安徽典型城市辦公建筑空調(diào)季夜間通風(fēng)潛力研究

林文定 程海峰 林媛 張舉

1 安徽建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院

2 安徽建筑大學(xué)設(shè)計(jì)研究總院

3 安徽建筑大學(xué)節(jié)能研究院

1 引言

目前，我國(guó)公共建筑能耗占建筑總能耗的 33%[1]，而大量使用夏季空調(diào)系統(tǒng)的辦公建筑的增加，是其能耗增長(zhǎng)的重要原因。如何在保證熱舒適標(biāo)準(zhǔn)、室內(nèi)空氣品質(zhì)的前提下，提高夏季辦公建筑的節(jié)能率和減少碳排放成了一個(gè)難題。其中夜間通風(fēng)蓄冷被認(rèn)為是一種有效、綠色的被動(dòng)式建筑節(jié)能策略[2]。

各地區(qū)由于氣候條件的差異，夜間通風(fēng)的節(jié)能降溫潛力和適用性有所不同[3]，其中安徽地區(qū)關(guān)于辦公建筑夜間通風(fēng)潛力的研究較少。本文利用 1990-2019年的逐日氣象要素計(jì)算分析安徽三個(gè)典型城市的空氣溫濕度分布規(guī)律及差異，并利用部分逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)，結(jié)合空氣熱濕狀態(tài)與風(fēng)環(huán)境分析，開展夜間通風(fēng)適用性評(píng)估并比較三個(gè)典型城市辦公建筑空調(diào)季夜間通風(fēng)降溫的節(jié)能潛力，為研究地區(qū)溫濕度氣候特征提供一定的基礎(chǔ)資料，也為地區(qū)辦公建筑通風(fēng)節(jié)能提供可靠的指導(dǎo)依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)與構(gòu)成方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)來自國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供的中國(guó)地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集（V3.0）和中國(guó)地面氣象站逐小時(shí)觀測(cè)資料，本文利用其中 1990-2019 年安徽三個(gè)典型城市氣象站點(diǎn)的逐日和逐時(shí)平均氣溫、相對(duì)濕度等要素進(jìn)行分析。研究的三個(gè)城市分別為宿州、合肥、黃山（屯溪），氣象站點(diǎn)的選擇按照皖北、皖中、皖南空間位置規(guī)律分布，能代表安徽地區(qū)平原、丘陵、山區(qū)等不同地貌特征，具有典型性，能滿足實(shí)際研究需要。

2.2 典型氣象年的構(gòu)成

為反映某地長(zhǎng)期的氣象特征，避免氣象環(huán)境的隨機(jī)性帶來的誤差，需要以近 30 年的氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)，在近10 年中挑選出具有代表性的“ 平均月”建立典型氣象年[4]。所以本文以1990-2019 年的氣象統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在2010-2019 年中挑選“ 平均月”組成典型氣象年，以確保研究的時(shí)效性、代表性。挑選方法如下：

①統(tǒng)計(jì)出1990-2019 年每年每月兩參數(shù)的Xi,m,y平均值，i為挑選氣象參數(shù)，其中i1為平均氣溫，i2為平均相對(duì)濕度，m為月份序號(hào)，y為年份序號(hào)。

②計(jì)算每月兩參數(shù)的累年平均值，及標(biāo)準(zhǔn)差Si,m。

③將兩參數(shù)的平均值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理：

④初選平均月：如2010-2019 年間某一年m月的平均值與該月的累年平均值的差值小于等于該月標(biāo)準(zhǔn)差，即|ηi,m,y| ≤1，則該年該月有條件成為“ 平均月”。

⑤如果2010-2019 年間有若干年份的m月都能滿足初選平均月的條件，則對(duì)這些年份的m月的ηi,m,y進(jìn)行加權(quán)求和，即計(jì)算Dm。

式中：Ki——兩個(gè)參數(shù)的權(quán)重系數(shù)。

事實(shí)上，“平均月”挑選參數(shù)以及權(quán)重系數(shù)都是根據(jù)典型氣象年的應(yīng)用目的而定，并沒有一個(gè)完全恰當(dāng)?shù)摹⒋_定的標(biāo)準(zhǔn)。本文的目的是為了研究地區(qū)空氣溫濕度分布規(guī)律、差異與分析辦公建筑節(jié)能潛力，對(duì)此造成影響的主要?dú)庀笠貫槠骄鶜鉁亍⑵骄鄬?duì)濕度。熱濕環(huán)境中受太陽(yáng)輻射影響的日平均相對(duì)濕度與日平均溫度的權(quán)重因子應(yīng)該是一致的，其權(quán)重系數(shù)Ki均可設(shè)為1/2[5,6]，最后計(jì)算選擇Dm值最小的月份作為該月的“ 平均月”。

2.3 含濕量與焓值的構(gòu)成

2.3.1 含濕量

在含有 1 kg 質(zhì)量干空氣的濕空氣中所混有水蒸氣的質(zhì)量，稱為濕空氣的含濕量，用符號(hào)d表示。

式中：φ— 室外相對(duì)濕度；B—當(dāng)?shù)卮髿鈮海琍 a；ps—飽和水汽壓，P a。

d確切反映了空氣中含有水蒸氣量的多少，而飽和水汽壓ps是計(jì)算含濕量的關(guān)鍵參數(shù)。目前有多個(gè)飽和水汽壓的計(jì)算公式，通過不同公式的比較與分析，對(duì)于室外溫度都為0 ℃以上的情況下，采用計(jì)算方便、誤差不大的馬格努斯（Magnus）公式[7]。這也是國(guó)家氣象局推薦的飽和水汽壓計(jì)算公式，其形式簡(jiǎn)潔，計(jì)算方便，主要用于水面上飽和水汽壓的計(jì)算[8]：

式中：p0=6.11 hPa，是0 ℃時(shí)的飽和水汽壓；t——溫度，℃。

所以最終含濕量計(jì)算公式為：

2.3.2 焓值

焓值是指空氣中含有的總熱量。濕空氣焓值等于1 kg 干空氣的焓值與dkg 水蒸氣焓值之和，計(jì)算方法如式6。

式中：h—焓值，kJ/kg；t— 空氣溫度，℃；d—空氣的含濕量，g/kg。

3 分析與討論

3.1 典型城市氣象年

根據(jù)典型氣象年構(gòu)成方法，三個(gè)城市典型氣象年的平均月構(gòu)成如表1 所示。

表1 三個(gè)城市典型氣象年月份構(gòu)成

3.2 典型城市空氣溫濕度分布規(guī)律與差異

為研究三城市典型氣象年的溫濕度分布規(guī)律與差異，分別計(jì)算其典型氣象年平均月與四季的平均相對(duì)濕度、平均溫度、含濕量與焓值。計(jì)算數(shù)據(jù)列在表2與表3。

表2 三個(gè)城市典型氣象年構(gòu)成月份的平均相對(duì)濕度、平均溫度、含濕量、焓值

表3 三個(gè)城市典型氣象年四季平均相對(duì)濕度、平均溫度、含濕量、焓值

為區(qū)別于數(shù)據(jù)表格，做進(jìn)一步直觀、精確地比較，利用origin 軟件做出一種新的表達(dá)圖示對(duì)上表數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

從圖1 可以直接看出全年的平均相對(duì)濕度從屯溪到合肥再到宿州是依次降低的，且屯溪各月份分布相對(duì)均衡，而合肥和宿州在7、8月份的相對(duì)濕度明顯相比于其他月份更加突出；合肥、宿州的最大平均相對(duì)濕度出現(xiàn)在7月，屯溪出現(xiàn)在6月，其值都在81%左右。

圖1 三城市典型氣象年平均相對(duì)濕度比較圖

由圖2、3、4 得知，與平均相對(duì)濕度分布規(guī)律明顯不同，三個(gè)典型城市全年各月份的的平均溫度、含濕量與焓值變化規(guī)律相似，且相同月份的同一參數(shù)在數(shù)值上差別不大，都在 1月最低，7月最高，全年合肥和屯溪平均值相對(duì)接近，宿州則略低于這兩個(gè)城市，這也表明含濕量與焓值的大小規(guī)律主要受溫度影響。此外，除8月份平均溫度、含濕量、空氣焓值合肥大于屯溪外，其余月份都是屯溪＞合肥＞宿州。在6月，宿州的溫度異常的要比合肥、屯溪高。

圖2 三城市典型氣象年平均溫度比較圖

圖3 三城市典型氣象年含濕量比較圖

圖4 三城市典型氣象年焓值比較圖

從圖5 四季分布上來看各城市季節(jié)變化比較符合夏熱冬冷地區(qū)的特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)合肥的夏季平均相對(duì)濕度、平均溫度、含濕量與焓值異常的高，其余季節(jié)都是屯溪＞合肥＞宿州的規(guī)律，夏季是合肥 ＞屯溪 ＞宿州的規(guī)律。

圖5 三城市典型氣象年四季分布比較圖

由三個(gè)典型城市氣象年空氣溫濕度分布可知，夏季與其他季節(jié)相比溫濕度特征明顯，集中分布的高溫高濕室外空氣使得空調(diào)能耗更大，單位面積上的能耗約是冬季的2～3 倍[9]。因此，研究夜間通風(fēng)降低夏季辦公建筑能耗的節(jié)能潛力是很有必要的。

3.3 典型城市辦公建筑空調(diào)季夜間通風(fēng)潛力分析

3.3.1 空調(diào)季的時(shí)間范圍

安徽省屬于典型的夏熱冬冷地區(qū)，辦公建筑空調(diào)開啟時(shí)間一般集中在夏季6-8月。但是受全球氣候變暖影響，更加暖濕的氣候條件使得華東等濕度較高地區(qū)有必要延長(zhǎng)空調(diào)開啟時(shí)間[10]，且在本文 3.2 節(jié)典型城市氣象年的溫濕度分布上也可看出9月熱濕參數(shù)比較高。因此本文先研究9月份安徽三個(gè)典型城市室外空氣的熱濕狀態(tài)與分布特點(diǎn)，分析具體的空調(diào)季延長(zhǎng)時(shí)間。

按照室內(nèi)環(huán)境人體舒適度與節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)要求，夏熱冬冷地區(qū)室外空氣熱濕狀態(tài)分為不同的舒適區(qū)，一級(jí)舒適區(qū)標(biāo)準(zhǔn)較高，相對(duì)應(yīng)的熱濕區(qū)間中室外空氣平均溫度t區(qū)間為 22-26 ℃，平均相對(duì)濕度φ區(qū)間為 30%-60%[11]，同時(shí)含濕量舒適區(qū)間經(jīng)過計(jì)算在 4.92-12.68 g/kg。

結(jié)果如圖6 所示，9月上旬太陽(yáng)輻射作用相較夏季6-8月雖有所降低，但是三個(gè)典型城市的室外空氣溫度下降幅度不大，濕度基本上沒有降低。整個(gè)室外空氣多集中在中溫高濕、高溫高濕區(qū)域。這種情況下引入室外空氣自然通風(fēng)會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)濕度變高、熱舒適感降低，仍應(yīng)該采用空調(diào)系統(tǒng)降溫除濕。9月下旬的情況則稍顯復(fù)雜，宿州和屯溪室外空氣溫濕度相比較 9月上旬都呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，有一定的自然通風(fēng)節(jié)能潛力。但是合肥的室外空氣在 9月 15-24 號(hào)仍處于中高溫，且濕度持續(xù)上升的狀態(tài)，在25-30 號(hào)溫度才有所下降、濕度仍較高。雖然 9月一般屬于過渡季節(jié)的通風(fēng)月，但是綜合近年來地區(qū)實(shí)際情況與室外空氣溫濕度特點(diǎn)，9月部分時(shí)間還是應(yīng)該被劃分到空調(diào)季，因此本次研究將宿州和屯溪空調(diào)季的時(shí)間范圍定在 6.1-9.15 日共108 天，合肥則時(shí)間略長(zhǎng)定在6.1-9.24 日共117 天。

圖6 三個(gè)典型城市9月室外空氣逐時(shí)溫濕參數(shù)

3.3.2 空調(diào)季的熱濕特點(diǎn)

由表 4 可以看出，三個(gè)城市處于一級(jí)熱濕舒適區(qū)間的累積小時(shí)數(shù)占比都很低，僅占0.52%-1.93%。室外空氣熱濕狀態(tài)主要集中在高溫高濕、中溫高濕、低溫高濕三個(gè)區(qū)域，占比約為 82.62%-86.33%，三個(gè)城市的室外空氣處于高溫高濕時(shí)數(shù)都是最多的，也可以看出高溫、高濕是這些城市的共同特征，這也符合夏熱冬冷地區(qū)的氣候特點(diǎn)。從對(duì)應(yīng)的空氣熱濕狀態(tài)累積時(shí)數(shù)上來看，高溫高濕區(qū)域合肥累積時(shí)數(shù)最多，中溫高濕區(qū)域屯溪累積時(shí)數(shù)最多，低溫高濕區(qū)域宿州累積時(shí)數(shù)最多，這也與3.2 節(jié)分析的三個(gè)典型城市氣象年的溫濕度分布規(guī)律相符。對(duì)于高溫高濕狀態(tài)的室外空氣，目前這幾個(gè)地區(qū)最常用的處理技術(shù)還是利用空調(diào)系統(tǒng)降溫降濕。三個(gè)城市在空調(diào)季白天室外空氣基本上都處于高溫高濕狀態(tài)，日間溫度較高，最高溫度甚至可達(dá)到 40 ℃左右，具有很高的降溫需求，其日較差比較大，夜間自然通風(fēng)也較為適宜，有一定的節(jié)能與熱舒適潛力。由此進(jìn)一步分析三個(gè)典型城市空調(diào)季節(jié)夜間室外空氣熱濕狀態(tài)。

表4 三個(gè)典型城市空調(diào)季室外空氣狀態(tài)在熱濕區(qū)域的累積時(shí)數(shù)

3.3.3 空調(diào)季的夜間通風(fēng)降溫

①夜間熱濕環(huán)境分析

對(duì)于辦公建筑而言，夜晚基本無人工作的作息特點(diǎn)為夜間自然通風(fēng)蓄冷提供了良好的前提條件。結(jié)合三個(gè)城市的夏季溫濕特點(diǎn)與其他文獻(xiàn)的通風(fēng)方案，研究夜間通風(fēng)時(shí)間區(qū)間為晚20:00-次日7:00[12,13]。

分析表 5 可知，三個(gè)城市空調(diào)季夜間室外空氣熱濕狀態(tài)大部分集中在中溫高濕、低溫高濕區(qū)域，溫度低于辦公建筑在自然通風(fēng)房間的上限28 ℃[14]，同時(shí)也有一部分處于高溫高濕區(qū)域，時(shí)數(shù)占比為27.87%-36.9%，直接處于舒適區(qū)的時(shí)數(shù)非常少。在高濕的情況下，持續(xù)自然通風(fēng)是必須的，中低溫的室外空氣引入辦公建筑室內(nèi)，可以帶走日間建筑儲(chǔ)存的余熱從而降低室內(nèi)空氣溫度，進(jìn)行預(yù)冷和蓄冷，推遲第二天空調(diào)開啟時(shí)間、降低啟動(dòng)負(fù)荷，以此實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。另一方面也能有效改善室內(nèi)熱舒適度與提高空氣品質(zhì)。從單個(gè)城市熱濕區(qū)域累積時(shí)數(shù)來看，舒適區(qū)和低溫高濕區(qū)域累積時(shí)數(shù)宿州 ＞ 合肥 ＞ 屯溪，處于中溫高濕、低溫高濕區(qū)域的累積時(shí)數(shù)宿州最多，合肥比屯溪略多一點(diǎn)，此外，不利于通風(fēng)節(jié)能的高溫高濕、高溫中濕區(qū)域累積時(shí)數(shù)合肥＞宿州＞屯溪。從夜間室外空氣熱濕狀態(tài)分布區(qū)域累積時(shí)數(shù)上來看，宿州的降溫節(jié)能潛力最大，屯溪和合肥節(jié)能潛力相當(dāng)，差別不大。

表5 三個(gè)典型城市空調(diào)季夜間室外空氣狀態(tài)在熱濕區(qū)域的累積時(shí)數(shù)

②夜間風(fēng)環(huán)境分析

利用典型氣象年數(shù)據(jù)分析三個(gè)城市空調(diào)季的夜間風(fēng)環(huán)境，根據(jù)風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)做出城市夜間風(fēng)速分布圖與夜間風(fēng)玫瑰圖[15]，從圖7、圖8 可以看出三個(gè)城市的靜風(fēng)率都很低，風(fēng)力資源比較充足，夜間自然通風(fēng)有足夠的潛力，且夜間風(fēng)向?qū)ㄖL(fēng)也有一定利用價(jià)值。其中屯溪夜間大部分時(shí)間處于軟風(fēng)狀態(tài)，平均風(fēng)速0.93 m/s，盛行SW 風(fēng)，該風(fēng)向平均風(fēng)速為 1.18 m/s。合肥市夜間大部分時(shí)間風(fēng)速處于軟風(fēng)與輕風(fēng)狀態(tài)，平均風(fēng)速 1.54 m/s，盛行 ENE 風(fēng)，風(fēng)向平均風(fēng)速為2.04 m/s。宿州市夜間風(fēng)速大部分時(shí)間也處于軟風(fēng)或輕風(fēng)，平均風(fēng)速 1.55 m/s，盛行 E 風(fēng)，該風(fēng)向平均風(fēng)速為1.84 m/s。研究表明，在風(fēng)速為1.5-2.5 m/s 的情況下，能較好滿足室內(nèi)熱濕舒適的要求[14,16]，所以從風(fēng)環(huán)境分析上來看，不同城市風(fēng)能資源利用的建筑朝向各有不同，應(yīng)合理布局建筑朝向來利用好夜間自然風(fēng)力資源，夜間自然通風(fēng)潛力大小為宿州＞合肥＞屯溪。

圖7 三個(gè)典型城市空調(diào)季夜間風(fēng)速分布

圖8 三個(gè)典型城市空調(diào)季夜間風(fēng)玫瑰圖

結(jié)合夜間室外空氣熱濕區(qū)域分布累積時(shí)數(shù)與風(fēng)環(huán)境共同分析，總體上三個(gè)城市辦公建筑夜間自然通風(fēng)降溫蓄冷的節(jié)能潛力較大。其通風(fēng)節(jié)能潛力大小依次為宿州＞合肥＞屯溪。

4 結(jié)論

1）屯溪到合肥再到宿州全年平均相對(duì)濕度依次降低，屯溪全年濕度均衡且較高。三個(gè)典型城市含濕量與焓值的大小主要受溫度影響，使其變化規(guī)律與溫度相似，且城市間相同月份的同一參數(shù)在數(shù)值上差別不大，全年合肥和屯溪平均值相對(duì)接近，宿州則略低于這兩個(gè)城市。

2）三個(gè)城市夏季熱濕參數(shù)分布普遍較高，8月合肥平均相對(duì)濕度、平均溫度、含濕量與焓值比其他城市都高，導(dǎo)致夏季每一熱濕參數(shù)大小規(guī)律都為合肥＞屯溪＞宿州，其余季節(jié)都是屯溪＞合肥＞宿州。

3）9月高溫高濕天數(shù)的增加，使得三個(gè)典型城市空調(diào)季時(shí)間各有延長(zhǎng)，宿州和屯溪空調(diào)季的時(shí)間范圍在 6.1-9.15 日間共 108 天，合肥則在 6.1-9.24 日間共計(jì)117 天。

4）空調(diào)季研究夜間通風(fēng)時(shí)間區(qū)間為晚 20:00—次日 7:00，其室外空氣狀態(tài)主要集中在中溫高濕、低溫高濕，夜間自然通風(fēng)適宜性較高，具有一定節(jié)能潛力。

5）從夜間的室外空氣熱濕狀態(tài)分布累積時(shí)數(shù)分析可得宿州的降溫節(jié)能潛力最大，屯溪和合肥節(jié)能潛力相當(dāng)，差別不大。從風(fēng)環(huán)境分析得三城市針對(duì)建筑朝向可利用的風(fēng)向風(fēng)力資源各有不同，自然通風(fēng)潛力大小分別為宿州＞合肥＞屯溪。二者綜合分析：總體上三個(gè)典型城市辦公建筑夜間自然通風(fēng)降溫的節(jié)能潛力較大，其潛力大小依次為宿州＞合肥＞屯溪。