黄山地区既有建筑节能改造中夜间通风与蓄热技术的应用分析

崔 倩，王东红，曹静怡，胡浩威

(1.安徽建筑大学 安徽省绿色建筑先进技术研究院，安徽 合肥 230601；2.安徽省建筑设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230002；3.安徽建筑大学 安徽建筑大学建筑室内热湿环境实验室，安徽 合肥 230601)

合理利用建筑围护结构热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，达到人体热舒适要求，对有效利用清洁廉价的可再生能源、降低建筑运行能耗、节省运行开支、减小环境污染等具有重要意义。将夜间通风技术与建筑围护结构蓄热技术应用于建筑节能，可以很大程度上改善室内热环境，是一种成本低、容易实现、操作简单、利用室外气候资源的被动式节能技术。特别是相变材料的出现，进一步为该技术提供了应用潜力。

为分析建筑自然通风蓄热的节能潜力，国内外学者对此进行了大量的研究。许艳利用DeST能耗模拟软件对不同蓄热体、通风换气次数和通风时段进行计算，得出通风量与通风效果不呈线性关系。周军莉利用数值计算方法对自然通风耦合蓄热问题进行研究，比较分析了内外蓄热体及热源强度对室内温度的影响，发现室内温度衰减系数随外墙材料体积热容的增大而减小，材料体积热容相近时，导热系数大的材料延迟时间较长。朱新荣等以西安市既有办公建筑为研究对象，通过实验研究得出，办公建筑室内温度上限设置为28 ℃，96%的时间利用通风技术即可满足舒适性条件。杨柳等通过对相变蓄热、夜间通风以及两者结合的深入调研分析，表明了合理利用通风和相变蓄热耦合可获得舒适的室内环境，节约空调能耗。Liu等以中国西部10个城市为对象，研究了相变材料与自然通风在过渡季的适宜性，利用EnergyPlus软件进行了数值模拟，确定了相变材料蓄热与自然通风在过渡季和热季的最佳相变温度。Barzin等实验研究了夜间通风与pcm浸渍石膏板在冷却方面的应用。Solgi等确定了夜间通风的适宜条件和风机通风量，还研究了熔点温度对建筑物冷负荷的影响。

目前，我国正在大力推进既有建筑节能改造项目，因此，研究不同墙体材料蓄热与通风耦合技术在既有建筑节能改造项目中的节能潜力，为助力黄山市乃至夏热冬冷地区的建筑节能改造提供一定的理论依据与技术支持。

1 模型建立

1.1 项目模型

选取黄山市建设大厦为研究对象，该办公建筑共13层，建筑高度为48.6 m，总面积约5 727 m，建筑体型系数为0.43，建筑体形系数偏大，建筑较复杂，采暖与制冷所需能耗量也较大。现利用DeST对建设大厦的平面图简化建模后得到一层平面图和大厦整体建筑模型图，分别如图1和图2所示。

图1 黄山大厦一层平面图图2 大厦整体建筑模型图

1.2 参数设置

(1)气象参数设定。项目位于黄山市屯溪区，属夏热冬冷地区，年平均气温8 ℃。一年之中，西南风、西北风频率较大，夏季平均风速为6.1 m/s，冬季平均风速为6.3 m/s。模拟选用软件自带的黄山市气象参数，得到典型年各天干球温度统计，如图3所示。

图3 黄山地区各天温度统计图

(2)围护结构参数设定。模拟主要目的是分析不同墙体材料与通风蓄热耦合的节能潜力，因此，为简化计算，外窗、屋面等围护构件统一为设定值，其围护结构热工性能如表1所示。外墙选用4种不同蓄热材料如表2所示。结合通风方案B，分析4种方案对建筑能耗的影响。不同外墙主体材料热物性如表3所示。

表1 建筑围护结构热工性能

表2 不同主体材料构造的外墙方案

表3 不同主体材料的热物性

(3)室内热扰的设定。室内热扰根据DeST默认值以及《公共建筑节能设计标准》进行相关设定，具体如表4所示。

表4 室内热扰设定

2 建筑能耗模拟与分析

2.1 不同蓄热材料对建筑能耗的影响

典型日内的室内自然温度如图4所示。上述4种方案下全年累计负荷变化情况如图5所示。从图4可以看出，不同建筑墙体材料的蓄热保温性能及节能效果从大到小依次为：相变材料、加气混凝土、粉煤灰陶粒混凝土、红砖砌体。

由于围护结构的蓄热及衰减延迟特性，白天室外温度较高时，大量热量蓄存在围护结构中，利用夜间通风也不能够及时地把热量带走，导致室内温度升高。从图5可以看出，方案4蓄热保温性能最好；对于方案1、方案2、方案3，空调运行冷负荷增加了1.5%、1.2%、0.2%，热负荷降低了34%、31%、8.4%；以方案1为基准，全年累计总负荷方案2节能率为1.2%，方案3节能率为7.4%，方案4节能率为9.0%。因此，从节能方面考虑，方案4具有很好的节能潜力，宜采用相变材料作为围护结构类型。

图4 典型日室内温度变化对比分析图图5 建筑全年负荷对比分析图

2.2 夜间通风对建筑能耗的影响

选取相变材料为建筑蓄热材料作为不通风的对比方案，设定采暖季为11月15日～3月15日，空调季为6月1日～8月31日。研究只分析空调季通风与不通风对室内温度及节能效果的影响，故设置过渡季白天工作时间(8:00～20:00，考虑到加班)通风，通风次数为3次/h，夜间非工作时间不通风，采暖季整天不进行通风。考虑到门窗缝隙，不通风时，通风换气次数设置为0.5 次/h，空调季采用两种不同方案进行比较分析如表5所示。

表5 空调季通风方案

典型日逐时冷负荷如图6所示。从图6可以看出，夜间空调系统停止运行后，围护结构在白天蓄存的热量向室内释放，室内温度开始升高。未采用夜间通风时，房间升温较快，整体房间温度高于设定的空调温度，导致空调运行时，需要更多的冷负荷以消除蓄存的热量，从而实现房间温度的降低。采用夜间通风后，夜间的冷空气带走了部分围护结构蓄存的热量，减少了房间温度对空调冷负荷的需求。

图6 典型日空调逐时冷负荷图7 全年累计总负荷对比分析图

全年累计总负荷对比分析如图7所示。从图7可知，未采用通风时，全年累计冷负荷为495 191.43 kW·h，全年累计热负荷为126 198.82 kW·h。采用通风后，全年累计冷负荷为469 437.88 kW·h，降低了5.2%；全年累计热负荷为127 127.28 kW·h，增加了0.7%；全年总能耗降低24 825.09 kW·h，方案B相比于方案A节能率为4%，采用夜间通风技术具有一定的节能潜力。

2.3 通风换气次数对建筑能耗的影响

由上述分析内容可知，建筑能耗不仅与围护结构蓄热特性有关，而且夜间通风对降低能耗也有较大影响。在原有模拟结果的基础上，现采用相变材料，选用通风次数分别为0.5 次/h(不开窗)、2 次/h、4 次/h、6 次/h、8 次/h、10 次/h、12 次/h、14 次/h的设置组，分析夜间通风换气次数与建筑能耗的关系。

典型日内房间空调室温变化情况如图8所示。由图8可知，在白天工作时间段，由于空调控制房间温度，房间保持恒定值25 ℃。当空调关闭后，室内温度迅速上升，达到最大值，这是由于白天蓄存在围护结构中热量向室内释放所致。随着室外较低温度的引入与室内较高温度进行对流换热，室内温度开始下降，并且在空调开启前达到最低值。从图8中可以看出，当换气次数小于 4次/h时，整个通风阶段室内温度均大于25 ℃；换气次数大于4 次/h时，在第二天未上班之前室内温度便可降到空调设定温度，从而减少空调开启时间，降低能耗。

随着换气次数的增加，室外气温对室内影响越大，夜间室内温度波动就越大。从图8中还可以看出，通风换气次数增加到 10次/h后，对室内气温影响波动不再明显。不同通风次数下的空调单位面积冷负荷如图9所示。结合图9换气次数对单位面积冷负荷的影响来看，通风换气次数小于10 次/h之前，随着通风换气次数的增加，单位建筑面积冷负荷降低。而大于10 次/h之后，通风换气次数的增加对建筑能耗降低作用不明显。因此，对于所研究建筑，通风换气次数为 10次/h最为适宜。

图8 不同通风次数的空调室温对比分析图图9 不同通风次数下的空调单位面积冷负荷

3 结论

以黄山市建筑大厦为研究对象，通过对不同蓄热材料通风耦合、空调季夜间是否通风，以及相变材料在不同通风换气次数作用下的室温及负荷进行模拟分析，得出结论：4种不同墙体材料蓄热能力不同。其中，相变材料的蓄热保温性能优于普通墙体材料，相对于红砖砌体全年累计总负荷，相变材料节能率达到9%。同时，相变材料对于室内温度波动影响较小，更有利于满足人体舒适度要求；对比空调季夜间是否通风，通过对比全年累计空调冷负荷得出通风后建筑冷负荷降低了5.2%。而通风换气次数的增加在一定程度上可以有效地降低建筑能耗，但超越适宜范围后，通风换气次数的作用也微乎其微。对比研究进行的通风换气次数模拟值来看，10 次/h为黄山建设大厦的最佳值。对比不开窗行为，选用开窗通风换气次数为10 次/h时，节能率为6.3%。