夜间通风与人工制冷耦合运行策略研究

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(1.陕西广播电视大学 工程管理系，陕西 西安 710119;2.陕西工商职业学院 工程管理系，陕西 西安 710119;3.西安航空学院 动力工程系，陕西 西安 710077)

夜间通风与人工制冷耦合运行策略研究

周静1,2,李异3

(1.陕西广播电视大学 工程管理系，陕西 西安 710119;2.陕西工商职业学院 工程管理系，陕西 西安 710119;3.西安航空学院 动力工程系，陕西 西安 710077)

本文利用CFD软件对某办公建筑一个房间进行了24 h非稳态热环境的动态模拟，包括室外温度，太阳辐射等非稳态条件。根据夜间通风量的变化对建筑维护结构蓄热的影响从室内热环境进行了计算分析，在满足室内环境热舒适要求的前提下，适当加大夜间通风量，寻找一种节能的运行模式，从通风空调联合运行机制上探讨节能潜力。

夜间通风；人工制冷；动态模拟；室内热环境；节能潜力；运行模式

夜间通风是一种利用周围环境的冷空气作为热容来降低室内空气温度和降低建筑构件温度, 并将建筑构件中储存的热量排放到室外环境, 以改善室内舒适度的被动式降温技术[1-3]。在夏天，虽然靠夜间自然通风可以降低建筑物部分蓄热量，但开启空调的时间推迟到9点[4]时，室内热环境已不能满足要求。如果加大夜间通风量，最大限度的降低维护结构的蓄热量，可使开启空调的时间推迟到9点，从而减少第二天空调的能耗。本文针对某建筑的一个标准房间，进行24 h的热环境的动态数值模拟，研究相同冷空调负荷下，夜间通风量变化时，对室内热环境的影响。

1 物理模型的建立

1.1 研究对象的几何模型

本文选择西安市某办公大楼夏季工况下的一个房间为研究对象，采用数值计算软件FLUENT来模拟流场。通过GAMBIT依据房间的实际尺寸来建立数值计算物理模型，如图1所示，其几何尺寸为：8.1 m×7.5 m×3.9 m,窗口大小为6 m×2.5 m,风机盘管送风口大小为0.9 m×0.25 m，回风口大小为1.2 m×0.4 m，房间中间的长方体是两个人的简化模型，尺寸大小为1 m×0.4 m×1.4 m，灯管尺寸为1.2 m×0.15 m×0.1 m。网格采用四面体来划分，共产生了10272 mixed cells。最大网格体积为 5.149594e-007 m3，最小网格体积为2.149543e-003 m3，网格适应性很好。

图1 空调房间的几何模型

1.2 室内空气温度的限制

Dedear[5-6]分析了ASHRAE全球热舒适数据库(ASHRAERP-884)建立了“气候适应性模型”，并得到的一个线性回归公式

tcomf=0.31ta,out+17.8

(1)

式中tcomf——最佳舒适温度/K；

to.out——平均室外干球温度/K。

以302.7 K作为由通风状态转为关窗开启空调的基本依据。将空调时人体的舒适温度定位297.15～299.15 K。

2 数值模拟方案

2.1 模拟方案

本文模拟某办公楼房间一天中9～22时空调开启，夜间开窗通风时，不同的通风速度对室内热环境的影响。房间热环境非稳态模拟分为4个工况，如表1所示。

表1 房间热环境非稳态模拟工况

所有非稳态工况模拟计算中时间步长取1个小时，每个内循环计算20次[5]，结果收敛后记录房间内空气的体平均温度，通过比较分析不同的夜间通风量在相同的空调能耗情况下对室内热环境的影响。

2.2 边界条件的设立及计算方法的选取

送风口和窗户为速度入口，回风口为压力出口[8]，压力大小等于环境大气压力；东西墙面和地面为恒热流面，北墙和楼板为绝热面，南墙为对流换热面，无滑移壁面条件，采用标准壁面函数。离散方法采用SIMPLE计算，动量、能量、k和ε均采用一阶迎风格式[9]，计算精度为各流动项残差小于10-6。

3 计算结果及分析

图2～图5是工况1，工况2，工况3，工况4空调室内温度变化图。

图2 工况1空调室内温度的变化

图3 工况2空调室内温度的变化

图4 工况3空调室内温度的变化

图5 工况4空调室内温度的变化

图2为工况1的空调室内温度变化，由图可知9时开启空调，导致室内最高气温达到304.5 K，已经超过了人体自然通风热舒适性温度的上限1.95 K[10-11]，所以夜间开窗，窗口风速0.3 m/s时，不能满足室内热环境的要求。图3为工况2的空调室内温度变化，可以看出夜间风速0.6 m/s时，9时开启空调，室内最高气温达到303 K，与工况1相比，在空调开机相同的情况下，夜间加大通风量，在9点温度降低1.5 K，说明加大夜间通风量可以改善空调启动前的房间的热环境，但仍超过人体热舒适温度，不能满足室内热环境的要求。图4为工况3的空调室内温度变化，可以看出夜间风速1 m/s时，9时开启空调，室内最高气温达到302.5 K，已经降低到自然通风时人体的热舒适上限温度302.55 K以下[12]，说明在加大夜间通风量的情况下，可以有效的降低维护结构的蓄热量，从而使空调开启时间推迟到9点时能满足室内热环境的要求。图5为工况4的空调室内温度变化，可以看出夜间风速1.5 m/s时，9时开启空调，室内最高气温达到302 K，与工况3相比，在空调开机相同的情况下，加大夜间通风量，在9点温度仅降低0.5 K，说明夜间开窗，窗口风速1 m/s左右时，夜间通风量对降低维护结构的蓄热量的效果基本饱和。

4 相同空调冷负荷下室内热环境分析

由于对室内热环境的影响因素较多，在以上非稳态四个工况的计算中，为了稳定在空调时间里室内热环境各个工况基本相同，以便进行能耗对比分析，在计算中对空调送风口的温度进行了控制，风速不变，计算结果如表2。

通过以上室内热环境的分析表明，加大夜间通风，确实可以大大降低房屋维护结构的蓄热量，在提供相同的冷量的情况下，夜间风速0.3 m/s时，早上9点时开启空调房间热环境不能满足要求，夜间风速1 m/s时，早上9点时开启空调房间热环境可以满足要求，但夜间风速1.5 m/s时，早上9点时开启空调房间热环境变化不大。

表2 空调冷负荷计算结果

5 结论

本文利用CFD软件对办公建筑某一房间24 h非稳态热环境进行模拟，包括室外温度，太阳辐射等非稳态条件的实现，对四个通风空调联合运行方案从热舒适性和节能角度进行了计算分析，得出了加大夜间通风可以有效地节约空调能耗的结论。但本文的研究是针对夜间通风量的变化对建筑维护结构蓄热量的影响，夜间通风气流模式对建筑维护结构蓄热量的影响是今后进一步研究的方向。

[1] 亓晓琳，杨柳，刘加平.北方地区办公建筑夜间通风适用性分析[J].太阳能学报，2011，32(5)：69-74.

[2] 武丽霞.严寒地区大型超市应用夜间通风与人工制冷耦合运行研究[D].哈尔滨: 哈尔滨工业大学,2004,23-72.

[3] 许守平，李相俊，惠东.大规模储能系统发展现状及示范应用综述[J].电网与清洁能源，2013,29(8):94-100,108.

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ResearchontheUnionRunofVentilationandAirConditioning

ZHOU Jing1,2,LI Yi3

(1.Shaanxi Radio &TV University, Institute of Engineering, Xi’an 710119, China;2.Shaanxi Business College, Institute of Engineering, Xi’an 710119,China;3.Xi’an Aeronautical University, Institute of Power engineering , Xi’an 710077, China)

This article used CFD software to dynamically simulate 24 hours unsteady state hot environment of some room in this building, including the unsteady state conditions of outdoor temperature,solar radiation and so on, as well as the dynamic process of natural ventilation by opening window on fixed time,closing the window and starting air conditioning on fixed time.This paper computes and analyzes the mechanism of union run of ventilation and air conditioning based on the energy conservation.Besides satisfying the comfortable request of indoor environment hot environment, we sought for an energy conservation operating mode, by using which to discuss the potential of energy conservation.

night ventilation;artificial refrigeration;kinetic simulate;union run;energy conservation potential;run mode

2014-03-08修订稿日期2014-05-08

周静(1982～)，女，硕士，讲师,研究方向为暖通空调工程。

TU831

A

1002-6339 (2014) 04-0351-03