夜间自然通风降低办公室空调制冷能耗

尚城名，张玉辉，何江海（.松下冷链（大连）有限公司，大连 6600；.大连三洋高效制冷系统有限公司，大连 6600）



夜间自然通风降低办公室空调制冷能耗

尚城名1，张玉辉1，何江海2
（1.松下冷链（大连）有限公司，大连 116600；2.大连三洋高效制冷系统有限公司，大连 116600）

摘要：夜间自然通风已经成功运用于许多被动制冷或低能耗写字楼中。介绍了夜间自然通风在写字楼中的适用性。在适当的温度条件下，建立热量计通风模型，以此来检验节能以及内部舒适度改善情况。研究发现，自然通风模式能够减少传统空调写字间的制冷能耗。采用“应用最佳”的原则，如提高气密性、内部发热及日晒生热的最小化等改善建筑结构能有效提高自然通风的节能性。

关键词：通风模型；空调制冷；节能

前言

1）写字楼的制冷能耗要求

在我国，建筑能耗占社会总能耗约27～30 %，安装空调的楼房比例也在逐年增加。因此，使用被动制冷方式减少空调器能耗从而减少CO2排放量的方式是势在必行的。另外，减少制冷最大能量，发电厂会受益。同时会减少空调安装空间，投资商也会受益。

2）夜间自然通风

夜间通风通过自然通风冷却建筑物外表面墙体，当建筑物内热量高时，冷却会更迅速[1]。而在白天热量会被墙体吸收，夜间通风 会通过四种方式对日间办公室室内环境产生影响：

①降低气温峰值；

②降低全天气温，特别是早晨的气温；

③降低石板温度；

④使室外气温最高时间与室内气温最高时间产生温差。

综合夜间通风与散热成为最受欢迎的技术之一。这种技术利用热、冷机温度气候来降低对空调的依赖，并改善建筑物内部的散热状况。这也标志着夜间通风散热将会广泛应用于低能耗建筑中。这意味着散热及夜间通风将会成为“绿色”写字楼的设计主流。然而，这种用于空调写字间技术的潜能还没有具体数据和实际应用的报道。

1 自然通风模拟节能

这篇文章介绍了在传统空调写字间应用夜间通风的潜能对节约的能量及减少的空调安装空间做出估计。使用热量气流模拟来计算传统空调写字间的节能潜能。

1.1自然通风节能模型

计算是局域BRE的热量模拟工程3TC[2]。使用这种方法，每个房间的热量随时间有三种变化形式。以每一个房间作为一个导热和储热的网络，用包括CIBSE的AM10方程求出风量，用预先设计的工具进行建模，这种工具特别为写字楼与气候设计，其目的是找出能量消耗对房间舒适度的影响。这些工具能够快速测量室内散热量的变化、风速、室内格局以及室外温度。

1.2 室外温度环境

为了是实验结果具有代表性，实验时间选定为整个制冷季节（5月-9月）。规定最高室外温度23.5 ℃，最低温度为14.5 ℃。代表风险度为5 %的中国东部实际气温。

1.3建筑模型

传统形式的10*6*3 m（长*宽*高）办公室单位为建筑模型。模型的位置位于一幢三层高的写字楼正中。各种建筑因素分别为（由外向内）：

1）墙体：3 mm厚铁板、气隙、100 mm隔热层、10 mm橡胶层。

2）窗户：双层玻璃，U=3.0 W/m2·K

3）隔层：5 mm橡胶，13 mm塑胶板、100 mm气隙、13 mm塑胶板、5 mm橡胶

4）天棚：

轻承重：12 mm威尔顿地毯、150 mm轻塑混凝土、400 mm气隙、20 mm玻璃纤维内衬、2 mm铁板

中承重：12 mm威尔顿地毯、20 mm胶合板、100 mm气隙、100 mm重塑混凝土、400 mm气隙、20 mm玻璃纤维内衬、2 mm铁板

重承重：12 mm威尔顿地毯、5 mm胶合板、20 mm气隙、300 mm混凝土

实验时间为周一至周五的8:00 am-18:00 pm，以及周六、日的8:00 am-12:30 pm。

1.4 日间制冷系统

日间制冷即使用空调进行制冷，白天为打造舒适的工作环境，开启空调进行制冷，将空调出风口温度调整为不低于26 ℃的冷风。在为办公楼提供舒适环境的同时，会造成电能的消耗。本次实验对比的日间制冷为：选择COP为3.0的风冷空调，根据惯例，送风机的比功率为1 W/ls，出风机的比功率为0.75 W/ls。

1.5 夜间制冷系统

夜间制冷将白天吸收了大量热量的办公楼通过自然通风的方式实现热量的交换，以便室内以及墙壁等温度达到较低值，白天开启空调进行制冷具有更小的热负荷。通过夜间制冷与传统方式相比，分析夜间制冷降低能耗的可行性。实验中采用了几种不同的夜间制冷系统，三种自然通风形式（单侧通风、交叉通风及堆积通风）。在实验过程中需要使用一些合理控制来避免过冷，设定整夜通风，在7∶00 am由定时器切断，以防下列情况出现：

1）室内温度下降到18 ℃；

2）室内外温差大于12 ℃。

1.6实验参数

为了检测各项参数对夜间通风效果的影响，通过将每个研究参数指定相关值的方式，设计了一个关联实验。检测参数的给定值如下：

1）室内散热：30 W/m2。此时被动制冷建筑物中的夜间通风效率最高。

2）玻璃窗覆盖面积：60 %，在使用大窗户的写字间情况具有代表性。

3）避光：避光协同因数0.2（1≡全遮挡，0≡无遮挡）。

4）自然通风风速：5 ach。

实验所得数据是保持其他参数不变时改变其中之一计算得出，对于给定参数的值，均进行两项试验：一是只采用空调制冷，一是采用夜间通风。在整个制冷季节结束后，计算采用夜间通风节约的能量。

2 结果及讨论

以上述方式采用夜间自然通风，可减少5 %能耗，6 %空调安装空间。将写字间制冷原能耗作为标准，传统能耗约为31 kW·h/m2，采用夜间通风每年可降低0.7～1.55 kW·h/m2。对于一个面积为5 000 m2的办公室来说，相当于每年减少2～4 tCO2排放。建筑参数对节能的影响:

1）室内发热：如图1所示，散热量越低，夜间通风越有效。

2）玻璃窗面积：如图2所示，减少玻璃窗的面积会使夜间通风节能提高。

3）避光：提高避光可降低能耗。但在使用夜间通风时，节约的能量并不取决于避光面积的大小（图3）。

图1　室内热量增加对夜间通风节能影响

图2　玻璃窗面积对夜间通风节能影响

图3　避光协同因数对夜间通风节能影响

3 结论

本文证明了在传统空调写字楼中使用夜间通风的楼层节能潜能，一些建筑、气候及空调安装参数对节能效果的影响被数值化。

如果将建筑参数按照“低能耗”设计原则进行优化，夜间通风的节能效果将会进一步得到提高，混凝土天棚、墙壁及其他可直接散热方式将提高节能效果，减少玻璃窗的面积、降低室内发热及增加气密性将会更加节能，在这种情况下，机械通风会非常有效。

参考文献：

[1] 李百战,庄春龙,等. 相变墙体与夜间通风改善轻质建筑室内热环境[J]. 土木建筑与环境工程,2009,31(3),109-113.

[2] 钱宇,张克.质量热量同时传递过程的类比分析与计算机模拟[C].苏州：中国工程热物理学会年会,1985.

中图分类号：TB69

文献标识码：B

文章编号：1004-7204（2016）02-0038-03

作者简介:

尚城名（1979年2月-），男，满族，籍贯：辽宁凤城，大学本科，机械制造及其自动化专业，工程师，研究方向：冷冻冷藏保温及存储。

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