夜間自然通風降低辦公室空調制冷能耗

尚城名，張玉輝，何江海（.松下冷鏈（大連）有限公司，大連 6600；.大連三洋高效制冷系統有限公司，大連 6600）

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夜間自然通風降低辦公室空調制冷能耗

尚城名1，張玉輝1，何江海2
（1.松下冷鏈（大連）有限公司，大連 116600；2.大連三洋高效制冷系統有限公司，大連 116600）

摘要：夜間自然通風已經成功運用于許多被動制冷或低能耗寫字樓中。介紹了夜間自然通風在寫字樓中的適用性。在適當的溫度條件下，建立熱量計通風模型，以此來檢驗節能以及內部舒適度改善情況。研究發現，自然通風模式能夠減少傳統空調寫字間的制冷能耗。采用“應用最佳”的原則，如提高氣密性、內部發熱及日曬生熱的最小化等改善建筑結構能有效提高自然通風的節能性。

關鍵詞：通風模型；空調制冷；節能

前言

1）寫字樓的制冷能耗要求

在我國，建筑能耗占社會總能耗約27～30 %，安裝空調的樓房比例也在逐年增加。因此，使用被動制冷方式減少空調器能耗從而減少CO2排放量的方式是勢在必行的。另外，減少制冷最大能量，發電廠會受益。同時會減少空調安裝空間，投資商也會受益。

2）夜間自然通風

夜間通風通過自然通風冷卻建筑物外表面墻體，當建筑物內熱量高時，冷卻會更迅速[1]。而在白天熱量會被墻體吸收，夜間通風 會通過四種方式對日間辦公室室內環境產生影響：

①降低氣溫峰值；

②降低全天氣溫，特別是早晨的氣溫；

③降低石板溫度；

④使室外氣溫最高時間與室內氣溫最高時間產生溫差。

綜合夜間通風與散熱成為最受歡迎的技術之一。這種技術利用熱、冷機溫度氣候來降低對空調的依賴，并改善建筑物內部的散熱狀況。這也標志著夜間通風散熱將會廣泛應用于低能耗建筑中。這意味著散熱及夜間通風將會成為“綠色”寫字樓的設計主流。然而，這種用于空調寫字間技術的潛能還沒有具體數據和實際應用的報道。

1 自然通風模擬節能

這篇文章介紹了在傳統空調寫字間應用夜間通風的潛能對節約的能量及減少的空調安裝空間做出估計。使用熱量氣流模擬來計算傳統空調寫字間的節能潛能。

1.1自然通風節能模型

計算是局域BRE的熱量模擬工程3TC[2]。使用這種方法，每個房間的熱量隨時間有三種變化形式。以每一個房間作為一個導熱和儲熱的網絡，用包括CIBSE的AM10方程求出風量，用預先設計的工具進行建模，這種工具特別為寫字樓與氣候設計，其目的是找出能量消耗對房間舒適度的影響。這些工具能夠快速測量室內散熱量的變化、風速、室內格局以及室外溫度。

1.2 室外溫度環境

為了是實驗結果具有代表性，實驗時間選定為整個制冷季節（5月-9月）。規定最高室外溫度23.5 ℃，最低溫度為14.5 ℃。代表風險度為5 %的中國東部實際氣溫。

1.3建筑模型

傳統形式的10*6*3 m（長*寬*高）辦公室單位為建筑模型。模型的位置位于一幢三層高的寫字樓正中。各種建筑因素分別為（由外向內）：

1）墻體：3 mm厚鐵板、氣隙、100 mm隔熱層、10 mm橡膠層。

2）窗戶：雙層玻璃，U=3.0 W/m2·K

3）隔層：5 mm橡膠，13 mm塑膠板、100 mm氣隙、13 mm塑膠板、5 mm橡膠

4）天棚：

輕承重：12 mm威爾頓地毯、150 mm輕塑混凝土、400 mm氣隙、20 mm玻璃纖維內襯、2 mm鐵板

中承重：12 mm威爾頓地毯、20 mm膠合板、100 mm氣隙、100 mm重塑混凝土、400 mm氣隙、20 mm玻璃纖維內襯、2 mm鐵板

重承重：12 mm威爾頓地毯、5 mm膠合板、20 mm氣隙、300 mm混凝土

實驗時間為周一至周五的8:00 am-18:00 pm，以及周六、日的8:00 am-12:30 pm。

1.4 日間制冷系統

日間制冷即使用空調進行制冷，白天為打造舒適的工作環境，開啟空調進行制冷，將空調出風口溫度調整為不低于26 ℃的冷風。在為辦公樓提供舒適環境的同時，會造成電能的消耗。本次實驗對比的日間制冷為：選擇COP為3.0的風冷空調，根據慣例，送風機的比功率為1 W/ls，出風機的比功率為0.75 W/ls。

1.5 夜間制冷系統

夜間制冷將白天吸收了大量熱量的辦公樓通過自然通風的方式實現熱量的交換，以便室內以及墻壁等溫度達到較低值，白天開啟空調進行制冷具有更小的熱負荷。通過夜間制冷與傳統方式相比，分析夜間制冷降低能耗的可行性。實驗中采用了幾種不同的夜間制冷系統，三種自然通風形式（單側通風、交叉通風及堆積通風）。在實驗過程中需要使用一些合理控制來避免過冷，設定整夜通風，在7∶00 am由定時器切斷，以防下列情況出現：

1）室內溫度下降到18 ℃；

2）室內外溫差大于12 ℃。

1.6實驗參數

為了檢測各項參數對夜間通風效果的影響，通過將每個研究參數指定相關值的方式，設計了一個關聯實驗。檢測參數的給定值如下：

1）室內散熱：30 W/m2。此時被動制冷建筑物中的夜間通風效率最高。

2）玻璃窗覆蓋面積：60 %，在使用大窗戶的寫字間情況具有代表性。

3）避光：避光協同因數0.2（1≡全遮擋，0≡無遮擋）。

4）自然通風風速：5 ach。

實驗所得數據是保持其他參數不變時改變其中之一計算得出，對于給定參數的值，均進行兩項試驗：一是只采用空調制冷，一是采用夜間通風。在整個制冷季節結束后，計算采用夜間通風節約的能量。

2 結果及討論

以上述方式采用夜間自然通風，可減少5 %能耗，6 %空調安裝空間。將寫字間制冷原能耗作為標準，傳統能耗約為31 kW·h/m2，采用夜間通風每年可降低0.7～1.55 kW·h/m2。對于一個面積為5 000 m2的辦公室來說，相當于每年減少2～4 tCO2排放。建筑參數對節能的影響:

1）室內發熱：如圖1所示，散熱量越低，夜間通風越有效。

2）玻璃窗面積：如圖2所示，減少玻璃窗的面積會使夜間通風節能提高。

3）避光：提高避光可降低能耗。但在使用夜間通風時，節約的能量并不取決于避光面積的大小（圖3）。

圖1　室內熱量增加對夜間通風節能影響

圖2　玻璃窗面積對夜間通風節能影響

圖3　避光協同因數對夜間通風節能影響

3 結論

本文證明了在傳統空調寫字樓中使用夜間通風的樓層節能潛能，一些建筑、氣候及空調安裝參數對節能效果的影響被數值化。

如果將建筑參數按照“低能耗”設計原則進行優化，夜間通風的節能效果將會進一步得到提高，混凝土天棚、墻壁及其他可直接散熱方式將提高節能效果，減少玻璃窗的面積、降低室內發熱及增加氣密性將會更加節能，在這種情況下，機械通風會非常有效。

參考文獻：

[1] 李百戰,莊春龍,等. 相變墻體與夜間通風改善輕質建筑室內熱環境[J]. 土木建筑與環境工程,2009,31(3),109-113.

[2] 錢宇,張克.質量熱量同時傳遞過程的類比分析與計算機模擬[C].蘇州：中國工程熱物理學會年會,1985.

中圖分類號：TB69

文獻標識碼：B

文章編號：1004-7204（2016）02-0038-03

作者簡介:

尚城名（1979年2月-），男，滿族，籍貫：遼寧鳳城，大學本科，機械制造及其自動化專業，工程師，研究方向：冷凍冷藏保溫及存儲。

Cooling-energy Reduction of Air-conditioned Offi ces by Using Night Natural Ventilation

SHANG Cheng-ming1, ZHANG Yu-hui1, HE Jiang-hai2
(1. Panasonic Appliances Cold Chain (Dalian) Co., Ltd., Dalian 116600; 2. Dalian Sanyo High-Efficient Refrigeration System Co., Ltd., Dalian 116600)

Abstract：Night natural ventilation has been successfully applied to many passively-cooled or low-energy office buildings. This paper investigates the applicability of night natural ventilation in office buildings. A thermal and ventilation simulation model, together with suitable weather data were used to examine the energy saving and internal comfort conditions. It was found that natural ventilation strategies could save cooling-energy in typical air-conditioned office. Based on the principle of “the best” application, such as improving air-tightness, and minimization of internal and solar heat gains to improve building structure can effectively improve the energy saving of natural ventilation.

Key words：ventilation simulation model; refrigeration of air conditioning; energy saving