基于EnergyPlus对南京地区应用夜间通风预测

乐小龙 梁彩华 张小松

东南大学能源与环境学院

基于EnergyPlus对南京地区应用夜间通风预测

乐小龙 梁彩华 张小松

东南大学能源与环境学院

为了对南京地区进行夜间通风的可行性进行预测，选取南京地区某典型办公楼，利用建筑全能耗模拟软件EnergyPlus进行了模拟研究。在典型气象条件下，分别考虑了通风时间，换气次数等因素对室内温湿度及空气比焓的影响。将室内空气焓值的变化等效为空气源热泵空调耗电量，通过对比空调的耗电量与通风风机的耗电量，得出最佳的换气次数，并进行了节能效果分析。结果表明：通风时间选择在室外温度较低的时间段内较为合适。换气次数在不同的通风时间下对应不同的临界点，当换气次数小于临界点的换气次数时，等效空调耗电量大于风机耗电量，此时具有节能效果。当通风时间为6:00～6:30时，换气次数为1～2ac/h时，等效空调的耗电量与风机的耗电量差值的绝对值最大，半小时通风的最大节能达到3.6kWh。

EnergyPlus夜间通风南京地区节能

0 引言

夜间通风降温技术（Night-time Ventilation Cooling Technique）是指在夜晚室外温度较低时，通过某种手段将室外温度较低的空气引入室内，置换室内温度较高的空气，从而降低室内空气和建筑围护结构的温度，改善室内热环境的一种有效的被动式降温技术[1]。当白天需要开启空调制冷时，可以减少空调的能耗，达到节能的目的。同时，将室外新鲜空气引入室内，也改善了室内的空气品质[2]。国外对夜间通风的研究起步较早，V.Geros[3-4]等人在1999年对雅典地区应用夜间通风进行了研究，指出夜间通风的效果和室内外温差，建筑热容量，有效气流速度关系密切，室外温度变化幅度较大时进行通风效果比较好。N.Artmann[5]等研究了气候条件、建筑围护结构、得热量、传热系数、换气次数等参数对夜间通风的影响，得出气候条件和换气次数对夜间通风的效果影响最大。国内方面，邸倩倩[6]等采用热平衡负荷计算法对北京地区采用夜间通风进行了研究，得出采用夜间通风后，推迟了白天空调开启的时间，减少了白天空调的负荷，全天节能4%以上。高甫生[7]等对北方地区应用夜间通风进行了预测，得出哈尔滨、北京、沈阳等地合适进行夜间通风的天数以及节能效果。目前国内关于夜间通风的研究主要针对北方气温日较差较大的区域，而对夏热冬冷地区应用夜间通风研究的较少。本文以南京为代表性城市，分别研究在不同的通风条件下，室内空气的温度、相对湿度和焓值的变化。通过模拟分析夜间通风的效果并和风机能耗进行比较，最后得出南京地区应用夜间通风可行性。

1 建筑模型

本文利用建筑全能耗模拟软件EnergyPlus对位于南京东南大学校园内办公建筑——逸夫建筑馆进行夜间通风的模拟研究。EnergyPlus是美国能源部（Departmentof Energy，DOE）和劳伦斯·伯克利国家实验室（Law rence Berkeley National Laboratory，LBNL）共同开发的一款建筑能耗模拟软件[8～9]。逸夫建筑馆位于东南大学校园内，中大院东侧，健雄院南侧，东面为城市道路成贤街。逸夫建筑馆占地面积4610m2，建筑面积16910m2，建筑高度为71.5m，建筑地下有一层，地上主楼十五层，裙房三层，如图1所示。

图1 逸夫建筑馆模型

2 通风过程分析

考虑到办公建筑办公时间在8:00～18:00之间，空调开启时间一般为7:30～18:00（预冷半小时）。从典型气象条件（图2～3）可以看出，凌晨6:00左右室外温度最低，进行通风时室内外换热温差最大，夜间通风的效果最好，因此选择在凌晨6:00附近的时间段进行通风。本文选择三个时间段分别是：6:00～6:30、6:30～7:00和7:00～7:30。换气次数分别设置为2a/ch、4a/ch、6ac/h、8ac/h和10ac/h。以典型气象条件为例分析夜间通风对室内热环境的影响。

图2 室外干球温度

图3 室外相对湿度

2.1 通风对室内温度的影响

当通风时间为6:00～6:30时，变换不同的换气次数，即在不同的通风速率下进行夜间通风，其结果如图4所示。

图4 不同换气次数下室内平均温度变化（6∶00～6∶30）

图5 不同换气次数下室内平均温度变化（6∶30～7∶00）

从图4中可以看出：1）通风未开启时，室内平均温度变化趋势基本相同，在开启通风之后，室内平均空气温度迅速降低，换气次数越大，温度的变化率也越大。在停止通风之后，温度迅速上升。2）换气次数越大，通风结束时，室内温度越低，室内温度越接近室外温度。当换气次数为2 ac/h时，通风结束时，室内温度为24.9℃，而当换气次数为10ac/h时，通风结束时室内温度降到了21.1℃。

同样改变通风时间为6:30～7:00和7:00～7:30，换气次数变化规律不变，结果如图5和图6所示。

图6 不同换气次数下室内平均温度变化（7∶00～7∶30）

从图5和图6中可以看出，当通风时间改变后，室内温度的变化趋势和前面分析的大致相同，只是通风结束时室内温度不一样。当通风时间为6:30～7:00，换气次数为2ac/h时，通风结束时室内温度为25℃，而当换气次数增加至10ac/h时，室内温度降至22.1℃。当在7:00～7:30时间段内进行通风，换气次数为2ac/h时，通风结束时室内温度降至25.6℃；换气次数为10ac/h时，室内温度降至23.3℃。

2.2 通风对室内相对湿度的影响

在南京这类夏热冬冷地区，夏季室外相对湿度较高，因此必须注意通风后对室内相对湿度的影响。下面分析通风对室内相对湿度的影响，和前面分析对温度的影响一样，分三个时间段分析其影响。模拟结果分别如图7、图8和图9所示。

图7 不同换气次数下室内相对湿度变化（6∶00～6∶30）

图8 不同换气次数下室内相对湿度变化（6∶30～7∶00）

图9 不同换气次数下室内相对湿度变化（7∶00～7∶30）

从图7中可以看出，在夜间室外相对湿度在75%左右的情况下，通风开启的第一个小时内，室内相对湿度迅速增加。当换气次数为2ach，通风前室内相对湿度为42.4%，通风结束时室内相对湿度达到了48.0%。换气次数越大，通风结束时室内相对湿度也越大。和换气次数2ac/h相比，10 ac/h时通风结束时室内相对湿度达到了61.2%。

从图8和图9中可以看出，不同通风时间下，通风时室内相对湿度变化趋势基本相同，只是通风结束时室内相对湿度有所变化。

2.3 通风对室内空气比焓值的影响

空气中的焓值是指空气中含有的总热量，通常以干空气的单位质量为基准，称作比焓。可以根据一定质量的空气在处理过程中比焓的变化，来判定空气是得到热量还是失去了热量。空气的比焓增加表示空气中得到了热量；空气的比焓减小表示空气中失去了热量[10]。

在已知通风条件下室内温度、相对湿度、大气压力等状态的情况下，可以根据空气状态参数的一些计算方法计算[11]，计算出室内空气比焓值的变化情况。

在不同通风时间和换气次数条件下室内空气比焓的变化情况如图10所示。从图10中可以看出，相同的换气次数下6:00～7:00这一段时间内进行通风，通风结束后空气比焓值下降得更明显，而7:00～7:30进行通风后空气比焓值降低的幅度有限。同时可以看出在相同的通风时间下，室内空气比焓值降低的程度与换气次数呈正相关。

图10 不同通风时间下空气比焓值变化

2.4 节能性分析

在EnergyPlus中根据不同的换气次数对应的不同的通风量，由风机性能参数选择不同的全压，已知风机通风量、全压和风机效率可以得到风机的能耗，如表1所示。

表1 不同换气次数下0.5h风机能耗

在计算出不同措施下室内空气焓值变化之后，和无通风的情况进行比较，可以得出室内空气比焓值的减少量。逸夫建筑馆建筑面积16910m2，假设其办公区域面积10000m2，并且办公区域全部采用夜间通风，于是可以得出整栋建筑冷负荷的减少量。这部分冷负荷用空气源热泵空调来消除，空气源热泵空调系统按COP=3计算，可以得出这部分负荷如果用人工制冷的方式消除需要消耗的电量。

表2，表3和表4分别列出了不同通风时间和换气次数（换气次数为0表示无通风）的条件下，室内空气比焓值的减少量以及这部分负荷等效的空气源热泵的耗电量。

表2 不同换气次数下室内空气比焓值（6∶00～6∶30）

表3 不同换气次数下室内空气比焓值（6∶30～7∶00）

表4 不同换气次数下室内空气比焓值（7∶00～7∶30）

从表2、表3和表4中可以看出，随着换气次数的增加，室内空气比焓值逐渐减小。和无通风的时室内空气状态进行比较，换气次数越大，负荷减少量越多。

将表2、3、4中等效的空调耗电量和表1中风机耗电量进行比较，通风时间为6:00～6:30时，空调等效耗电量与风机耗电量两者曲线的交点为A点；通风时间为6:30～7:00和7:00～7:30时，两者交点分别为B点和C

图11 风机耗电量与等效的空调耗电量比较

从图11中可以看出可以看出，A、B、C点为临界点。当换气次数等于临界点换气次数时，等效的空调耗电量等于风机耗电量，此时为临界状态，无节能效果；当换气次数小于临界点的换气次数时，等效的空调耗电量大于风机耗电量，具有节能效果；当换气次数大于临界点的换气次数时，等效的空调耗电量小于风机耗电量，不具有节能效果。当通风时间为6:00～6:30时，换气次数为1～2ac/h时，等效空调耗电量与风机耗电量差值的绝对值最大，此时的通风效果最佳，0.5h通风最大的节能3.6kWh。

3 结论

本文利用EnergyPlus对在南京地区进行夜间通风的效果进行了研究，结果表明：

换气时间和通风次数对夜间通风后室内的温湿度都有影响，通风时间选择在室外温度较低的时间段内夜间通风效果较好。换气次数在不同的通风时间段下对应不同的临界点，当换气次数等于临界点的换气次数时，等效空调的耗电量等于风机耗电量；当换气次数小于临界点的换气次数时，等效空调的耗电量大于风机耗电量，此时具有节能效果；当换气次数大于临界点的换气次数时，等效空调的耗电量小于风机耗电量，不具有节能效果。当通风时间为6:00～6:30时，换气次数为1～2ac/h时，等效空调的耗电量与风机耗电量差值的绝对值最大，半小时通风后最大的节能到达3.6kWh。由此说明南京地区在合适的通风方案下进行夜间通风，可以利用夜间室外冷空气这一天然冷源，达到节能的目的。

由于本文没有考虑通风时建筑围护结构的蓄、放冷的影响，因此实际通风的效果是否优于以上结论，还有待于以后的探究。

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Ap p lic a tion Ana lys is on N igh t-tim e Ven tila tion in Nan jing A rea based on Ene rgyPlus

YUEXiao-long,LIANGCai-hua,ZHANG Xiao-song Schoolof Energy and Environment,SoutheastUniversity

In order to study the feasibility of night-time ventilation in Nanjing,a typicaloffice buildingwas selected and building energy simulation software EnergyPluswas used to simulate.In the typicalweather conditions,considered the ventilation time,the air change rate and other factorson the indoor temperature,humidity,and enthalpy.The change in enthalpy of the indoor airwasequivalent to the power consumption of source heatpump air-conditioning,by comparing the energy consumption in fan power consumption.The results show that:ventilation time appropriate to select the time when outdoor temperature is lower.The air change rate corresponds to different critical point in different ventilation time.When air change rate is less than thatof the critical point,the equivalent air-conditioning power consumption is greater than the fan power consumption.Ithasenergy-saving effect.When the ventilation time is from 6:00 to 6:30 am, air change rate is 1～2 ac/h,the absolute difference of equivalent air-conditioning power consumption and fan power consumptionwasmaximum,energy saving reach 3.6kWh in halfan hour.

EnergyPlus,night-time ventilation,Nanjing,energy-saving

1003-0344（2014）02-006-5

2013-5-2

梁彩华（1979～），男，研究员；东南大学能源与环境学院；025-83792692；E-mail:Caihualiang@163.com

“十二五”国家科技支撑计划（2011BAJ03B14）；江苏省自然科学基金重点项目（BK2010029）