基于DeST-C的建筑夜間自然通風(fēng)節(jié)能潛力分析

摘 要：為了深入研究夜間建筑自然通風(fēng)對(duì)建筑節(jié)能的應(yīng)用潛力，文章設(shè)定了四種夜間自然通風(fēng)節(jié)能方案，并比較了不同通風(fēng)時(shí)段下建筑能耗與未進(jìn)行自然通風(fēng)時(shí)的能耗。最后，利用DeST-C軟件計(jì)算不同通風(fēng)方案下的冷負(fù)荷、熱負(fù)荷和節(jié)能效率。結(jié)果顯示，四種方案的節(jié)能效率依次為：方案1（3.3%）、方案3（2.9%）、方案4（2.8%）、方案2（1.6%）。分析結(jié)果顯示，方案3在1時(shí)至5時(shí)進(jìn)行夜間定時(shí)自然通風(fēng)時(shí)監(jiān)測(cè)效果最佳，而方案4在3時(shí)至6時(shí)的監(jiān)測(cè)效果次之。

關(guān)鍵詞：自然通風(fēng)；能耗；DeST-C；節(jié)能

中圖分類號(hào)：TU834"""""" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A"""""" 文章編號(hào)：2095-9699（2024）06-0012-05

中國(guó)建筑業(yè)自進(jìn)入21世紀(jì)以來，建筑能耗開始逐年提高，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，人們對(duì)于室內(nèi)舒適度的要求也越來越高。如何在保證室內(nèi)舒適度的前提下，降低建筑能耗成為當(dāng)前建筑業(yè)迫切需要解決的問題。

國(guó)內(nèi)外許多專家學(xué)者對(duì)自然通風(fēng)的節(jié)能潛力進(jìn)行了研究。馬曉雯^[1]分析了建筑在夏季可以采用室外自然通風(fēng)進(jìn)行降溫的切實(shí)可行性，驗(yàn)證了自然通風(fēng)的節(jié)能潛力，但并沒有給出具體的自然通風(fēng)的方案。趙曉穎^[2]分析了中國(guó)目前居住建筑自然通風(fēng)的利用現(xiàn)狀，但是對(duì)于具體的節(jié)能潛力在此基礎(chǔ)上未能深入探討。竟峰^[3]總結(jié)了中國(guó)部分城市住宅自然通風(fēng)利用潛力的各種影響因素，但未對(duì)節(jié)能潛力進(jìn)行分析。范衛(wèi)軍等^[4]闡述了自然通風(fēng)相關(guān)技術(shù)研究，并且有參考性地提出“建筑進(jìn)行自然通風(fēng)的條件不同，評(píng)價(jià)結(jié)果自然也不同”的觀點(diǎn)。彭云龍^[5]通過CFD數(shù)值模擬對(duì)不同建筑類型自然通風(fēng)控制效果進(jìn)行綜合模擬實(shí)驗(yàn)，但缺少夜間分析。胡悅^[6]采用了夜間室內(nèi)自然通風(fēng)來降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱量，但未進(jìn)一步分析間歇時(shí)段進(jìn)行夜間自然通風(fēng)的節(jié)能潛力。蔣綠林^[7]通過模擬軟件得出的夜間通風(fēng)建筑熱工設(shè)計(jì)和通風(fēng)策略是比較簡(jiǎn)化的物理模型，而實(shí)際建筑情況可能更加復(fù)雜，需在以后的研究中加以考慮。王燁^[8]在Fluent模擬計(jì)算軟件的基礎(chǔ)上，研究了不同濃度邊界下近零濃度的場(chǎng)內(nèi)空氣對(duì)室內(nèi)自然通風(fēng)造成的建筑能耗影響，但是未對(duì)影響因素進(jìn)行詳細(xì)的分析。Gil-Baez等^[9]人設(shè)計(jì)了一套使室內(nèi)環(huán)境溫度保持在相對(duì)舒適下的自然通風(fēng)系統(tǒng)，但僅提出自然通風(fēng)的管理方案，未對(duì)方案效果進(jìn)行詳細(xì)說明與分析。楊柳^[10]通過文獻(xiàn)調(diào)研與分析具體描述了中國(guó)相變蓄熱技術(shù)和夜間通風(fēng)技術(shù)的發(fā)展歷程，為夜間自然通風(fēng)降低建筑能耗的可行性提供了依據(jù)。盛紅暉^[11]對(duì)中國(guó)五個(gè)熱工性分區(qū)中的夏熱冬暖地區(qū)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)和節(jié)能潛力進(jìn)行了詳細(xì)的研究和分析。

夜間自然通風(fēng)不消耗任何不可再生資源，完全利用可再生資源降低建筑能耗，貼合國(guó)家“雙碳”目標(biāo)，為降低建筑能耗提供了新的理論依據(jù)。本研究基于建筑環(huán)境及空調(diào)系統(tǒng)模擬軟件（Designer's Simulation Toolkit，簡(jiǎn)稱DeST）的C模塊，以夏季室外氣象觀測(cè)參數(shù)為基準(zhǔn)，模擬分析了夏熱冬冷地區(qū)合肥辦公建筑夏季夜間自然通風(fēng)對(duì)建筑能耗的直接影響。文章中不同時(shí)段下的自然通風(fēng)主要是通過開窗時(shí)間的不同來實(shí)現(xiàn)，通過對(duì)比不同時(shí)段下的建筑能耗，分析出影響自然通風(fēng)節(jié)能潛力的因素，為后續(xù)如何降低建筑能耗提供了思路。

1 基本理論

主要針對(duì)夜間的自然通風(fēng)潛力、建筑節(jié)能等方面開展深入研究。模擬計(jì)算的基本氣象參數(shù)是以夏熱冬冷地區(qū)合肥夏季的室外氣象參數(shù)為基礎(chǔ)。對(duì)室內(nèi)冷負(fù)荷受自然通風(fēng)的影響進(jìn)行了分析和探究。

以下為文章中用到的空調(diào)冷負(fù)荷計(jì)算原理及相關(guān)公式：

冷負(fù)荷Qw如下：

Qw=KwFwtwp+△tfp+△tw-tn（1）

式（1）中，Kw表示外墻的導(dǎo)熱系數(shù)；Fw表示外墻的面積；twp表示室外夏季的日平均氣溫；△tfp表示外墻（或屋頂）輻射熱溫的平均值；△tw表示外墻室外溫度波動(dòng)部分的綜合負(fù)荷溫差；tn表示室內(nèi)的計(jì)算溫度^[12]。

外墻（或屋頂）輻射熱溫的平均值△tfp，計(jì)算如下：

△tfp=Jpραw（2）

式（2）中，Jp表示日平均輻射強(qiáng)度；ρ表示太陽(yáng)輻射熱在圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面的吸收系數(shù)；αw表示圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面放熱系數(shù) ^[12]。

門、窗及樓板冷負(fù)荷數(shù)值Q4，計(jì)算如下：

Q4=KFtwp+△tls-tn（3）

式（3）中，K表示門、窗及樓板的導(dǎo)熱系數(shù)；F表示圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)壁面面積或者地面面積；△tls表示夏季室外日平均溫度計(jì)算的差值^[12]。

2 模型建立及模擬條件設(shè)置

2.1 模型的建立

在DeST-C軟件中，建筑模型是根據(jù)模擬計(jì)算的要求而建立的。建筑的基本概況：地上4層，建筑面積2 143.2 m²，除首層高3.9 m外，其余層高3.6 m。

所建模型如圖1所示，中間2、3層為標(biāo)準(zhǔn)層，戶型與平面布局完全相同，為節(jié)省建模時(shí)間，只建立1層模型，但在模擬計(jì)算時(shí)標(biāo)注為2層進(jìn)行計(jì)算，具體樓層建立如圖2所示。

2.2 邊界條件

在DeST-C節(jié)能軟件中完成建模后，需根據(jù)國(guó)家相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范設(shè)置模型參數(shù)^[12]，具體設(shè)置如下：

使用DeST-C節(jié)能軟件，用戶可以直接導(dǎo)出選定的合肥夏季室外氣象參數(shù)，并利用這些參數(shù)作為基本條件，進(jìn)行模擬計(jì)算分析，從而模擬辦公建筑在合肥夏季的實(shí)際氣象環(huán)境下的性能，無需重新測(cè)量和計(jì)算合肥夏季室外氣象參數(shù)。

2.3 模擬方案

針對(duì)不同時(shí)段開窗時(shí)間設(shè)置了5種通風(fēng)換氣方案，以便更好、更準(zhǔn)確地分析夜間自然通風(fēng)對(duì)建筑能耗的影響。其中方案5為基準(zhǔn)方案，不進(jìn)行任何形式的自然通風(fēng)，作為其它4種通風(fēng)方案計(jì)算節(jié)能效率的對(duì)比項(xiàng)。不同通風(fēng)方案設(shè)置如表4所示。

方案1：夜間自然通風(fēng)的最佳時(shí)間是21時(shí)到次日6時(shí)，自然通風(fēng)時(shí)間是9個(gè)小時(shí)，中間要保證開窗。得出其方案1的建筑能耗，與方案5進(jìn)行對(duì)比。

方案2：減少夜間自然通風(fēng)時(shí)間是考慮到夏季夜晚存在著雷雨天氣的情況。21時(shí)至次日1時(shí)為夜間自然通風(fēng)換氣時(shí)間，換氣時(shí)間為4小時(shí)。得出其方案2的建筑能耗，與方案5進(jìn)行對(duì)比。

方案3：與上述方案2情況相同情況。減少夜間自然通風(fēng)開窗時(shí)間也同樣是考慮夏季夜間存在著雷雨天氣不適合進(jìn)行開窗通風(fēng)的時(shí)間。夜間自然通風(fēng)時(shí)間段為1時(shí)至5時(shí)，通風(fēng)時(shí)長(zhǎng)為4小時(shí)。得出其方案3的建筑能耗，與方案5進(jìn)行對(duì)比。

方案4：根據(jù)有關(guān)建筑規(guī)范的具體要求，辦公建筑早上8時(shí)前空調(diào)要開機(jī)，夜間自然通風(fēng)時(shí)間調(diào)整為3時(shí)至6時(shí)。得出其方案4的建筑能耗，與方案5進(jìn)行對(duì)比。

方案5：將門窗設(shè)置為完全緊閉，不進(jìn)行任何形式的通風(fēng)，以此計(jì)算出夜間的辦公建筑能耗。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 自然室溫對(duì)比分析

通過前文中相關(guān)參數(shù)的設(shè)置并建模，經(jīng)過DeST-C節(jié)能軟件的模擬計(jì)算，得出了在4種不同方案下進(jìn)行夜間自然通風(fēng)的室內(nèi)溫度變化情況。各通風(fēng)方案下的室內(nèi)溫度變化曲線，如圖3所示。

通過觀察圖3可以發(fā)現(xiàn)，無論是在何種條件下進(jìn)行夜間自然通風(fēng)，其室內(nèi)溫度都是下降的。夜間自然通風(fēng)換氣，其室內(nèi)溫度在21時(shí)至次日6時(shí)明顯下降，室內(nèi)降溫幅度約為7℃，對(duì)降低建筑能耗有明顯改善。

夜間自然通風(fēng)換氣在21時(shí)至次日1時(shí)進(jìn)行，其室內(nèi)溫度雖有所降低，但與夜間自然通風(fēng)換氣21時(shí)至次日6時(shí)相比，其室內(nèi)溫度下降幅度約為4.5℃，其效果要差得多。1時(shí)至5時(shí)，在夜間自然通風(fēng)的情況下，它的室內(nèi)溫度也有明顯下降，室內(nèi)溫度降低了6℃左右，但其效果相對(duì)于夜間整夜進(jìn)行自然通風(fēng)而言，仍然稍顯遜色。

3.2 建筑冷、熱負(fù)荷對(duì)比分析

文中5種方案的冷、熱負(fù)荷值都是在DeST-C的能耗模擬計(jì)算軟件的幫助下得出。具體冷熱負(fù)荷值如表5所示。

對(duì)表5進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)在方案1中，冷負(fù)荷能耗下降幅度較大。由此我們可以初步總結(jié)并得出夜間采用自然通風(fēng)方案可以降低辦公建筑能耗的結(jié)論。

接下來，觀察方案2、3、4發(fā)現(xiàn)，它們都可以達(dá)到降低建筑能耗的目的，從而減少室內(nèi)冷負(fù)荷。在全年室內(nèi)負(fù)荷降低方面，方案3表現(xiàn)最為顯著，方案4次之，而方案2的降低幅度相對(duì)較小。

通過上述分析，可以得出相關(guān)結(jié)論：不同的夜間時(shí)段進(jìn)行自然通風(fēng)，效果各有差異。1時(shí)至5時(shí)和3時(shí)至6時(shí)這兩個(gè)通風(fēng)時(shí)段，夜間自然通風(fēng)節(jié)能效果更顯著；同樣的夜間自然通風(fēng)方案3、4，由于不同時(shí)段的夜間自然通風(fēng)存在時(shí)間上的重復(fù)，自然通風(fēng)時(shí)長(zhǎng)也存在差異，因此我們無法通過對(duì)比兩種不同的方案來獲得效果上的明顯區(qū)別。

基于DeST-C節(jié)能軟件計(jì)算出空調(diào)全年建筑累計(jì)冷、熱負(fù)荷的具體計(jì)算數(shù)值，同時(shí)得出其全年建筑總負(fù)荷降低的具體計(jì)算數(shù)值，從而得出其節(jié)能效率。具體數(shù)值如表6所示。

從對(duì)比表6中統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以得出，雖然自然通風(fēng)方案1是夜間室內(nèi)自然通風(fēng)進(jìn)行時(shí)間最長(zhǎng)的，但其夜間效果也是最好的。方案1可以很好的證明，在夏季空調(diào)處于夏熱冬冷地區(qū)的情況下，在夜晚實(shí)施室內(nèi)自然通風(fēng)換氣，能夠顯著降低室內(nèi)溫度，進(jìn)而有效推遲夏季空調(diào)系統(tǒng)的正常啟動(dòng)時(shí)間，這有助于在夏季顯著降低建筑物的能耗。表中方案2、3、4是在和方案1的對(duì)比基礎(chǔ)上再次進(jìn)行對(duì)比分析不同時(shí)段的夜間自然通風(fēng)，其夜間效果肯定要差于方案1。但通過方案2、3、4的再次對(duì)比分析可以清楚地看出不同時(shí)段下進(jìn)行夜間自然通風(fēng)，室內(nèi)各種指標(biāo)的差異。通過分析表6中的數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)方案3效果最佳，即在1時(shí)至5時(shí)進(jìn)行夜間室內(nèi)自然通風(fēng)的各種情況下其節(jié)能效果最好。緊接著對(duì)表6中的方案4與3和方案2進(jìn)行再次對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)方案4的節(jié)能效果要明顯大于方案2。綜上所述可以得出4種自然通風(fēng)方案的節(jié)能效果：方案1效果最佳，方案3效果次之，方案4效果再次之，方案2效果最差。

4 結(jié)論

本文基于合肥夏季室外氣象參數(shù)，通過模擬計(jì)算分析，得出以下結(jié)論：

（1）具有整夜進(jìn)行自然通風(fēng)條件的辦公建筑，節(jié)能潛力最佳。在無法進(jìn)行整晚夜間自然通風(fēng)時(shí)，分時(shí)段進(jìn)行夜間自然通風(fēng)依然可以降低建筑能耗。其中，1時(shí)至5時(shí)這段時(shí)間，夜間自然通風(fēng)效果最佳。4種夜間自然通風(fēng)方案節(jié)能效果由優(yōu)到劣，分別為方案1、方案3、方案4、方案2。

（2）通過夜間持續(xù)9小時(shí)的自然通風(fēng)，全年累計(jì)冷負(fù)荷下降4 404.8 kW·h，節(jié)能效率約為4.9%。在空調(diào)季，冷負(fù)荷指標(biāo)降低了1.0 W/，節(jié)能效率提升約6.2%。此外，全年總負(fù)荷降低了4 404.2 kW，節(jié)能效率約為3.3%。

（3）夏熱冬冷地區(qū)辦公建筑進(jìn)行夜間自然通風(fēng)，在不影響辦公屬性的情況下，具有良好的節(jié)能潛力。為后續(xù)夏熱冬冷地區(qū)辦公建筑的節(jié)能潛力分析和既有建筑節(jié)能改造提供了良好的理論依據(jù)。

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責(zé)任編輯：肖祖銘

Analysis of Energy-saving Potentiality of Building Natural Ventilation at Night Based on DeST-C

ZHU Guotao1， HU Haowei2

（1School of Civil Engineering， Chuzhou Polytechnic， Chuzhou 239000， China;

2School of Environment and Energy Engineering， Anhui Jianzhu University， Hefei 230000， China）

Abstract：In order to explore the potentiality of using natural ventilation for energy-saving in buildings at night， four different window ventilation schemes are developed and the energy consumption of each scheme are compared to the energy consumption without natural ventilation during the night. And then， the cooling load， heat load and energy efficiency of each scheme are obtained with the DeST-C software. The results show that the energy-saving ratios are 3.3% for Scheme 1 ， 2.9% for Scheme 3 ， 2.8% for Scheme 4， and 1.6% for Scheme 2. The study shows that timed natural ventilation between 1：00 am and 5：00 am （Scheme 3） was the most effective in reducing energy consumption， followed by the time period from 3：00 am to 6：00 am （Scheme 4）.

Keywords：natural ventilation; energy consumption; DeST-C; energy-saving

基金項(xiàng)目：安徽省教育廳重點(diǎn)科研項(xiàng)目（2023AH053093、2022AH052654）；安徽省教育廳高等學(xué)校質(zhì)量工程項(xiàng)目（2021jyxm1081）

作者簡(jiǎn)介：朱國(guó)濤（1995—），男，安徽滁州人，助教，碩士，主要從事土木工程、建筑節(jié)能等相關(guān)研究。

通信作者：胡浩威（1986—），男，山東濰坊人，副教授，博士，主要從事建筑節(jié)能相關(guān)研究。