楊昌智，龍展圖，陳超，嚴鵬飛，張泠

(湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410082)

夜間通風(fēng)降溫特性及優(yōu)化控制方法研究*

楊昌智?，龍展圖，陳超，嚴鵬飛，張泠

(湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410082)

研究了建筑夜間通風(fēng)降溫特性及其控制方法.選擇長沙地區(qū)2種不同功能類型的房間作為研究對象，利用建筑能耗模擬分析軟件DeST，分析了通風(fēng)換氣時間、換氣次數(shù)與排風(fēng)溫度之間的關(guān)系，研究了不同類型建筑夜間通風(fēng)降溫規(guī)律.結(jié)果表明，建筑夜間通風(fēng)的排風(fēng)溫度隨通風(fēng)時間呈對數(shù)變化規(guī)律；以通風(fēng)能效最優(yōu)為目標(biāo)時，夜間通風(fēng)存在換氣次數(shù)和通風(fēng)時間最優(yōu)組合，并得到了這個最優(yōu)組合的確定方法.利用該方法可以實現(xiàn)以通風(fēng)能效最高為目標(biāo)的通風(fēng)系統(tǒng)運行的最優(yōu)控制.

夜間通風(fēng)；換氣次數(shù)；通風(fēng)時間；通風(fēng)能耗比；優(yōu)化組合

隨著人們生活水平的提高，公共建筑能耗中空調(diào)能耗比例逐年升高.雖然夜間公共建筑的空調(diào)系統(tǒng)處于停止運行階段，但是白天墻體的蓄熱以及公共建筑內(nèi)散熱設(shè)備在晚上不斷釋放的熱量，勢必成為白天公共建筑的一部分冷負荷.北方大部分地區(qū)以及一些夏熱冬冷地區(qū)[1]夏季夜間室外溫度相對白天較低，從而導(dǎo)致日夜溫差較大，夜間通風(fēng)可達到很好的降溫效果.近年來，國家大力倡導(dǎo)節(jié)能減排，建筑節(jié)能越來越受到人們的重視.夜間通風(fēng)技術(shù)作為建筑節(jié)能的重要措施之一，國內(nèi)外學(xué)者做了較深入的研究.國外對夜間通風(fēng)研究較早， Shaviv等[2]利用Energy 軟件模擬得出以色列濕熱地區(qū)建筑夜間通風(fēng)效果與圍護結(jié)構(gòu)的蓄熱、換氣次數(shù)以及晝夜溫差有很大關(guān)系.Artmann[3]等很早就研究建筑圍護結(jié)構(gòu)蓄熱性能、室內(nèi)內(nèi)擾、換氣次數(shù)和室外氣候條件等參數(shù)對夜間通風(fēng)的影響.國內(nèi)相關(guān)研究相對較晚，陳在康等[4]對沒有窗戶的房間進行了夜間通風(fēng)模擬，結(jié)果表明：利用夜間通風(fēng)能很好地控制室內(nèi)溫度.李崢嶸等[5]將夜間通風(fēng)和蒸發(fā)冷卻技術(shù)相結(jié)合，對通風(fēng)時間和通風(fēng)量進行了優(yōu)化.王昭俊等[6]利用EnergyPlus建立了辦公建筑的模型，對北方地區(qū)辦公建筑應(yīng)用夜間機械通風(fēng)系統(tǒng)與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的能耗進行對比.周軍莉等[7]通過實驗比較了換氣次數(shù)、通風(fēng)時間對夜間通風(fēng)效果的影響，得到一種夜間室內(nèi)溫度計算模型，并進行了驗證.至今很少有人研究不同類型建筑夜間通風(fēng)影響因素：通風(fēng)換氣次數(shù)、通風(fēng)時間與排風(fēng)溫度的關(guān)系.本文主要針對公共建筑在夏季及過渡季夜間溫度低時，如何選擇最佳夜間通風(fēng)換氣次數(shù)、通風(fēng)時間進行探討.

1 研究方法

本文以長沙地區(qū)為例，利用DeST軟件模擬計算長沙地區(qū)不同功能類型的房間(辦公室、超市)在不同室外氣象參數(shù)下夜間通風(fēng)時排風(fēng)溫度變化情況.以此來研究分析：不同建筑參數(shù)、氣象參數(shù)條件下，夏季夜間如何選擇通風(fēng)量、通風(fēng)時間，能帶走更多房間余熱的同時又節(jié)約能源.

1.1 建筑描述

用于模擬的建筑共3層，地上第一層是超市，超市總面積為200 m2，層高為4 m.其他2層房間格局相同，每層有4個辦公室，辦公室面積均為50 m2，層高3.2 m.各墻面的窗墻面積比見表1.DeST模型如圖1所示.

表1 窗墻面積比

圖1 DeST建筑模型圖Fig.1 DeST building model diagram

1.2 參數(shù)設(shè)定

1.2.1 熱工性能參數(shù)設(shè)定

圍護結(jié)構(gòu)熱工性能參數(shù)根據(jù)GB 50189—2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》夏熱冬冷地區(qū)的圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)限值設(shè)定.

1.2.2 氣象參數(shù)設(shè)定

該建筑位于長沙市，模擬計算中采用的逐時氣象參數(shù)為長沙市標(biāo)準(zhǔn)典型氣象年參數(shù)，數(shù)據(jù)來源于《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》.文中對8月10日、8月12日及9月10日3典型日夜間通風(fēng)效果進行研究，對應(yīng)的氣象參數(shù)如圖2所示.

圖2 典型日氣象參數(shù)Fig.2 Typical daily meteorological parameters

1.2.3 室內(nèi)溫度及發(fā)熱量設(shè)定

超市房間夏季空調(diào)設(shè)定溫度為26 ℃，相對濕度為55%～65%，空調(diào)開啟時間設(shè)定為8:00—21:00；辦公室夏季空調(diào)設(shè)定溫度為22 ℃，相對濕度為50%～60%，空調(diào)開啟時間設(shè)定為8:00—20:00.空調(diào)末端為定風(fēng)量系統(tǒng)，超市營業(yè)廳新風(fēng)量設(shè)定為20 m3/(人·h)、人流密度最大取 0.4人/m2，人均發(fā)熱量為58 W；辦公區(qū)新風(fēng)量設(shè)定為 30 m3/(人·h)，人流密度最大取0.1人/m2，人均發(fā)熱量為66 W.超市室內(nèi)家具物品數(shù)量多，種類繁雜，其蓄熱放熱對于室溫變動以及夜間通風(fēng)效果至關(guān)重要.超市以及辦公室人員、照明、設(shè)備平均安裝功率及作息分別按DeST中不同房間功能類型進行設(shè)定.

1.2.4 通風(fēng)參數(shù)設(shè)定

超市、辦公室的夜間機械通風(fēng)時間均設(shè)定為22:00—5:00，夜間通風(fēng)開啟的換氣次數(shù)[8]分別為2 h-1， 4 h-1， 6 h-1， 8 h-1， 10 h-1， 12 h-1.

2 模擬結(jié)果及討論

基于以上設(shè)定的建筑參數(shù)以及建筑模型，用DeST軟件進行計算模擬得到排風(fēng)溫度與換氣次數(shù)、通風(fēng)時間的關(guān)系，結(jié)果如圖3，圖4和圖5所示.

圖3 辦公室8月10日晚不同換氣次數(shù)下排風(fēng)溫度與通風(fēng)時間的關(guān)系Fig.3 The relationship between exhaust air temperature and ventilation time under different air change rate in August 10th in the office

圖4 辦公室9月10日晚不同換氣次數(shù)下排風(fēng)溫度與通風(fēng)時間的關(guān)系Fig.4 The relationship between exhaust air temperature and ventilation time under different air change rate in September 10th in the office

圖5 超市8月12日晚不同夜間通風(fēng)換氣次數(shù)下排風(fēng)溫度與通風(fēng)時間的關(guān)系Fig.5 The relationship between exhaust air temperature and ventilation time under different air change rate in August 12th in the supermarket

由圖3，圖4和圖5可看出：無論是超市還是辦公室，在不同換氣次數(shù)下，排風(fēng)溫度與通風(fēng)時間近似呈對數(shù)關(guān)系.因此，在不同的換氣次數(shù)下，排風(fēng)溫度可表示為：

tp=alnt+b.

(1)

式中：tp為排風(fēng)溫度，℃；t為夜間通風(fēng)換氣時間，h；a和b是對數(shù)擬合得到的系數(shù)，反映排風(fēng)溫度的變化規(guī)律.對于不同功能類型的建筑，在不同的室外氣象條件下進行夜間通風(fēng)，排風(fēng)溫度變化規(guī)律是不同的，所以擬合得到的系數(shù)a和b是不一樣的.且系數(shù)a和b隨換氣次數(shù)變化近似呈對數(shù)關(guān)系，如圖6所示；因此，辦公室8月10晚擬合得到的系數(shù)a和b與換氣次數(shù)的關(guān)系式如式(2)(3)所示.

(a)

(b)圖6 擬合系數(shù)與換氣次數(shù)的關(guān)系Fig.6 The relationship between fitting coefficient and air change rate

(2)

(3)

式中：L為夜間通風(fēng)換氣量，m3/h；V為房間容積，m3.

通過以上對排風(fēng)溫度與通風(fēng)換氣時間、換氣次數(shù)之間關(guān)系進行分析得到：長沙地區(qū)不同建筑參數(shù)、室外氣象條件下進行夜間通風(fēng)，排風(fēng)溫度與通風(fēng)時間、換氣次數(shù)都近似呈對數(shù)關(guān)系，意味著排風(fēng)溫度與取對數(shù)后的通風(fēng)時間、換氣次數(shù)呈線性關(guān)系.因此，對于夜間采取機械通風(fēng)的建筑，在2種不同換氣次數(shù)下分別取2個不同時間點的室溫，即可近似得到其排風(fēng)溫度變化規(guī)律.

3 最優(yōu)化求解及節(jié)能效果分析

3.1 夜間通風(fēng)的風(fēng)機能耗

根據(jù)某型號風(fēng)機的樣本參數(shù)(見表2)得到風(fēng)機的性能曲線圖，擬合得到風(fēng)機風(fēng)壓與風(fēng)機風(fēng)量的關(guān)系如式(4)所示.式(4)(5)(6)中L為通風(fēng)換氣量，m3/h；t為通風(fēng)換氣時間，h；Δp為風(fēng)壓，Pa；η為風(fēng)機效率；Nf為風(fēng)機消耗的電能， J.

表2 某型號離心風(fēng)機樣本參數(shù)

Δp=2×105L2+0.112L+514.5.

(4)

根據(jù)風(fēng)機樣本參數(shù)可得知風(fēng)機在不同風(fēng)量下對應(yīng)的效率，擬合得到風(fēng)機效率與風(fēng)量的關(guān)系，如式(5)所示.

η=-4×10-8L2+0.000 3L-0.013 13.

(5)

則風(fēng)機的電耗

Nf=ΔpLt/η=(2×10-5L2+0.112L+514.5)×L×t/(-4×10-8L2+0.000 3L-0.013 13).

(6)

風(fēng)機能耗和夜間通風(fēng)帶走的房間余熱與通風(fēng)時間、換氣次數(shù)相關(guān).當(dāng)夜間通風(fēng)帶走的室內(nèi)余熱量一定時，最優(yōu)的通風(fēng)時間、換氣次數(shù)組合能使風(fēng)機的能耗達到最小[9].

3.2 最優(yōu)換氣次數(shù)、通風(fēng)時間組合求解

在帶走的房間余熱量一定的情況下，最優(yōu)換氣次數(shù)、通風(fēng)時間的求解屬于非線性等式約束的最優(yōu)化問題[10]，可利用MATLAB中fmincon函數(shù)求解.以辦公室9月10 日晚夜間通風(fēng)為例，求解得到的換氣次數(shù)、通風(fēng)時間組合見表3.

表3 帶走不同余熱比下風(fēng)機通風(fēng)能耗比與通風(fēng)時間、換氣次數(shù)組合的對應(yīng)關(guān)系Tab.3 The corresponding relationship between ventilation energy consumption ratio with combination of ventilation time and air changes under taking away different waste heat percentages

以上換氣次數(shù)和通風(fēng)時間最優(yōu)解的求解程序可寫入通風(fēng)控制器程序，通過溫度傳感器實時監(jiān)測排風(fēng)溫度，并將排風(fēng)溫度變化反饋給控制器.通過控制器對排風(fēng)溫度變化規(guī)律進行分析并計算，最終得到換氣次數(shù)和通風(fēng)時間的最佳組合.

3.3 節(jié)能性分析

假定房間這部分余熱用空氣源熱泵空調(diào)來消除，根據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50189—2015)中對空氣源機組綜合能效比的要求(COP=3.2)，考慮到管路系統(tǒng)等損耗，本文中空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)平均能效比按COP=2.8計算[11]，可推算出常規(guī)人工冷源方式消除余熱需要消耗的電量.比較人工制冷消耗的電量和夜間通風(fēng)風(fēng)機消耗[12]的電量，當(dāng)夜間通風(fēng)帶走單位余熱量消耗的風(fēng)機能耗小于0.36時，夜間通風(fēng)比人工制冷更節(jié)能.帶走單位余熱量風(fēng)機能耗可用風(fēng)機通風(fēng)能耗比ε表示，見式(7).

(7)

式中：Q為夜間通風(fēng)帶走的余熱，J；tout為夜間通風(fēng)時間段室外空氣溫度，℃.

辦公室9月10日晚夜間通風(fēng)開啟時室內(nèi)外溫差為5.8 ℃，由圖7可知，辦公室9月10日晚進行夜間通風(fēng)時，當(dāng)換氣次數(shù)≤4 ACH時，風(fēng)機通風(fēng)能耗比隨著通風(fēng)時間的增大而減小，而當(dāng)換氣次數(shù)≥6 ACH時，風(fēng)機的通風(fēng)能耗比隨通風(fēng)時間的增大而增大.給定通風(fēng)時間下，當(dāng)換氣次數(shù)由2 ACH增大到8 ACH時，通風(fēng)能耗比不斷降低，而當(dāng)換氣次數(shù)由8 ACH繼續(xù)增大時，風(fēng)機的通風(fēng)能耗比隨之增大.

超市8月12日夜間通風(fēng)開啟時室內(nèi)外溫差為6.4 ℃.由圖8可知，超市8月12日進行夜間通風(fēng)時，不同換氣次數(shù)下，風(fēng)機通風(fēng)能耗比隨通風(fēng)時間的延長而逐漸減少.給定通風(fēng)時間下，當(dāng)換氣次數(shù)由2 ACH增大到6 ACH時，通風(fēng)能耗比不斷降低，而當(dāng)換氣次數(shù)由8 ACH繼續(xù)增大時，風(fēng)機的通風(fēng)能耗比隨之增大.

從圖9可發(fā)現(xiàn)：辦公室9月10日、8月12日、8月10日晚及超市8月12日、超市8月10日晚，帶走的余熱百分比一定時，風(fēng)機的通風(fēng)能耗比均隨換氣次數(shù)的增大呈先減小后增大的趨勢.

圖7 辦公室9月10日晚不同換氣次數(shù)下風(fēng)機通風(fēng)能耗比與通風(fēng)時間的關(guān)系Fig.7 The relationship between ventilation energy consumption ratio and ventilation time under different air exchange rate in the office in September 10th

圖8 超市8月12日晚不同換氣次數(shù)下風(fēng)機通風(fēng)能耗比和通風(fēng)時間的關(guān)系Fig.8 The relationship between ventilation energy consumption ratio and ventilation time under different air exchange rate in the supermarket in August 12th

(a)辦公室9月10日晚 (b)辦公室8月12日晚 (c)超市8月12日晚

(d)超市8月10日晚 (e)辦公室8月10日晚圖9 帶走不同余熱百分比時，風(fēng)機通風(fēng)能耗比與換氣次數(shù)的關(guān)系Fig.9 The relationship between ventilation energy consumption ratio and air exchange rate under different percentages of the residual heat

對于辦公室功能房間，9月10日晚，當(dāng)帶走的余熱百分比≤60%時，換氣次數(shù)在6～8 ACH之間，通風(fēng)能耗比最小.當(dāng)帶走的余熱百分比≥80%時，換氣次數(shù)取8 ACH左右比較節(jié)能；而8月12日，當(dāng)帶走的余熱百分比≤40%時，換氣次數(shù)在4～6 ACH，風(fēng)機通風(fēng)能耗比最小，而當(dāng)帶走的余熱百分比≥40%且≤80%時，換氣次數(shù)取6 ACH左右比較節(jié)能，帶走的余熱百分比≥80%時，換氣次數(shù)在9 ACH左右最適宜.但是對于不同的通風(fēng)時間、換氣次數(shù)組合，辦公室8月12日晚風(fēng)機通風(fēng)能耗比均大于0.36，并不適合利用夜間通風(fēng)技術(shù).

對于超市功能房間，8月12日晚，當(dāng)帶走的余熱百分比≤60%時，換氣次數(shù)為5～7 ACH，通風(fēng)能耗比最小，而當(dāng)帶走的余熱百分比≥80%時，換氣次數(shù)取9 ACH左右比較節(jié)能.與辦公室8月12日相比，超市房間室內(nèi)熱源發(fā)熱功率更大，空調(diào)停止運行后室內(nèi)空氣溫度上升速率較快，夜間通風(fēng)開啟時室內(nèi)外溫差比辦公室更大，因此，超市房間8月12日適合利用夜間通風(fēng)技術(shù)，而辦公室不適合；超市8月10日晚，當(dāng)帶走的余熱百分比≤40%時，換氣次數(shù)取4 ACH時，通風(fēng)能耗比最小，而當(dāng)帶走的余熱百分比≥40%且≤60%時，換氣次數(shù)取6 ACH左右比較節(jié)能.帶走的余熱百分比≥80%時，換氣次數(shù)取9 ACH左右最適宜.但是對于不同的通風(fēng)時間、室外氣象參數(shù)及室內(nèi)余熱情況，夜間通風(fēng)的節(jié)能特性不同.如本文的超市8月10日晚風(fēng)機通風(fēng)能耗比均大于0.36，采用人工冷源可能更合適.

從圖中還可看出，超市的“通風(fēng)能耗比”比同期辦公建筑要低，更適合采用夜間自然通風(fēng).

4 結(jié)論

1)以長沙地區(qū)為例，利用DeST模擬分析不同功能類型建筑的夜間通風(fēng)降溫特性，結(jié)果表明：排風(fēng)溫度與通風(fēng)時間、換氣次數(shù)近似呈對數(shù)關(guān)系.

2)對于不同類型的建筑、在不同室外氣象條件下進行夜間通風(fēng)，建筑夜間通風(fēng)降溫規(guī)律雖然均呈現(xiàn)出對數(shù)函數(shù)變化規(guī)律，但決定這種對數(shù)規(guī)律的函數(shù)系數(shù)是不同的，這就導(dǎo)致最優(yōu)的換氣次數(shù)、通風(fēng)時間組合也不同.可根據(jù)本文提出的確定排風(fēng)溫度變化規(guī)律的簡便方法，在2種不同夜間通風(fēng)換氣次數(shù)下，分別測試2個不同時間點的室溫，利用其與換氣次數(shù)及通風(fēng)時間的對數(shù)關(guān)系得到排風(fēng)溫度變化規(guī)律，進而求解得到最優(yōu)換氣次數(shù)、通風(fēng)時間組合.

3)本文方法可作為控制程序?qū)懭肟刂破鳎L(fēng)控制系統(tǒng)通過監(jiān)測排風(fēng)溫度變化規(guī)律來控制換氣次數(shù)和通風(fēng)時間從而實現(xiàn)最優(yōu)運行.

4)本文基于軟件模擬并通過理論研究得到了夜間通風(fēng)降溫規(guī)律，并提出了相應(yīng)的優(yōu)化控制方法.為了在實際工程中推廣應(yīng)用，將通過對實際建筑的夜間通風(fēng)的溫度變化規(guī)律進行測試，進一步進行試驗研究，其結(jié)果將在后續(xù)論文中報道.

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Study on Cooling Characteristics and Optimal Control Method ofNight Ventilation

YANG Changzhi?，LONG Zhantu，CHEN Chao，YAN Pengfei，ZHANG Ling

(College of Civil Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China)

The cooling characteristics of night ventilation and control method were studied.Two rooms with different functions in Changsha were selected as the research objects,which were simulated by DeST,respectively.By analyzing the relationships among ventilation time,air exchange frequency and exhaust temperature,the cooling characteristics of night ventilation for different buildings can be obtained.The results show that the exhaust temperature varies logarithmically with ventilation time.A method to determine the optimal combination between air changes and ventilation time under taking the same waste heat of room can be obtained when the optimal ventilation energy efficiency is taken as the goal.By using this method,the optimal control of the ventilation system operation can be achieved for the highest ventilation energy efficiency.The method and the results are available for the optimal design and operation of the night ventilation system.

night ventilation； air changes；ventilation time；ventilation energy consumption ratio；optimized combination

1674-2974(2017)07-0199-06

10.16339/j.cnki.hdxbzkb.2017.07.026

2016-05-13

國家自然科學(xué)基金資助項目(51578221),National Natural Science Foundation of China(51578221)

楊昌智(1963—)，男，湖南寧遠人，湖南大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師?通訊聯(lián)系人，E-mail:yang0369@126.com

TU834.3

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