建筑实体蓄能的探讨

荣国华

华优建筑设计院有限公司

夏季空调蓄冷、冬季采暖蓄热技术已经得到大量应用，夜间蓄能为电网消峰填谷、缓解电力紧张起到了积极的作用，同时为用户节省了电费。目前的蓄能技术是把能量蓄存在介质中，系统结构复杂，冰蓄冷投资高，回收期长，通常在3 年以上[1]。任何材料都可以蓄能，比如建筑的墙体、地板、家具等建筑实体，这些都是建筑的既有材料，属于必要的一次性投资，如果利用建筑实体作为蓄能介质，可以为用户节省投资。

国内学者对建筑夏季夜间通风降温做了大量的研究，对比了不同的换气次数对房间降温的影响，比如：朱新荣等在文献[2]中提出，通风换气最佳次数为10 次/h，继续增大换气次数对空调负荷的降低没有意义。这些研究对建筑实体温度的变化没有太多的叙述，而建筑实体蓄冷是一个深度降温的过程，其温度的变化对蓄冷量影响较大。

1 建筑实体蓄能温度的设定和舒适性

建筑实体蓄能温度是指蓄能结束后，实体材料所达到的温度。夏季蓄冷温度宜定为20 ℃，与室内空调设计温度26 ℃有6 ℃的温差，可以防止结露，避免引起人体的过度冷感。冬季蓄热温度宜定为26 ℃，与室内采暖设计温度20 ℃有6 ℃的温差，高于26 ℃时，人体感觉燥热。蓄冷和蓄热过程都是6 ℃的温差，增大温差可以增加蓄能量，但提高了运行费用且人体的不舒适度感增强。减小温差就减少了蓄能量，虽然降低了人体的不舒适度，但节能效果受到影响。当然，建筑实体蓄能温度的设定应遵守《辐射供暖供冷技术规程》（JGJ142-2012）[3]的规定。建筑实体蓄能降低了人体的舒适性，用户很难接受和适应，建议通过改变着装来适应，夏季穿保暖的裤子和鞋，抵御下肢体的冷感，而冬季穿夏装，使身体感到凉爽。

2 建筑实体蓄能的外部条件

在我国高纬度、高海拔地区，夏季凌晨会出现持续时间较长的低温，通常在20 ℃以下，为建筑实体蓄冷提供了免费的天然冷源，比如我国的东北、西北、西南地区，青藏高原、黄土高原、云贵高原地区，很多地方7 月份的平均最低气温在20 ℃以下[3]，在其它月份，还会出现更低的温度，在这些地区有丰富的天然冷源。在我国其它地区夏季凌晨也会出现20 ℃以下的时间窗口，是建筑实体蓄冷的好时机。

实行峰谷平电价，夜间利用廉价的电能，启动建筑的空调制冷系统，向房间送冷风或冷水，把建筑实体的温度降到露点温度以上，它不受地理位置、气候条件的限制，任何地方都可以实施，节省电费效果显著。利用空调系统蓄能要实现经济效益，必须有较高的峰谷电价比或电价差。

3 建筑实体蓄能的内部条件

建筑实体蓄能需要有厚重的围护结构和良好的保温、遮阳性能，外墙、内墙、地板需要用高密度、高容重的建筑材料构筑，保证建筑实体有高的热容量，同时依靠良好的保温、遮阳性能，减少室内外能量的传递，降低冷热负荷。老式建筑多为砖混结构，墙体厚重，通过节能改造，加强外保温，这样的建筑就适合实体蓄能的要求。而现代建筑为了节能的需要，往往采用厚重的外保温、轻薄的结构墙体、通畅的玻璃幕墙，虽然降低了冷热负荷，建筑实体的热容量也降低了，不利于建筑实体的蓄能。

建筑实体蓄能是利用建筑现有的通风空调制冷系统，而不需要额外增加冰蓄冷、水蓄冷等蓄能系统。当建筑具有风机盘管加新风系统时，可利用新风系统从室外引进低温冷风，如果新风量不能满足建筑实体降温的需求，就启动风机盘管系统，加大风量和制冷量。当建筑采用地埋管辐射空调系统时，可利用室外冷空气把循环水降温，再送入室内，使地板降温。因此，建筑实体蓄能就是利用建筑现有通风空调制冷系统，通过风、水循环介质，把室外能量蓄存在建筑实体中。

4 建筑实体蓄能的传热分析

4.1 建筑实体的蓄能过程

以北京某砖混结构办公楼的标准房间为例，分析在蓄能过程中墙体温度的变化。该房间朝南，开间为3.6 m，进深5 m，层高为3.2 m，外墙为370 mm 实心砖墙，外包50 mm 聚苯板，外窗为双层Low-e 玻璃，房间内隔墙、走道隔墙为240 mm 实心砖墙，房间门为0.9 mm×2.2 mm 木门，底板和顶板为150 mm 厚钢筋混凝土铺地砖，不考虑相邻房间的传热。

夏季夜间蓄冷时，假设室外温度为17 ℃，向房间送冷风，瞬间把室内空气温度从20 ℃降为17 ℃，外墙、内墙、地板、家具的起始温度为26 ℃，瞬间处于17 ℃的空气中，使这些建筑实体降温，通过非稳态导热的数值解法[4]，求解建筑实体的温度变化值。

通过计算可知，当墙板中心温度达到20 ℃时，地板用时3969 s（约1 h 6 min），内墙用时15093 s（约4 h 12 min），外墙用时35883 s（约10 h），如果考虑外墙的保温，尤其夏季夜间室外最低温度超过26 ℃时，用时将会更长，在一个晚上不可能降到20 ℃。同时可知，当墙板中心温度降低到20 ℃时，墙板表面温度已经低于18 ℃，易发生结露现象。

为了防止结露，墙中心温度不必要降到20 ℃，只要墙内各点平均温度达到20 ℃即可，这样从计算过程可以得出，内墙经过9503 s 时，墙内平均温度达到20.02 ℃，热容量（或蓄冷量）为58193 kJ，外墙经过22593 s 时，墙内平均温度达到20.05 ℃，热容量为30948 kJ，地板经过2499 s 时，板内平均温度达到20.02 ℃，热容量为32659 kJ，蓄冷时间缩短了三分之一以上。

4.2 建筑实体的释能过程

夜间建筑实体蓄能结束后，早上投入使用，建筑实体开始释能，由于建筑实体与人体、灯具、电脑等发热体有较大的温差，两者必然发生辐射换热，空调送新风以及人走动形成空气扰动，室内空气与建筑实体表面发生对流换热，人体接触低温的地板、家具，也有少量导热换热，因此，建筑实体释能是一个辐射换热、对流换热、导热的复合换热过程，与蓄能单纯的对流换热过程有较大的区别，两者不是一个反向对称过程，释能所需的时间不一定与蓄能所需的时间相同。

很多学者对释能过程做了大量的研究工作，林坤平、徐宏庆在文献[5]中提出了附加冷负荷系数的概念，该文认为，对于间歇性空调系统，当夜间空调系统停止运行时，室外热量通过围护结构传入室内，使建筑实体和室内空气温度升高，大于室内空调设计温度，第二天空调系统启动后，由于建筑实体的温度高于室内空调设计温度，从而给空调系统带来附加冷负荷。为此，他们推出了不同场景下房间附加冷负荷系数，据此可以求出空调运行期间的逐时附加冷负荷。

本文借鉴该研究成果，用于求解建筑实体释能过程中逐时的释冷负荷。该房间内墙面积为41.54 m2，地板面积18 m2，家具面积2 m2，家具厚度为3cm，室内设计温度为26 ℃，房间昼夜温差为6 ℃，从文献[5]中查出该房间的冷负荷系数，从而得出建筑实体的逐时附加冷负荷，见表1。

表1 逐时附加冷负荷

当建筑夜间不蓄冷时，根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB50736-2012）[6]，计算出该房间夏季空调设计逐时冷负荷。房间有两人办公，两台电脑，人体发热量为110 W/人，电脑发热量150 W/台，灯光发热量60 W，室内设计温度26 ℃，新风标准为30 m3/(人·时)，新风冷负荷为183 W，这样，夏季该房间实际冷负荷见表2。

表2 夏季逐时冷负荷

实际冷负荷为设计冷负荷、附加冷负荷、新风冷负荷之和，因建筑实体温度低于室内设计温度26 ℃，所以附加冷负荷为负值。从表2 可以看出，从8:00 上班到13:00 时间段内，由于建筑实体向房间释放冷量，空调系统向房间提供必要的新风，而且新风是降温除湿后的冷风，房间实际所需的冷负荷为负值，这样房间的风机盘管不启动，只需送新风，制冷主机的负荷至少降低三分之二，避开了2 h 的平段电价和3 bh 的峰值电价，节省了大量的电费。

根据表2 计算得出，从8:00 到18:00，内墙、地板释放的冷量为22655 kJ，内墙、地板还积蓄有68197 kJ的冷量没有释放出来。19:00 至7:00 时间段的空调设计总冷量为3726 kJ，8:00 至18:00 时间段空调设计总冷量为24984 kJ，合计总冷量为28710 kJ，该数值远小于内墙、地板积蓄的总冷量90852 kJ，后者是前者的3倍。从数值上可以推断，只需要一个晚上的时间，把建筑实体温度降到20 ℃，就可以三天不用开空调。但实际上由于建筑实体释冷速率的缓慢和衰减，在空调使用的后期，可能满足不了冷负荷的需求，从表2 可以看出，13:00 以后冷负荷在回升。此时，要把建筑实体的冷量及时释放出来，可以采取提高室内风速的办法，加强对流换热，比如，打开风机盘管，高速送风，但不送冷冻水，施行空转。

由于建筑实体积蓄的冷量不能全部释放出来，夜间再次蓄冷时就可以减少蓄冷时间，实际上没有浪费。既然建筑实体积蓄的冷量用不完，为何不能减少蓄冷量？要减少蓄冷量，只能把建筑实体蓄冷温度提高到20 ℃以上，但是蓄冷温度提高了，建筑实体释冷速率就会降低，可能满足不了空调冷负荷。在空调季节使用的初期5、6 月份和使用的后期8、9 月份，冷负荷较低，宜提高建筑实体蓄冷温度。而在使用的中期7 月份，冷负荷最高，应降低蓄冷温度。由于室内场景的复杂性，对建筑实体蓄能和释能过程的描述，不论是手工计算还是软件模拟都会存在误差，对于实际工程，只能通过长期的运转实践，才能掌握其中的规律。

5 适合建筑实体蓄能的建筑类型

建筑实体蓄能的可行性取决于建筑的容重、使用人数，围护结构越厚重，热容量就越高，蓄能量也就越大，而建筑的使用人数越多，发热量也就越大，提高了夏季的冷负荷，降低了冬季的热负荷，总之，希望人均容重或人均使用面积越大越好。

假设人体发热量（静坐）=110W，照明发热量=30 W/人，每人一台电脑，电脑发热量=150 W/台，室外冷负荷为60 w/人，总计冷负荷为350 W/人，在上班的10 个小时内产生的总热量为12600 kJ，又假设建筑实体蓄冷的总冷量为该总热量的3 倍，并在10 h 释放出12600 kJ 的冷量，用于消除上述发热量，无需启动空调系统，求出钢筋混凝土蓄冷所需要的体积为3 m3，假设钢筋混凝土板的厚度为150 mm，3 m3钢筋混凝土相当于20 m2。对于框架结构的建筑，内墙很薄，完全靠地板蓄能，当人均使用面积为20 m2时，白天可以靠地板释放冷量满足空调需求。对于砖混结构、框剪结构的建筑，假设内墙面积与地板面积相同，内墙与地板同时蓄冷，人均使用面积为10 m2时，也可以满足白天的空调需求。通常办公楼人均使用面积在10 m2以下，对于砖混结构的办公楼也许能够满足空调白天的要求，而对框架结构的办公楼，蓄冷量则不能满足白天的空调要求。以上属于估算，仅供参考。

目前，我国城镇人均住房面积达到39 m2，农村人均住房面积达到47 m2[8]。住宅结构为砖混或框剪结构，热容量较大，应用建筑实体蓄能技术能够实现晚上蓄能，白天可以大幅度减少开空调的时间，节省大量电费。不限于办公楼、住宅建筑，其它建筑也可以根据建筑实体的总容重、冷热负荷来确定是否适合建筑实体蓄能，只要建筑实体的蓄能量大于设计冷热负荷，都有一定的应用价值。

6 建筑实体蓄能的技术措施

6.1 利用现有的空调采暖系统提供冷热源

从上面的计算结果来看，内墙蓄冷时间为9503 s，积蓄的热容量为58193 kJ，平均热功率为6124 W。地板蓄冷时间为2499 s，积蓄的热容量为32659 kJ，平均热功率为13069 W，两者最大平均热功率为19193 W，如果用17 ℃的冷风作为冷源，需要的风量为6281 m3/h，房间换气次数为109 次/h。

该房间夏季空调设计冷负荷为733 W，如果选用最小型号的风机盘管FP-34[9]，它的额定制冷量为1800 W，额定风量340 m3/h，可以满足房间空调需求。但是该风机盘管的额定制冷量与蓄冷时所需的最大平均热功率19193 W 相差很多，风机盘管的循环风量也很小，即使加上新风183 W 的冷负荷，在上述蓄冷时间内远远满足不了蓄冷要求。如果利用该空调系统蓄冷，只能延长蓄冷时间，经计算蓄冷时间将超过13 h，蓄冷时间段为19:00 至第二天8:00，因蓄冷时间过长，耗电量和电费过高，就没有经济效益。

从前面的分析可知，空调系统的设计负荷很小，而建筑实体有很大的蓄能量，要积蓄这么大的能量，一天之内可能也完成不了。可以采取逐步积累的办法，在过渡季节就开始积蓄，比如，春季建筑实体整体的温度在20 ℃左右，可以引进室外冷风保持这个温度恒定，进入空调季节后，夜间开启空调制冷系统，只需要运行很短的时间，补充少量的冷量，就可以把建筑实体的温度稳定在20 ℃，这样通过全年连续不断的能量积累，就可以克服空调系统负荷不够的弊端。

6.2 提高建筑的通风量和换气次数

现代建筑密封性能好、通风性能差，由于常规的空调系统风管尺寸的限制，夜间通过新风系统引进的室外风量很小，普通住宅只有抽油烟机和卫生间排风机，风量也很小，夜间室外的风力也没有保证，因此依靠室外冷风降温蓄冷效果有限。

要提高新建建筑的通风量可以通过以下措施，比如，办公房间外窗、门设通风孔，走道外窗设排风机或送风机，夜间启动风机，室外冷风经过外窗、室内、门、走道、风机形成对流换热。对于变风量空调系统，加大新风引入管的尺寸，保证空调箱的送风量与夜间的新风引入量相同。对于老旧建筑，可以通过改造实现上述措施。对于没有安全性要求的建筑，夜间打开窗、门，施行自然通风是最简易的办法，或在走道外窗设风机增加换气量。建筑防排烟通风系统平时不用，只有火灾或维修时启动，建议平时用于建筑蓄能时通风换气。

6.3 利用埋管技术提高蓄能速率

地板采暖是常用的技术，由于水的换热效率是空气的10 倍以上，而且管道埋在板中间，它的蓄能和散热效率较高。在地板、墙壁埋入水管，或把地板、墙壁做成空心体，将冷热水或空气输送其中，蓄能速率比外表面传热高很多。利用埋管技术可以将建筑内区与外区连通，将建筑内区的蓄能输送给外区，提高了建筑整体的蓄能量。

6.4 施行“春冻秋捂”运行策略

人体为了适应气温的变化，有“春捂秋冻”的生活习惯，而建筑实体蓄能要反其道而行，施行“春冻秋捂”的运行策略。“春冻”就是把春天的冷量输送到建筑实体内，阻止建筑实体温度的回升，保持其温度在20 ℃以下，这个季节人体“春捂”，着装较厚，室内的低温不影响舒适性。“秋捂”就是把秋天的热量输送到建筑实体内，阻止建筑实体温度的下降，保持其温度在20 ℃以上，这个季节人体“秋冻”，着装较少，室内的高温不影响舒适性。

施行“春冻秋捂”运行策略，建筑实体蓄能保持了全年的连续性，可以减缓冬夏两季蓄能的压力，有益于建筑实体温度的恒定，让建筑实体温度的波动范围控制在20 ℃至26 ℃之间。做好建筑的外保温是“春冻秋捂”的基本保障，只有做好了外保温，才能保证蓄能不外流。

7 结论

我国高纬度、高海拔地区夏季适宜建筑实体蓄冷，施行分时电价的地区适宜夏季蓄冷、冬季蓄热，具有厚重墙体的老式建筑、使用人数较少的公共建筑、住宅建筑适宜蓄能。建筑外保温是建筑实体蓄能的基本保障。现有的空调系统新风量很小，夏季夜间引进室外冷空气降温，节能效果有限。尽量在墙体和地板中布置管道系统，让冷热介质在墙体和地板内部流动换热，提高蓄能速率。提高房间的风速，可以加快蓄能和释能速率。建筑实体蓄能降低了人体舒适性，改变着装方式可以提高舒适度。建筑实体蓄能是就地取材、因地制宜的简易节能方法，仅是现有空调系统运行时间的调整和策略的改变，它没有投资风险。