林文定 程海峰 林媛 張舉

1 安徽建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院

2 安徽建筑大學(xué)設(shè)計研究總院

3 安徽建筑大學(xué)節(jié)能研究院

1 引言

目前，我國公共建筑能耗占建筑總能耗的 33%[1]，而大量使用夏季空調(diào)系統(tǒng)的辦公建筑的增加，是其能耗增長的重要原因。如何在保證熱舒適標(biāo)準(zhǔn)、室內(nèi)空氣品質(zhì)的前提下，提高夏季辦公建筑的節(jié)能率和減少碳排放成了一個難題。其中夜間通風(fēng)蓄冷被認(rèn)為是一種有效、綠色的被動式建筑節(jié)能策略[2]。

各地區(qū)由于氣候條件的差異，夜間通風(fēng)的節(jié)能降溫潛力和適用性有所不同[3]，其中安徽地區(qū)關(guān)于辦公建筑夜間通風(fēng)潛力的研究較少。本文利用 1990-2019年的逐日氣象要素計算分析安徽三個典型城市的空氣溫濕度分布規(guī)律及差異，并利用部分逐時氣象數(shù)據(jù)，結(jié)合空氣熱濕狀態(tài)與風(fēng)環(huán)境分析，開展夜間通風(fēng)適用性評估并比較三個典型城市辦公建筑空調(diào)季夜間通風(fēng)降溫的節(jié)能潛力，為研究地區(qū)溫濕度氣候特征提供一定的基礎(chǔ)資料，也為地區(qū)辦公建筑通風(fēng)節(jié)能提供可靠的指導(dǎo)依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)與構(gòu)成方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

實測氣象數(shù)據(jù)來自國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供的中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集（V3.0）和中國地面氣象站逐小時觀測資料，本文利用其中 1990-2019 年安徽三個典型城市氣象站點的逐日和逐時平均氣溫、相對濕度等要素進行分析。研究的三個城市分別為宿州、合肥、黃山（屯溪），氣象站點的選擇按照皖北、皖中、皖南空間位置規(guī)律分布，能代表安徽地區(qū)平原、丘陵、山區(qū)等不同地貌特征，具有典型性，能滿足實際研究需要。

2.2 典型氣象年的構(gòu)成

為反映某地長期的氣象特征，避免氣象環(huán)境的隨機性帶來的誤差，需要以近 30 年的氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計為基礎(chǔ)，在近10 年中挑選出具有代表性的“ 平均月”建立典型氣象年[4]。所以本文以1990-2019 年的氣象統(tǒng)計數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在2010-2019 年中挑選“ 平均月”組成典型氣象年，以確保研究的時效性、代表性。挑選方法如下：

①統(tǒng)計出1990-2019 年每年每月兩參數(shù)的Xi,m,y平均值，i為挑選氣象參數(shù)，其中i1為平均氣溫，i2為平均相對濕度，m為月份序號，y為年份序號。

②計算每月兩參數(shù)的累年平均值，及標(biāo)準(zhǔn)差Si,m。

③將兩參數(shù)的平均值進行標(biāo)準(zhǔn)化處理：

④初選平均月：如2010-2019 年間某一年m月的平均值與該月的累年平均值的差值小于等于該月標(biāo)準(zhǔn)差，即|ηi,m,y| ≤1，則該年該月有條件成為“ 平均月”。

⑤如果2010-2019 年間有若干年份的m月都能滿足初選平均月的條件，則對這些年份的m月的ηi,m,y進行加權(quán)求和，即計算Dm。

式中：Ki——兩個參數(shù)的權(quán)重系數(shù)。

事實上，“平均月”挑選參數(shù)以及權(quán)重系數(shù)都是根據(jù)典型氣象年的應(yīng)用目的而定，并沒有一個完全恰當(dāng)?shù)?、確定的標(biāo)準(zhǔn)。本文的目的是為了研究地區(qū)空氣溫濕度分布規(guī)律、差異與分析辦公建筑節(jié)能潛力，對此造成影響的主要氣象要素為平均氣溫、平均相對濕度。熱濕環(huán)境中受太陽輻射影響的日平均相對濕度與日平均溫度的權(quán)重因子應(yīng)該是一致的，其權(quán)重系數(shù)Ki均可設(shè)為1/2[5,6]，最后計算選擇Dm值最小的月份作為該月的“ 平均月”。

2.3 含濕量與焓值的構(gòu)成

2.3.1 含濕量

在含有 1 kg 質(zhì)量干空氣的濕空氣中所混有水蒸氣的質(zhì)量，稱為濕空氣的含濕量，用符號d表示。

式中：φ— 室外相對濕度；B—當(dāng)?shù)卮髿鈮海琍 a；ps—飽和水汽壓，P a。

d確切反映了空氣中含有水蒸氣量的多少，而飽和水汽壓ps是計算含濕量的關(guān)鍵參數(shù)。目前有多個飽和水汽壓的計算公式，通過不同公式的比較與分析，對于室外溫度都為0 ℃以上的情況下，采用計算方便、誤差不大的馬格努斯（Magnus）公式[7]。這也是國家氣象局推薦的飽和水汽壓計算公式，其形式簡潔，計算方便，主要用于水面上飽和水汽壓的計算[8]：

式中：p0=6.11 hPa，是0 ℃時的飽和水汽壓；t——溫度，℃。

所以最終含濕量計算公式為：

2.3.2 焓值

焓值是指空氣中含有的總熱量。濕空氣焓值等于1 kg 干空氣的焓值與dkg 水蒸氣焓值之和，計算方法如式6。

式中：h—焓值，kJ/kg；t— 空氣溫度，℃；d—空氣的含濕量，g/kg。

3 分析與討論

3.1 典型城市氣象年

根據(jù)典型氣象年構(gòu)成方法，三個城市典型氣象年的平均月構(gòu)成如表1 所示。

表1 三個城市典型氣象年月份構(gòu)成

3.2 典型城市空氣溫濕度分布規(guī)律與差異

為研究三城市典型氣象年的溫濕度分布規(guī)律與差異，分別計算其典型氣象年平均月與四季的平均相對濕度、平均溫度、含濕量與焓值。計算數(shù)據(jù)列在表2與表3。

表2 三個城市典型氣象年構(gòu)成月份的平均相對濕度、平均溫度、含濕量、焓值

表3 三個城市典型氣象年四季平均相對濕度、平均溫度、含濕量、焓值

為區(qū)別于數(shù)據(jù)表格，做進一步直觀、精確地比較，利用origin 軟件做出一種新的表達圖示對上表數(shù)據(jù)進行分析。

從圖1 可以直接看出全年的平均相對濕度從屯溪到合肥再到宿州是依次降低的，且屯溪各月份分布相對均衡，而合肥和宿州在7、8月份的相對濕度明顯相比于其他月份更加突出；合肥、宿州的最大平均相對濕度出現(xiàn)在7月，屯溪出現(xiàn)在6月，其值都在81%左右。

圖1 三城市典型氣象年平均相對濕度比較圖

由圖2、3、4 得知，與平均相對濕度分布規(guī)律明顯不同，三個典型城市全年各月份的的平均溫度、含濕量與焓值變化規(guī)律相似，且相同月份的同一參數(shù)在數(shù)值上差別不大，都在 1月最低，7月最高，全年合肥和屯溪平均值相對接近，宿州則略低于這兩個城市，這也表明含濕量與焓值的大小規(guī)律主要受溫度影響。此外，除8月份平均溫度、含濕量、空氣焓值合肥大于屯溪外，其余月份都是屯溪＞合肥＞宿州。在6月，宿州的溫度異常的要比合肥、屯溪高。

圖2 三城市典型氣象年平均溫度比較圖

圖3 三城市典型氣象年含濕量比較圖

圖4 三城市典型氣象年焓值比較圖

從圖5 四季分布上來看各城市季節(jié)變化比較符合夏熱冬冷地區(qū)的特點，發(fā)現(xiàn)合肥的夏季平均相對濕度、平均溫度、含濕量與焓值異常的高，其余季節(jié)都是屯溪＞合肥＞宿州的規(guī)律，夏季是合肥 ＞屯溪 ＞宿州的規(guī)律。

圖5 三城市典型氣象年四季分布比較圖

由三個典型城市氣象年空氣溫濕度分布可知，夏季與其他季節(jié)相比溫濕度特征明顯，集中分布的高溫高濕室外空氣使得空調(diào)能耗更大，單位面積上的能耗約是冬季的2～3 倍[9]。因此，研究夜間通風(fēng)降低夏季辦公建筑能耗的節(jié)能潛力是很有必要的。

3.3 典型城市辦公建筑空調(diào)季夜間通風(fēng)潛力分析

3.3.1 空調(diào)季的時間范圍

安徽省屬于典型的夏熱冬冷地區(qū)，辦公建筑空調(diào)開啟時間一般集中在夏季6-8月。但是受全球氣候變暖影響，更加暖濕的氣候條件使得華東等濕度較高地區(qū)有必要延長空調(diào)開啟時間[10]，且在本文 3.2 節(jié)典型城市氣象年的溫濕度分布上也可看出9月熱濕參數(shù)比較高。因此本文先研究9月份安徽三個典型城市室外空氣的熱濕狀態(tài)與分布特點，分析具體的空調(diào)季延長時間。

按照室內(nèi)環(huán)境人體舒適度與節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)要求，夏熱冬冷地區(qū)室外空氣熱濕狀態(tài)分為不同的舒適區(qū)，一級舒適區(qū)標(biāo)準(zhǔn)較高，相對應(yīng)的熱濕區(qū)間中室外空氣平均溫度t區(qū)間為 22-26 ℃，平均相對濕度φ區(qū)間為 30%-60%[11]，同時含濕量舒適區(qū)間經(jīng)過計算在 4.92-12.68 g/kg。

結(jié)果如圖6 所示，9月上旬太陽輻射作用相較夏季6-8月雖有所降低，但是三個典型城市的室外空氣溫度下降幅度不大，濕度基本上沒有降低。整個室外空氣多集中在中溫高濕、高溫高濕區(qū)域。這種情況下引入室外空氣自然通風(fēng)會導(dǎo)致室內(nèi)濕度變高、熱舒適感降低，仍應(yīng)該采用空調(diào)系統(tǒng)降溫除濕。9月下旬的情況則稍顯復(fù)雜，宿州和屯溪室外空氣溫濕度相比較 9月上旬都呈現(xiàn)下降趨勢，有一定的自然通風(fēng)節(jié)能潛力。但是合肥的室外空氣在 9月 15-24 號仍處于中高溫，且濕度持續(xù)上升的狀態(tài)，在25-30 號溫度才有所下降、濕度仍較高。雖然 9月一般屬于過渡季節(jié)的通風(fēng)月，但是綜合近年來地區(qū)實際情況與室外空氣溫濕度特點，9月部分時間還是應(yīng)該被劃分到空調(diào)季，因此本次研究將宿州和屯溪空調(diào)季的時間范圍定在 6.1-9.15 日共108 天，合肥則時間略長定在6.1-9.24 日共117 天。

圖6 三個典型城市9月室外空氣逐時溫濕參數(shù)

3.3.2 空調(diào)季的熱濕特點

由表 4 可以看出，三個城市處于一級熱濕舒適區(qū)間的累積小時數(shù)占比都很低，僅占0.52%-1.93%。室外空氣熱濕狀態(tài)主要集中在高溫高濕、中溫高濕、低溫高濕三個區(qū)域，占比約為 82.62%-86.33%，三個城市的室外空氣處于高溫高濕時數(shù)都是最多的，也可以看出高溫、高濕是這些城市的共同特征，這也符合夏熱冬冷地區(qū)的氣候特點。從對應(yīng)的空氣熱濕狀態(tài)累積時數(shù)上來看，高溫高濕區(qū)域合肥累積時數(shù)最多，中溫高濕區(qū)域屯溪累積時數(shù)最多，低溫高濕區(qū)域宿州累積時數(shù)最多，這也與3.2 節(jié)分析的三個典型城市氣象年的溫濕度分布規(guī)律相符。對于高溫高濕狀態(tài)的室外空氣，目前這幾個地區(qū)最常用的處理技術(shù)還是利用空調(diào)系統(tǒng)降溫降濕。三個城市在空調(diào)季白天室外空氣基本上都處于高溫高濕狀態(tài)，日間溫度較高，最高溫度甚至可達到 40 ℃左右，具有很高的降溫需求，其日較差比較大，夜間自然通風(fēng)也較為適宜，有一定的節(jié)能與熱舒適潛力。由此進一步分析三個典型城市空調(diào)季節(jié)夜間室外空氣熱濕狀態(tài)。

表4 三個典型城市空調(diào)季室外空氣狀態(tài)在熱濕區(qū)域的累積時數(shù)

3.3.3 空調(diào)季的夜間通風(fēng)降溫

①夜間熱濕環(huán)境分析

對于辦公建筑而言，夜晚基本無人工作的作息特點為夜間自然通風(fēng)蓄冷提供了良好的前提條件。結(jié)合三個城市的夏季溫濕特點與其他文獻的通風(fēng)方案，研究夜間通風(fēng)時間區(qū)間為晚20:00-次日7:00[12,13]。

分析表 5 可知，三個城市空調(diào)季夜間室外空氣熱濕狀態(tài)大部分集中在中溫高濕、低溫高濕區(qū)域，溫度低于辦公建筑在自然通風(fēng)房間的上限28 ℃[14]，同時也有一部分處于高溫高濕區(qū)域，時數(shù)占比為27.87%-36.9%，直接處于舒適區(qū)的時數(shù)非常少。在高濕的情況下，持續(xù)自然通風(fēng)是必須的，中低溫的室外空氣引入辦公建筑室內(nèi)，可以帶走日間建筑儲存的余熱從而降低室內(nèi)空氣溫度，進行預(yù)冷和蓄冷，推遲第二天空調(diào)開啟時間、降低啟動負(fù)荷，以此實現(xiàn)節(jié)能減排。另一方面也能有效改善室內(nèi)熱舒適度與提高空氣品質(zhì)。從單個城市熱濕區(qū)域累積時數(shù)來看，舒適區(qū)和低溫高濕區(qū)域累積時數(shù)宿州 ＞ 合肥 ＞ 屯溪，處于中溫高濕、低溫高濕區(qū)域的累積時數(shù)宿州最多，合肥比屯溪略多一點，此外，不利于通風(fēng)節(jié)能的高溫高濕、高溫中濕區(qū)域累積時數(shù)合肥＞宿州＞屯溪。從夜間室外空氣熱濕狀態(tài)分布區(qū)域累積時數(shù)上來看，宿州的降溫節(jié)能潛力最大，屯溪和合肥節(jié)能潛力相當(dāng)，差別不大。

表5 三個典型城市空調(diào)季夜間室外空氣狀態(tài)在熱濕區(qū)域的累積時數(shù)

②夜間風(fēng)環(huán)境分析

利用典型氣象年數(shù)據(jù)分析三個城市空調(diào)季的夜間風(fēng)環(huán)境，根據(jù)風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)做出城市夜間風(fēng)速分布圖與夜間風(fēng)玫瑰圖[15]，從圖7、圖8 可以看出三個城市的靜風(fēng)率都很低，風(fēng)力資源比較充足，夜間自然通風(fēng)有足夠的潛力，且夜間風(fēng)向?qū)ㄖL(fēng)也有一定利用價值。其中屯溪夜間大部分時間處于軟風(fēng)狀態(tài)，平均風(fēng)速0.93 m/s，盛行SW 風(fēng)，該風(fēng)向平均風(fēng)速為 1.18 m/s。合肥市夜間大部分時間風(fēng)速處于軟風(fēng)與輕風(fēng)狀態(tài)，平均風(fēng)速 1.54 m/s，盛行 ENE 風(fēng)，風(fēng)向平均風(fēng)速為2.04 m/s。宿州市夜間風(fēng)速大部分時間也處于軟風(fēng)或輕風(fēng)，平均風(fēng)速 1.55 m/s，盛行 E 風(fēng)，該風(fēng)向平均風(fēng)速為1.84 m/s。研究表明，在風(fēng)速為1.5-2.5 m/s 的情況下，能較好滿足室內(nèi)熱濕舒適的要求[14,16]，所以從風(fēng)環(huán)境分析上來看，不同城市風(fēng)能資源利用的建筑朝向各有不同，應(yīng)合理布局建筑朝向來利用好夜間自然風(fēng)力資源，夜間自然通風(fēng)潛力大小為宿州＞合肥＞屯溪。

圖7 三個典型城市空調(diào)季夜間風(fēng)速分布

圖8 三個典型城市空調(diào)季夜間風(fēng)玫瑰圖

結(jié)合夜間室外空氣熱濕區(qū)域分布累積時數(shù)與風(fēng)環(huán)境共同分析，總體上三個城市辦公建筑夜間自然通風(fēng)降溫蓄冷的節(jié)能潛力較大。其通風(fēng)節(jié)能潛力大小依次為宿州＞合肥＞屯溪。

4 結(jié)論

1）屯溪到合肥再到宿州全年平均相對濕度依次降低，屯溪全年濕度均衡且較高。三個典型城市含濕量與焓值的大小主要受溫度影響，使其變化規(guī)律與溫度相似，且城市間相同月份的同一參數(shù)在數(shù)值上差別不大，全年合肥和屯溪平均值相對接近，宿州則略低于這兩個城市。

2）三個城市夏季熱濕參數(shù)分布普遍較高，8月合肥平均相對濕度、平均溫度、含濕量與焓值比其他城市都高，導(dǎo)致夏季每一熱濕參數(shù)大小規(guī)律都為合肥＞屯溪＞宿州，其余季節(jié)都是屯溪＞合肥＞宿州。

3）9月高溫高濕天數(shù)的增加，使得三個典型城市空調(diào)季時間各有延長，宿州和屯溪空調(diào)季的時間范圍在 6.1-9.15 日間共 108 天，合肥則在 6.1-9.24 日間共計117 天。

4）空調(diào)季研究夜間通風(fēng)時間區(qū)間為晚 20:00—次日 7:00，其室外空氣狀態(tài)主要集中在中溫高濕、低溫高濕，夜間自然通風(fēng)適宜性較高，具有一定節(jié)能潛力。

5）從夜間的室外空氣熱濕狀態(tài)分布累積時數(shù)分析可得宿州的降溫節(jié)能潛力最大，屯溪和合肥節(jié)能潛力相當(dāng)，差別不大。從風(fēng)環(huán)境分析得三城市針對建筑朝向可利用的風(fēng)向風(fēng)力資源各有不同，自然通風(fēng)潛力大小分別為宿州＞合肥＞屯溪。二者綜合分析：總體上三個典型城市辦公建筑夜間自然通風(fēng)降溫的節(jié)能潛力較大，其潛力大小依次為宿州＞合肥＞屯溪。