基于Designbuilder对上海某博物馆夜间通风的模拟分析

2021-07-14葛海亮马进伟王晏平余红海王思璐刘之欣杜涛

节能技术 2021年3期

葛海亮,马进伟,王晏平,高峰,余红海,王思璐,刘之欣,杜涛

(1.深圳市建筑设计研究总院合肥分院，安徽合肥 230000;2.安徽建筑大学环境与能源工程学院，安徽合肥 230000;3.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥 230000;4.安徽建筑大学建筑室内热湿环境实验室，安徽合肥 230601;5.安徽省建筑设计研究总院股份有限公司，安徽合肥 230000)

0 引言

我国建筑能耗占社会总能耗的比例较大，建筑节能逐渐成为当代建筑科学技术一个新的生长点[1]。未来30年的节能量仍需依靠新节能技术实现，加大新技术的研发和应用成为主要手段[2]。夜间通风是一种利用夜间室内外存在温差，通过引入低于室温的室外空气，使其与室内空气、围护结构、家具等对流换热进行预冷和蓄冷的节能技术[3]。在降低白天空调开机能耗的同时，还能对室内有效换气，稀释室内污染物，改善人居环境。该技术能够利用峰谷电价节省电费，对电网“移峰填谷”。夜间通风的节能效果与气候条件、建筑构造热工性能、通风策略等因素有关[4]。Artmann等人提出一种能够衡量夜间通风降温能力的新方法，即通风降温潜力(CCP)[5]。西安建筑科技大学杨柳基于我国不同地域气候特征, 通过CCP分析，得出我国大部分地区都在适宜采用夜间通风降温策略的范围内[6]。同济大学裴晓梅通过现场实测与理论分析得出：上海地区夜间强化通风可达到降温效果[7]。本文以上海某博物馆为例，通过Designbuilder能耗模拟软件，模拟分析了该建筑相比夜间不通风模式下，通过全空气系统夜间进行通风预冷的节能效果。

1 模拟工具与建筑模型

1.1 模拟软件

本文利用Designbuilder能耗模拟软件建模并进行模拟分析。Designbuilder是一款由英国DesignBuilder公司开发，可对建筑采暖、制冷、照明、通风、采光等进行全年能耗模拟分析和经济分析的软件。它是专门针对EnergyPlus建筑能耗动态模拟引擎开发的综合用户图形界面模拟软件[8]。其借助于EnergyPlus对建筑能耗逐时模拟引擎，采用房间热平衡法计算负荷。热平衡法根据能量守恒定律计算建筑能耗，由建筑外表面热平衡、建筑体热平衡、内表面热平衡和室内空气热平衡方程式组成，并联立求解各表面和室内空气温度，知道温度便可计算室内冷热负荷，描述方程如式(1)和(2)[9]

(1)

(2)

式中qi(t)——第i个表面t时刻的得热量/kW·m-2；

hi——第i个表面换热系数/kW·m-2·℃-1；

hri,k——表面i，k间的辐射换热系数/kW·m-2·℃-1；

Si——i表面的面积/m2；

Ri——第i个表面的辐射吸收量/kW·m-2；

Q(t)——t时刻冷负荷/kW；

m(t)——t时刻新风量/kg·s-1；

QS(t)——t时刻室内热源发热量/kW·m-2；

Cp——定压比热/kJ·kg-1；

Ti(t)——第i个内表面温度/℃。

1.2 建筑模型

该博物馆位于夏热冬冷地区的上海市，靠近东海，建筑面积约46 434 m2，空调设计面积约29 554 m2。建筑共4层，一至三层层高6 m，四层层高5.95 m。其中两侧总高度23.95 m，中间船帆体高度70.60 m；一层主要功能为恒温恒湿展区、恒温恒湿库房、小班教室和展区；二层主要功能为电影院、会议室和展区；三层主要功能为天象馆、会议室和展区；四层主要功能为展区，博物馆开馆时间为9:30-17:00。Designbuilder建立模型如图1。

图1 Designbuilder建模效果图

2 夜间通风条件分析

2.1 建筑构造热工性能

该博物馆建筑构造热工参数如表1，结合《公共建筑节能设计标准》GB50189-2015建筑热工参数限值，该博物馆外墙限值为0.8 W/(m2·K)，本设计选用值为0.66 W/(m2·K)；屋面限值为0.5 W/(m2·K)，本设计选用值为0.49 W/(m2·K)；外窗限值为1.8 W/(m2·K)，本设计选用值为1.61 W/(m2·K)[10]，各围护结构传热系数均较低，传热延迟较长，保温性能较好。该博物馆可开窗面积小，建筑入口为双道外门，《建筑外门窗气密、水密、抗风压性能分级及检测方法》GB/T7106-2008限制该类建筑气密性不应低于6级，即1.5 m3/(m·h)≥气密性值≥1 m3/(m·h)[11]，气密性较好。该建筑构造特点为：具有较大的帆体结构，其由大面积幕墙和幕窗构成，且屋顶面积大，故外围护结构获得较多的辐射得热使建筑蓄热量增大。综上，该博物馆良好的保温性、气密性，可能导致围护结构白天所蓄存的大量热量在夜间无法完全释放，增加白天空调开机负荷。综上，建筑构造良好的保温性、气密性为夜间通风技术创造了应用条件。

表1 建筑构造热工参数

2.2 气候条件与空调系统

太阳辐射在夏季最热月最强，围护结构蓄热量因此增加，而最热月夜间室外平均温度较其它月最高，故最热月为夜间通风预冷技术的最不利气候条件；同济大学李峥嵘教授研究了上海地区晚上8点至次日7点时间段办公建筑通风降温技术的节能效果，得出夜间通风能够显著地减小室内热源对空调开机负荷的影响[12]。本方案以全年最热的七、八月为例，分析在不通风情况下，夜间10点至次日6点时间段室内逐时平均辐射温度与室外逐时干球温度关系。通过Designbuilder能耗模拟软件获取上海市典型气象年夜间室外逐时干球温度，并结合该博物馆不通风模式下全年能耗模拟结果获取室内逐时平均辐射温度，得出两者关系如图2。由图可知上海最热两个月夜间室外逐时干球温度基本都小于对应室内平均辐射温度，经统计，81.8%的时间段两者温差大于2 K，故室内外温差优势有利于该博物馆夜间通风技术应用。

图2 室外干球温度与室内平均辐射温度

海陆风是一种受海陆热力性质差异影响形成的大气运动形式。日落以后，陆地降温比海洋快，到了夜间海上气温高于陆地，陆地形成高压，海洋形成低压，近地面空气在水平气压梯度力作用下由陆地流向海洋，形成陆风[13]。而该博物馆位置靠海，海陆风能够有效改善建筑物周围风环境，保证夜间排风能被及时带走，进风受排风影响较小。

《博物馆建筑设计规范》JGJ66-2015第10.3.5规定：博物馆的陈列展览区、藏品库区和公众集中活动区宜采用全空气系统[14]。该博物馆大多数功能区均采用了全空气系统，当夜间室外温度低于室内平均辐射温度时，对相互连通的展区进行全新风运行，只需开启风机而不用冷机。由于全新风运行将导致室内正压过大而送风困难，在夜间通风预冷期间可联动电动排风窗开启，通过风压、热压将室内热量由建筑上部窗口排出。即：空调系统的设计为该建筑夜间通风技术提供了设备条件。

3 模拟结果与分析

利用Designbuilder软件分别模拟该博物馆夜间不通风和通风模式下的全年能耗并对比分析。由于各展区均采用定风量全空气系统，故将各展区风机风量转换为房间换气次数，层高按不吊顶考虑，作为Designbuilder软件模拟夜间机械通风情况下各空调区机械通风换气次数的设置依据，并统计各展区风机额定功率。两种通风模式的计算条件如表2。

表2 各通风模式的计算条件

该博物馆在不通风情况下全年能耗模拟结果如图3。由图可知该博物馆自然渗透下的换气次数为0.4～0.48次/h，通风换气效果不佳；夏季空调最大冷负荷约2 626 kW,冷负荷时段较长；从四月底至十月底，可将过渡季全新风运行与夜间通风技术相结合，以缩短供冷季时段，节省供冷能耗。

图3 不通风情况下博物馆全年能耗图

模拟该建筑在七、八月份夜间22:00～6:00时段室外温度低于室内平均辐射温度时，开启机械通风对应的全年能耗如图4。由图可知七、八月份夜间风机全开进行通风的时间超过80%，此时建筑的平均换气次数约为2.3次/h；仅部分风机开启或不进行夜间通风的时段不足20%。得出：夜间通风技术在最热两月应用时间较长，具有一定应用价值。

图4 通风情况下博物馆全年能耗

将夜间通风预冷模式下，七八月份白天空调开机后两小时(9:00～11:00)能耗与不通风模式下对应空调能耗进行比较，可得通风预冷模式下所节省空调开机能耗如图5。结果表明：七八月份夜间通风预冷节省能耗24 376 kWh,约占七八月份不通风模式下空调总能耗的12%。上海地区非居民用户峰谷电价为：峰时段：1.261元/(kWh)；平时段：0.799元/(kWh)；谷时段：0.298元/(kWh)。为便于计算，峰平时段用电折算为1.03元/(kWh)，可得夜间通风技术所节省白天空调电费25 107元。

图5 夜间通风技术所省能耗

各展区夜间全新风运行风机需要消耗电能，结合设计所选用的空调机组风机功率参数，所得对应的风机耗能如图6。经统计，风机运行总能耗为17 329.24 kWh，由于风机开启时段为该市谷电时段，可得风机耗电约5 164元。综上所述，夜间通风预冷模式下扣除风机能耗后可节省：24 376-17 329.24=7 046.76 kWh，节省能耗占七八月份空调总能耗4%左右，节省电费19 943元，方案可行，节能效果显著。