夜間通風建筑關鍵設計參數優化分析

朱新榮，楊 雯，楊 柳，劉加平

（西安建筑科技大學建筑學院，陜西 西安 710055）

在過去的幾十年間，關于夜間通風及其相關領域已經有了一定程度的研究.研究方法從簡單的、定性的研究像更精確、系統的研究邁進,夜間通風氣候潛力的確定、自然通風換氣量的獲得、蓄熱對建筑的作用以及夜間通風影響參數分析也都已經取得了顯著的成果[1-4].這些成果為夜間通風的設計使用提供了指導.但是，在一些問題的處理上還存在薄弱的環節，例如：缺乏簡單有效的研究方法和研究結果，用于建筑設計階段的指導；關于內部附加蓄熱體的考慮方法相比外部蓄熱體之下仍然是比較粗略的；目前國內研究范圍比較窄，主要集中在夏熱冬冷地區的長江流域，北方地區的研究很少涉及；涉及的建筑類型很單一，主要包括辦公和商場類建筑，其他類型的公共建筑或者是居住建筑并沒有定量的研究等.

為了研究夜間通風在實際建筑中的降溫效果，在西安市一棟辦公建筑中進行了實驗研究.文獻[5]詳細的介紹了實驗過程.通過不同運行工況，包括全天自然通風、夜間自然通風、夜間混合通風以及夜間混合通風（附加蓄熱體）之間的比較分析說明不同控制方法對室內環境的影響程度.通過對實驗結果的統計分析，獲得了一些參數與夜間通風降溫效果的相關性，為數值分析奠定了基礎.

然而，從實驗過程中可以看出，由于受到天氣狀況、控制調節方法等方面的限制，通過實驗的方法獲得這些關鍵參數與降溫效果之間的規律性關系是非常困難的.一種比較有效的方法就是建立建筑的數值模型，通過數值模擬的方法來對問題進行分析.本文將以實驗建筑為原型，運用能耗模擬軟件Energyplus建立建筑的數值模型[6]，通過大量的模擬分析，探討房間的開口面積、通風量和蓄熱量與降溫效果之間的關系，以期為夜間通風建筑的設計利用提供參考.

1 數值模擬模型的建立

1.1 數值模型建立

以一棟實驗房間為原型，在數值模擬軟件中建立的建筑模型如圖1所示.關于模型的一些主要設置包括：

(1)模型的構造做法按照實際建筑構造的做法設置.

(2)室外氣象數據按照實驗期間的測試結果為準.實驗過程中的測試參數包括太陽輻射、風速、風向、室外干球溫度、相對濕度以及大氣壓力等項目，按照內嵌數據的格式進行了處理，取代了原有數據用于模擬分析.

圖1 實驗房建筑模型Fig.1 Experimental room building model

(3)模型的東西墻、南墻以及樓板在實際建筑中是內圍護結構，將這幾個圍護結構的外表面設置為“絕熱”狀態.也即，通過這個表面沒有與外界之間的熱量傳遞.但是構件的內表面與室內空氣之間是有熱作用的，墻體的蓄熱作用仍然可以發揮[7].

(4)實驗房處于模擬軟件中的“自由通風”模式，以考慮由風壓和熱壓作用形成的通風換氣效果.在實驗房中加入了排風扇，用于模擬實驗過程中的排風機.根據實際測得的通風量，換氣次數設置為10次/h.

1.2 數值模型準確性驗證

圖2為實驗房室內空氣溫度實測結果與數值模擬結果的對比分析圖.從圖中可以看出：首先，實測與數值模擬結果變化規律基本一致，溫度最高值、最低值及其出現的時間十分吻合.其次，在低溫陰雨天氣狀況下，實測結果與模擬結果有一些出入，這主要是因為，在數值模擬過程中，加入了夜間的機械通風輔助，引入了更多的室外低溫空氣，而實測建筑在陰雨低溫天氣狀況下沒有開啟機械通風，所以房間溫度模擬結果比實測值低一些.

為了進一步比較實測結果與數值模擬結果之間的差異，將室內空氣干球溫度劃分成7個區間，統計每個區間內溫度值的小時數，并將每個區間的小時數與總時數相比，獲得相應溫度區間的時間百分比.其中定義溫度低于28 ℃的時間百分比為舒適時間百分比，統計結果如表1所示.

圖2 實驗房干球溫度實測與模擬結果對比圖Fig.2 The comparison chart of measured and simulated dry bulb temperature in experimental room

表1 實測結果與模擬結果溫度區間統計分析Tab.1 Experimental and simulative results of the temperature range of statistical analysis

可以看出，實驗房數值模擬結果中溫度低于28 ℃的時間百分比為98 %，實測情況下為95 %，相差僅為3 %.總體來說，實測和模擬結果是非常接近的，這說明了數值模型基本能夠反映房間的熱力與通風狀況，模擬結果可信，可用于進一步的分析.

2 工況設計

在Energyplus軟件中，內部附加蓄熱體是通過建立一個虛擬平板的方法實現的.當平板的厚度和材料確定的情況下，可以通過變化蓄熱平板的面積來調整房間內部附加蓄熱體的量.本文選擇的蓄熱材料為重質混凝土，厚度100 mm，密度2 400 kg·m-3，導熱系數2.0 W/(m·K).在模擬分析過程中，內部附加蓄熱體的面積以地板面積為基礎增加，變化級別從沒有內部蓄熱體到1倍地板面積，并逐步增加到2倍地板面積、3倍地板面積、4倍地板面積和6倍地板面積.

在自然通風狀況下，通風所需要的壓力由風壓和熱壓控制，在一定的壓差下，通過門窗洞口進入到室內的空氣量與門窗洞口的面積大小有密切的關系.這里首先設定門窗洞口的面積大小，探討開口大小與通風量的關系，進而探討通風量與蓄熱體之間的關系.采用窗墻面積比（Ratio of window to wall，簡稱WWR）表示表針門窗洞口的大小，設定窗墻面積以10 %的間隔從10 %變化到80 %.

為了使結果更有參考價值，這里進行了整個夏季6月、7月和8月三個月共2 208 h的模擬分析.

3 結果與討論

3.1 通風開口面積的影響

將蓄熱量一定，變化窗墻面積比的值，不同窗墻面積比情況下房間的逐時通風換氣次數以及室內熱環境變化規律，模擬得出：窗口大小對通風換氣量有顯著影響，窗口越大，通風換氣量也越大.窗墻面積比為10%時，通風換氣次數一般低于5 次/h，但是當窗墻面積比為80%時，通風換氣次數可達30次/h以上；窗口大小對通風的時間也有影響.窗墻面積比越大，通風開始的時間越早，結束的時間越晚，即通風的時間越長.通風量近似與窗墻面積比成正比.也就是說，當窗墻面積比按一定步長等量增加時，通風換氣次數也接近等量增加，如圖3所示.這說明，對于本研究的建筑模型，窗口面積和通風量可以按線性關系處理.

圖3 不同窗墻面積比下室內總通風量和平均通風量統計圖Fig.3 Indoor total and average ventilation with different WWR

模擬分析窗口大小對室內空氣溫度的影響為：在不通風時段（一般為白天高溫時段），窗墻面積比不同對室溫的影響明顯.窗墻面積比越大，室溫波動越大，室內最高溫度值也越大；在自然通風時段，窗墻面積比越大，室溫溫度值越低，窗墻面積比越小，室內溫度值越高.也就是說，增大窗墻面積比對房間的作用有利有弊，有利的一方面在于窗口面積越大，通風量越大，室內可以得到更有效的冷卻.不利的一面在于，窗墻面積比增大意味著外圍護結構上大面積的玻璃窗，而玻璃窗的蓄熱性能很差，抵抗室外高溫的能力要比實體墻壁弱很多.將房間操作溫度的“舒適時間百分比”進行統計，結果如圖4所示.從圖中可以發現，操作溫度的舒適時間百分比與窗口面積大小有密切關系.當窗口面積從一個很小的值，如10 %開始增加時，舒適百分比開始迅速增加，在20 %增加開始變慢，到30 %時，達到最大值.當繼續增大窗墻面積比時，舒適百分比開始逐步下降.因為操作溫度一定程度上反映了房間的總體熱舒適狀況，所以這個圖說明，為了使室內環境達到最佳的舒適狀況，需要合理控制窗墻面積比.而對于本文的建筑模型，由于窗墻面積比和通風量之間接近線性關系，所以可以這樣說，在蓄熱量一定的情況下，存在一個最佳的通風量，這時的室內熱環境是最舒適的.

圖4 不同窗墻面積比情況下舒適時間百分比Fig.4 Percentage of comfort hours with different WWR

3.2 內部附加蓄熱體的影響

在窗墻面積比一定時，變化內部附加蓄熱體的量可以得出內部蓄熱體對室內環境的影響情況，模擬得出，隨著附加蓄熱體面積的增加，室內空氣溫度波動越來越小，并且溫度越來越低.當室內沒有內部蓄熱體時，室內溫度波動較大，最大值可以超過30 ℃，而對于最后一種工況，即6倍地板面積的情況下，室內溫度基本在25 ℃左右，溫度波動平均不超過3 ℃.這種溫度在夏季是非常舒適的，能達到類似于空調控制的效果.雖然6倍地板面積的量不容易實現，但是這說明了內部蓄熱體的降溫潛力.不同附加蓄熱體面積下，室內最高溫度的差值可達4 ℃左右，平均值差值可達3.38 ℃，日波動差值可達3.54 ℃.這些數據都表明，內部蓄熱體的量對室內環境影響非常顯著.

將這個表繪制成圖并進行回歸分析發現，附加蓄熱面積與舒適百分比之間有良好的相關性，兩者成對數關系，如圖5所示.兩者的相關性達到了99.1%.回歸關系式式1所示.

將不同蓄熱體面積下，夏季三個月室內空氣操作溫度的舒適時間百分比進行統計，其結果如表2所示.

表2 不同蓄熱體面積下室內空氣操作溫度的舒適時間百分比Tab.2 Percentage of comfort hours of indoor air operating temperature with different thermal mass area

圖5 內部附加蓄熱體面積與舒適時間百分比的關系Fig.5 The relations between internal additional thermal mass area and percentage of comfort hours

3.3 蓄熱量與通風量的匹配關系

本文將內部附加蓄熱體作為研究對象，可以發現，在一定的蓄熱量情況下，存在一個最佳的通風開口面積，如果模擬不同蓄熱量時不同通風開口面積情況下的室內熱環境狀況，有可能可以獲得通風量和開口面積之間的匹配關系.本文利用進行了大量的數值模擬分析，得到的結果如圖6和圖7所示.

從圖6可以看出，對應每個蓄熱量，均存在一個最佳的窗口面積.然而，實際建筑的開口形式差異較大，獲得窗口面積和室內環境參數之間的匹配關系用處不大，獲得通風量與蓄熱量之間的關系才具有更實際的意義.其次，從模擬不同工況下通風量的變化情況來看，在不同蓄熱量情況下，通風量與窗口面積基本成正比關系，即窗口面積越大，通風量也越大.隨著窗墻面積比的增加，不同面積蓄熱體之間的差別增大.當窗墻面積比為10 %時，無論多大的蓄熱體，通風量都是一樣的.當窗墻面積比增大時，不同蓄熱面積下通風量會有一定的差別.但是總體看，不同蓄熱量情況下，通風量變化不大，可以考慮用其中的一條曲線代替其他蓄熱量情況下的通風量曲線，如果取中間一條線，即蓄熱面積為3倍地板面積的值進行線性回歸，可以得到通風量yave（這里換算為通風換氣次數，單位為次/h）與窗墻面積比WWR之間的關系，如下式所示：

圖6 蓄熱面積和窗墻面積比下的舒適時間百分比Fig.6 Percentage of comfort hours of thermal mass area and WWR

這里以蓄熱面積為3倍地板面積時的回歸式進行作圖就可以得到通風量和蓄熱量之間的關系圖，如圖7所示.

圖7 通風換氣和蓄熱面積下的舒適時間百分比Fig.7 Percentage of comfort hours of ventilation and thermal mass area

從圖7可以看出：

(1)不同內部附加蓄熱級別下，室內的舒適度有較大的差異.蓄熱量越大，室內舒適溫度的時間比越高，蓄熱體對室內環境的調節具有明顯的作用；隨著蓄熱體面積的等量增加，帶來的降溫效果逐步減弱，這應證了圖6所示的對數關系.

(2)在每種蓄熱體量下，室內環境狀況與通風量有密切的關系，當通風量從2 次/h變化到16 次/h時，室內環境舒適度先是提高，當窗墻面積比增加到一定程度以后，舒適度呈下降趨勢.都存在一個室內環境最為舒適的點，這時的通風量即為最佳通風量.隨著蓄熱體數量的增加，這個最佳值從小到大逐步變化.在附加蓄熱體面積為1倍地板面積時，最佳通風量約為5 次/h，當蓄熱體面積為2倍地板面積時，這個值約為7 次/h，當蓄熱體面積達到4～6倍地板面積時，這個值增加到8 次/h以上.將這個規律繪制出來如圖8所示.同時也可以看出，隨蓄熱體量的增加，曲線變得越來越平緩.也就是說，當蓄熱體的量足夠大的時候，通風量不會對室內環境產生很大的影響，這是一個值得進一步探討的問題，這里不做深入分析.

圖8 蓄熱面積與通風量關系圖Fig.8 The relations between thermal mass area and the ventilation

4 結論

本文運用數值模擬的方法對通風量與蓄熱量之間的關系進行了探討.以實驗建筑為原型，利用能耗模擬軟件Energyplus建立了建筑的數值模型，通過室內空氣環境實測結果與數值模擬結果的比較驗證了數值模型的準確性.隨后，運用該模型模擬分析了通風開口面積、通風量和蓄熱量對室內環境的影響，本文得到的主要結論包括：

(1)對于本論文的模型，窗口面積和通風量近似呈線性關系.

(2)在一定的蓄熱量情況下，窗口面積并非越大越好，存在一個最佳的窗墻面積比，這時室內操作溫度最低，室內環境最舒適.

(3)內部蓄熱量對室內環境有非常明顯的影響.隨著蓄熱量的增加，室內空氣溫度波動越來越小，并且溫度越來越低.蓄熱量與室內舒適百分比之間有良好的相關性，兩者成對數關系.

(4)如果認為通風量與窗口面積成線性關系，可以得到通風量和蓄熱量匹配關系圖以及蓄熱量與最佳蓄熱量關系圖，本文的圖線和回歸關系式可為夜間通風的設計利用提供一定的幫助和參考.

References

[1]YAM Jimmy,LI Yuguo,ZHENG Zuohuan.Nonlinear coupling between thermal mass and natural ventilation in buildings[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2003,46(7): 1251-1264.

[2]BOONYAPUTTHIPONG Chumnan.A Parametric study of the interlocking stack effect ventilation with building thermal mass in commercial buildings[D].Chicago: Illinois Institute of Technology,2002.

[3]STEFANO P C,ANDREA K.Thermal mass activation by hollow core slab coupled w it h night ventilation to r educe summer cooling loads[J].Building and Environment,2007,42(9): 3285-3297.

[4]BARNARD N,MAUNSELL F.Thermal mass and night Ventilation utilizing hidden thermal mass[J].International Journal of Ventilation,2002,1(2): 71-77.

[5]朱新榮,辦公建筑蓄熱和夜間通風的實驗研究[J].太陽能學報,2015,36(6): 1337-1343.

ZHU Xinrong.An experimental study of thermal mass and night ventilation in an office building[J].Acta Energiae Solaris Sinica,2015,36(6): 1337-1343.

[6]Energyplus.Energyplus Manual(Documentation version3.0)[M].Berkeley: The Ernest Orlando Lawrence Berkeley National Laboratory,2008.

[7]YANG L,LI Y.Cooling load reduction by using thermal mass and night ventilation[J].Energy and Buildings,2008,40(11): 2052-2058.