 通風(fēng)換氣次數(shù)對(duì)建筑能耗的影響

由上述分析內(nèi)容可知，建筑能耗不僅與圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱特性有關(guān)，而且夜間通風(fēng)對(duì)降低能耗也有較大影響。在原有模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上，現(xiàn)采用相變材料，選用通風(fēng)次數(shù)分別為0.5 次/h(不開(kāi)窗)、2 次/h、4 次/h、6 次/h、8 次/h、10 次/h、12 次/h、14 次/h的設(shè)置組，分析夜間通風(fēng)換氣次數(shù)與建筑能耗的關(guān)系。

典型日內(nèi)房間空調(diào)室溫變化情況如圖8所示。由圖8可知，在白天工作時(shí)間段，由于空調(diào)控制房間溫度，房間保持恒定值25 ℃。當(dāng)空調(diào)關(guān)閉后，室內(nèi)溫度迅速上升，達(dá)到最大值，這是由于白天蓄存在圍護(hù)結(jié)構(gòu)中熱量向室內(nèi)釋放所致。隨著室外較低溫度的引入與室內(nèi)較高溫度進(jìn)行對(duì)流換熱，室內(nèi)溫度開(kāi)始下降，并且在空調(diào)開(kāi)啟前達(dá)到最低值。從圖8中可以看出，當(dāng)換氣次數(shù)小于 4次/h時(shí)，整個(gè)通風(fēng)階段室內(nèi)溫度均大于25 ℃；換氣次數(shù)大于4 次/h時(shí)，在第二天未上班之前室內(nèi)溫度便可降到空調(diào)設(shè)定溫度，從而減少空調(diào)開(kāi)啟時(shí)間，降低能耗。

隨著換氣次數(shù)的增加，室外氣溫對(duì)室內(nèi)影響越大，夜間室內(nèi)溫度波動(dòng)就越大。從圖8中還可以看出，通風(fēng)換氣次數(shù)增加到 10次/h后，對(duì)室內(nèi)氣溫影響波動(dòng)不再明顯。不同通風(fēng)次數(shù)下的空調(diào)單位面積冷負(fù)荷如圖9所示。結(jié)合圖9換氣次數(shù)對(duì)單位面積冷負(fù)荷的影響來(lái)看，通風(fēng)換氣次數(shù)小于10 次/h之前，隨著通風(fēng)換氣次數(shù)的增加，單位建筑面積冷負(fù)荷降低。而大于10 次/h之后，通風(fēng)換氣次數(shù)的增加對(duì)建筑能耗降低作用不明顯。因此，對(duì)于所研究建筑，通風(fēng)換氣次數(shù)為 10次/h最為適宜。

圖8 不同通風(fēng)次數(shù)的空調(diào)室溫對(duì)比分析圖圖9 不同通風(fēng)次數(shù)下的空調(diào)單位面積冷負(fù)荷

3 結(jié)論

以黃山市建筑大廈為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)不同蓄熱材料通風(fēng)耦合、空調(diào)季夜間是否通風(fēng)，以及相變材料在不同通風(fēng)換氣次數(shù)作用下的室溫及負(fù)荷進(jìn)行模擬分析，得出結(jié)論：4種不同墻體材料蓄熱能力不同。其中，相變材料的蓄熱保溫性能優(yōu)于普通墻體材料，相對(duì)于紅磚砌體全年累計(jì)總負(fù)荷，相變材料節(jié)能率達(dá)到9%。同時(shí)，相變材料對(duì)于室內(nèi)溫度波動(dòng)影響較小，更有利于滿足人體舒適度要求；對(duì)比空調(diào)季夜間是否通風(fēng)，通過(guò)對(duì)比全年累計(jì)空調(diào)冷負(fù)荷得出通風(fēng)后建筑冷負(fù)荷降低了5.2%。而通風(fēng)換氣次數(shù)的增加在一定程度上可以有效地降低建筑能耗，但超越適宜范圍后，通風(fēng)換氣次數(shù)的作用也微乎其微。對(duì)比研究進(jìn)行的通風(fēng)換氣次數(shù)模擬值來(lái)看，10 次/h為黃山建設(shè)大廈的最佳值。對(duì)比不開(kāi)窗行為，選用開(kāi)窗通風(fēng)換氣次數(shù)為10 次/h時(shí)，節(jié)能率為6.3%。