严寒地区病房空调系统夏季夜间运行策略研究

2020-08-03乔清锋周勃宋胜波李佳殷

建筑热能通风空调 2020年6期

乔清锋周勃宋胜波李佳殷

沈阳工业大学建筑与土木工程学院

0 引言

城市化的快速进程使得大量的公共建筑在城市中拔地而起，公共建筑等建筑所消耗的能源更大，充分利用自然能源和清洁能源,不仅可以改善室内空气品质,同时能够达到降低建筑能耗的目的[1]。夜间自然通风既可在过渡季节提供新鲜空气和降低室内温度，又可在制冷季节排除室内蓄热、减少空调使用时间[2-3]。

目前，学者们对重庆、上海等夏热冬冷城市和北京，西安等寒冷城市的高校宿舍、办公建筑、普通住宅的夜间通风节能效果做了研究[4-7]。研究结果显示，夜间通风减少空调的运行时间，降低建筑能耗，其节能效果主要受气候因素、围护结构蓄热性、室内得热量、通风方案的影响。夜间通风充分利用了自然清洁能源，改善室内空气品质的同时降低了建筑能耗，并使居住者获得更好的舒适体验。然而在严寒地区对于医院病房的夏季夜间自然通风的研究鲜有报道。

本文通过设计沈阳某医院病房夏季夜间自然通风方案，模拟其室内环境，并分析该医院病房夏季采用夜间通风后，室内温度及CO2的变化情况，与实测数据对比，进行节能性分析，计算节能率，为严寒地区空调系统的夏季夜间节能运行提供参考依据。

1 建筑基本概况

沈阳市某医院住院楼建于2002 年，主体建筑南北朝向，地上8 层，占地面积约1500 m2。住院楼包括普外科等7 个科室病房，病房床位约350 张，空调面积约9400 m2。夏季病房室内空调设计温度26 ℃，相对湿度≤65%，住院楼冷负荷517 kW，热负荷611 kW，主机选择2 台螺杆式机组，末端采用风机盘管制冷供暖。其中重症医学科（ICU）使用洁净空调，配备独立的冷热源。

经过课题组调查得知，住院楼内部分为多个科室，且对空调的使用时间存在差异，另外进出住院楼的医患人员流动异常频繁，病房夏季一般在晚上22:00 空调关机，直至次日上午8:00 开启空调。但是，部分病人考虑到住院费中包含空调费用，在夜间仍关窗关门并保持空调运行。由此在夜间病房温度低于22 ℃的情况下设备机组仍需处于运行状态。

2016 年课题组对医院住院楼的空调系统实施了能耗监测，2016 年该医院夏季空调运行期为6 月20日～9 月30 日，共计103 天，远远超过沈阳地区平均85 天的制冷期天数，该住院楼全年制冷平均电耗为25.42 kW·h/(a·m2)，是一幢空调能耗偏高的建筑。如表1 所示，热泵机组的电耗占总能耗的60.82%，水泵的电耗占总能耗的26.57%，风机盘管电耗占总能耗的12.61%。因此，减少热泵机组的运行时间可以大大降低运行费用，提高建筑节能率。

表1 2016 年住院楼制冷耗电量

2 病房的物理模型及数学假设

2.1 病房的物理模型

利用FLUENT 技术对满足夏季夜间通风条件的病房进行模拟分析。如图1 所示，通过Gambit 建立尺寸为7.8 m×3.6 m×3.3 m 的某病房几何模型。模拟结果取X=1.6 m 和Y=1.25 m 处截面，该模型简化了病人及室内家具，二氧化碳产生量按照人在休息状态下每分钟0.25 L 计算。

图1 某病房几何模型

2.2 病房的基本假设与数学模型

为方便计算，对病房计算模型作出了一些基本的假设[8]：

1）病房内的气流为定常流动，低速流动，不可压缩，满足Boussinesq 假设即流体密度变化仅对浮升力产生影响。

2）病房内气体流动为稳态流动。

3）空调送风为稳态湍流流动。

4）忽略固体壁面和物体间热辐射。

5）病房完全封闭，不考虑漏气的情况。

6）病房内空气为辐射透明介质。

速度与压力耦合采用SIMPLE 算法。病房空调通风状况模拟中湍流模型选用标准K-ε 双方程求解。

3 夜间通风方案设计

通过中国天气网选取沈阳2016 年7 月1 日、7 月15 日、8 月1 日、8 月15 日、8 月30 日夏季22:00-8:00几个典型的夜间温度如图2 所示。

图2 夜间逐时实测室外温度

由图2 可知，沈阳市7、8 月份最热月的室外干球温度在晚上22:00 后几乎均低于25 ℃，夜间室外最高温度27 ℃，最低温度13 ℃，昼夜大温差非常适合夜间自然通风。夜间0:00 的平均温度21.4 ℃，最低温度出现在凌晨4:00 左右，有利于延迟上午空调的开启时间。根据夜间实测数据知，沈阳市夜间室外温度高于27 ℃，相对湿度大于70%的小时数共计154 h，仅占夜间总小时数的14.95%。

结合以上数据和沈阳市夏季通风室外计算温度28.2 ℃，相对湿度65%的情况，初步确定夜间22:00-8:00 的室外平均温度tw和相对湿度Φ 在不同范围内时的夜间通风方案：

1）当tw≤25 ℃，具备较好的夜间自然通风条件，同时可考虑延迟上午空调的开启时间。

2）当25 ℃＜tw＜28 ℃，具备夜间通风潜力，需进一步分析通风方案。

3）当tw≥28 ℃，Φ≤70%或tw＞28 ℃，Φ＞70%，不具备夜间通风条件，考虑机械通风。

4 病房室内环境模拟与分析

4.1 自然通风

4.1.1 方案一室内环境模拟

当tw≤25 ℃具备夏季夜间通风条件时，关闭空调系统，此时自然通风速度取值0.5 m/s，进入室内温度取值25 ℃，得出的病房室内温度与CO2质量分数模拟结果如图3、图4 所示。

图3 不同截面温度云图

从图3 中可以看出，病房夏季夜间通风情况下，靠近窗户侧的室内温度普遍偏低，除局部区域温度高达27 ℃外，室内大部分温度处于26.6 ℃以下，满足室内病人对温度的要求，且有助于白天推迟制冷机组的启动时间、降低启动负荷。

图4 不同截面CO2 质量分数分布云图

由图4 可以看出，在病房夜间开窗关门条件下，室内CO2质量分数远远小于《室内空气质量指标》GB/1883-2002 中规定的0.1%。

4.1.2 方案二室内环境模拟

当25 ℃＜tw＜28 ℃同样具备夏季夜间通风条件时，关闭空调系统，此时自然通风速度仍取值0.5 m/s，进入室内温度取值26 ℃，得出的病房室内温度与CO2质量分数拟结果如图5、图6 所示。

图5 不同截面温度云图

图6 不同截面CO2 质量分数分布云图

从图5 中可以看出，病房夏季夜间通风情况下，病房室内靠近外窗侧温度普遍偏低，室内大部分处于26.6～27.5 ℃，只有极少数区域超过28 ℃，满足室内病人对温度的要求，且有助于白天推迟制冷机组的启动时间、降低启动负荷。

由图6 可以看出，在病房夜间开窗关门条件下，室内CO2质量分数远远小于《室内空气质量指标》GB/1883-2002 中规定的0.1%。

4.1.3 方案三室内环境模拟

当tw≥28 ℃，Φ≤70%或tw＞28 ℃，Φ＞70%病房夜间不具备自然通风条件，采取机械通风时，设定风口送风速度为4 m/s，设定送风温度与开窗关门条件下相同，得出病房室内温度与CO2质量分数模拟结果如图7、图8 所示。

由图7 可得，病房夏季夜间机械通风情况下，病房室内大部分区域温度处于27.5～27.7 ℃之间，极少数区域温度处于28.2 ℃附近，相比较与开窗关门条件下温度偏高，但满足室内病人对温度的要求。

由图8 可知，在病房夏季夜间机械通风条件下，室内CO2质量分数值相较与夜间开窗关门自然通风值情况下的质量分数要高，但仍低于《室内空气质量指标》GB/1883-2002 中CO2质量分数不得超过0.1%的限值。

图7 不同截面温度云图

图8 不同截面CO2 质量分数分布云图

3.3 病房室内环境实测数据情况

为了验证模拟结果的正确性，课题组对病房室内环境进行现场监测，如图9 所示，分别标明病房内的监测点A、B、C。

为确保数据的准确性，课题组将测试时间分为三个时段：23:00-24:00 夜间时段、24:00-8:00 夜间睡眠时段：8:00-9:00 清晨时段。使用TZS1361 记忆温湿度计、CO2质量分数记录仪、TY-9900 数字微风仪等仪器对夜间病房内温度、相对湿度、CO2质量分数、室内风速等数值进行监测。