安徽典型城市办公建筑空调季夜间通风潜力研究

林文定 程海峰 林媛 张举

1 安徽建筑大学环境与能源工程学院

2 安徽建筑大学设计研究总院

3 安徽建筑大学节能研究院

1 引言

目前，我国公共建筑能耗占建筑总能耗的 33%[1]，而大量使用夏季空调系统的办公建筑的增加，是其能耗增长的重要原因。如何在保证热舒适标准、室内空气品质的前提下，提高夏季办公建筑的节能率和减少碳排放成了一个难题。其中夜间通风蓄冷被认为是一种有效、绿色的被动式建筑节能策略[2]。

各地区由于气候条件的差异，夜间通风的节能降温潜力和适用性有所不同[3]，其中安徽地区关于办公建筑夜间通风潜力的研究较少。本文利用 1990-2019年的逐日气象要素计算分析安徽三个典型城市的空气温湿度分布规律及差异，并利用部分逐时气象数据，结合空气热湿状态与风环境分析，开展夜间通风适用性评估并比较三个典型城市办公建筑空调季夜间通风降温的节能潜力，为研究地区温湿度气候特征提供一定的基础资料，也为地区办公建筑通风节能提供可靠的指导依据。

2 数据与构成方法

2.1 数据来源

实测气象数据来自国家气象科学数据中心提供的中国地面气候资料日值数据集（V3.0）和中国地面气象站逐小时观测资料，本文利用其中 1990-2019 年安徽三个典型城市气象站点的逐日和逐时平均气温、相对湿度等要素进行分析。研究的三个城市分别为宿州、合肥、黄山（屯溪），气象站点的选择按照皖北、皖中、皖南空间位置规律分布，能代表安徽地区平原、丘陵、山区等不同地貌特征，具有典型性，能满足实际研究需要。

2.2 典型气象年的构成

为反映某地长期的气象特征，避免气象环境的随机性带来的误差，需要以近 30 年的气象数据统计为基础，在近10 年中挑选出具有代表性的“ 平均月”建立典型气象年[4]。所以本文以1990-2019 年的气象统计数据为基础，在2010-2019 年中挑选“ 平均月”组成典型气象年，以确保研究的时效性、代表性。挑选方法如下：

①统计出1990-2019 年每年每月两参数的Xi,m,y平均值，i为挑选气象参数，其中i1为平均气温，i2为平均相对湿度，m为月份序号，y为年份序号。

②计算每月两参数的累年平均值，及标准差Si,m。

③将两参数的平均值进行标准化处理：

④初选平均月：如2010-2019 年间某一年m月的平均值与该月的累年平均值的差值小于等于该月标准差，即|ηi,m,y| ≤1，则该年该月有条件成为“ 平均月”。

⑤如果2010-2019 年间有若干年份的m月都能满足初选平均月的条件，则对这些年份的m月的ηi,m,y进行加权求和，即计算Dm。

式中：Ki——两个参数的权重系数。

事实上，“平均月”挑选参数以及权重系数都是根据典型气象年的应用目的而定，并没有一个完全恰当的、确定的标准。本文的目的是为了研究地区空气温湿度分布规律、差异与分析办公建筑节能潜力，对此造成影响的主要气象要素为平均气温、平均相对湿度。热湿环境中受太阳辐射影响的日平均相对湿度与日平均温度的权重因子应该是一致的，其权重系数Ki均可设为1/2[5,6]，最后计算选择Dm值最小的月份作为该月的“ 平均月”。

2.3 含湿量与焓值的构成

2.3.1 含湿量

在含有 1 kg 质量干空气的湿空气中所混有水蒸气的质量，称为湿空气的含湿量，用符号d表示。

式中：φ— 室外相对湿度；B—当地大气压，P a；ps—饱和水汽压，P a。

d确切反映了空气中含有水蒸气量的多少，而饱和水汽压ps是计算含湿量的关键参数。目前有多个饱和水汽压的计算公式，通过不同公式的比较与分析，对于室外温度都为0 ℃以上的情况下，采用计算方便、误差不大的马格努斯（Magnus）公式[7]。这也是国家气象局推荐的饱和水汽压计算公式，其形式简洁，计算方便，主要用于水面上饱和水汽压的计算[8]：

式中：p0=6.11 hPa，是0 ℃时的饱和水汽压；t——温度，℃。

所以最终含湿量计算公式为：

2.3.2 焓值

焓值是指空气中含有的总热量。湿空气焓值等于1 kg 干空气的焓值与dkg 水蒸气焓值之和，计算方法如式6。

式中：h—焓值，kJ/kg；t— 空气温度，℃；d—空气的含湿量，g/kg。

3 分析与讨论

3.1 典型城市气象年

根据典型气象年构成方法，三个城市典型气象年的平均月构成如表1 所示。

表1 三个城市典型气象年月份构成

3.2 典型城市空气温湿度分布规律与差异

为研究三城市典型气象年的温湿度分布规律与差异，分别计算其典型气象年平均月与四季的平均相对湿度、平均温度、含湿量与焓值。计算数据列在表2与表3。

表2 三个城市典型气象年构成月份的平均相对湿度、平均温度、含湿量、焓值

表3 三个城市典型气象年四季平均相对湿度、平均温度、含湿量、焓值

为区别于数据表格，做进一步直观、精确地比较，利用origin 软件做出一种新的表达图示对上表数据进行分析。

从图1 可以直接看出全年的平均相对湿度从屯溪到合肥再到宿州是依次降低的，且屯溪各月份分布相对均衡，而合肥和宿州在7、8月份的相对湿度明显相比于其他月份更加突出；合肥、宿州的最大平均相对湿度出现在7月，屯溪出现在6月，其值都在81%左右。

图1 三城市典型气象年平均相对湿度比较图

由图2、3、4 得知，与平均相对湿度分布规律明显不同，三个典型城市全年各月份的的平均温度、含湿量与焓值变化规律相似，且相同月份的同一参数在数值上差别不大，都在 1月最低，7月最高，全年合肥和屯溪平均值相对接近，宿州则略低于这两个城市，这也表明含湿量与焓值的大小规律主要受温度影响。此外，除8月份平均温度、含湿量、空气焓值合肥大于屯溪外，其余月份都是屯溪＞合肥＞宿州。在6月，宿州的温度异常的要比合肥、屯溪高。

图2 三城市典型气象年平均温度比较图

图3 三城市典型气象年含湿量比较图

图4 三城市典型气象年焓值比较图

从图5 四季分布上来看各城市季节变化比较符合夏热冬冷地区的特点，发现合肥的夏季平均相对湿度、平均温度、含湿量与焓值异常的高，其余季节都是屯溪＞合肥＞宿州的规律，夏季是合肥 ＞屯溪 ＞宿州的规律。

图5 三城市典型气象年四季分布比较图

由三个典型城市气象年空气温湿度分布可知，夏季与其他季节相比温湿度特征明显，集中分布的高温高湿室外空气使得空调能耗更大，单位面积上的能耗约是冬季的2～3 倍[9]。因此，研究夜间通风降低夏季办公建筑能耗的节能潜力是很有必要的。

3.3 典型城市办公建筑空调季夜间通风潜力分析

3.3.1 空调季的时间范围

安徽省属于典型的夏热冬冷地区，办公建筑空调开启时间一般集中在夏季6-8月。但是受全球气候变暖影响，更加暖湿的气候条件使得华东等湿度较高地区有必要延长空调开启时间[10]，且在本文 3.2 节典型城市气象年的温湿度分布上也可看出9月热湿参数比较高。因此本文先研究9月份安徽三个典型城市室外空气的热湿状态与分布特点，分析具体的空调季延长时间。

按照室内环境人体舒适度与节能标准要求，夏热冬冷地区室外空气热湿状态分为不同的舒适区，一级舒适区标准较高，相对应的热湿区间中室外空气平均温度t区间为 22-26 ℃，平均相对湿度φ区间为 30%-60%[11]，同时含湿量舒适区间经过计算在 4.92-12.68 g/kg。

结果如图6 所示，9月上旬太阳辐射作用相较夏季6-8月虽有所降低，但是三个典型城市的室外空气温度下降幅度不大，湿度基本上没有降低。整个室外空气多集中在中温高湿、高温高湿区域。这种情况下引入室外空气自然通风会导致室内湿度变高、热舒适感降低，仍应该采用空调系统降温除湿。9月下旬的情况则稍显复杂，宿州和屯溪室外空气温湿度相比较 9月上旬都呈现下降趋势，有一定的自然通风节能潜力。但是合肥的室外空气在 9月 15-24 号仍处于中高温，且湿度持续上升的状态，在25-30 号温度才有所下降、湿度仍较高。虽然 9月一般属于过渡季节的通风月，但是综合近年来地区实际情况与室外空气温湿度特点，9月部分时间还是应该被划分到空调季，因此本次研究将宿州和屯溪空调季的时间范围定在 6.1-9.15 日共108 天，合肥则时间略长定在6.1-9.24 日共117 天。

图6 三个典型城市9月室外空气逐时温湿参数

3.3.2 空调季的热湿特点

由表 4 可以看出，三个城市处于一级热湿舒适区间的累积小时数占比都很低，仅占0.52%-1.93%。室外空气热湿状态主要集中在高温高湿、中温高湿、低温高湿三个区域，占比约为 82.62%-86.33%，三个城市的室外空气处于高温高湿时数都是最多的，也可以看出高温、高湿是这些城市的共同特征，这也符合夏热冬冷地区的气候特点。从对应的空气热湿状态累积时数上来看，高温高湿区域合肥累积时数最多，中温高湿区域屯溪累积时数最多，低温高湿区域宿州累积时数最多，这也与3.2 节分析的三个典型城市气象年的温湿度分布规律相符。对于高温高湿状态的室外空气，目前这几个地区最常用的处理技术还是利用空调系统降温降湿。三个城市在空调季白天室外空气基本上都处于高温高湿状态，日间温度较高，最高温度甚至可达到 40 ℃左右，具有很高的降温需求，其日较差比较大，夜间自然通风也较为适宜，有一定的节能与热舒适潜力。由此进一步分析三个典型城市空调季节夜间室外空气热湿状态。

表4 三个典型城市空调季室外空气状态在热湿区域的累积时数

3.3.3 空调季的夜间通风降温

①夜间热湿环境分析

对于办公建筑而言，夜晚基本无人工作的作息特点为夜间自然通风蓄冷提供了良好的前提条件。结合三个城市的夏季温湿特点与其他文献的通风方案，研究夜间通风时间区间为晚20:00-次日7:00[12,13]。

分析表 5 可知，三个城市空调季夜间室外空气热湿状态大部分集中在中温高湿、低温高湿区域，温度低于办公建筑在自然通风房间的上限28 ℃[14]，同时也有一部分处于高温高湿区域，时数占比为27.87%-36.9%，直接处于舒适区的时数非常少。在高湿的情况下，持续自然通风是必须的，中低温的室外空气引入办公建筑室内，可以带走日间建筑储存的余热从而降低室内空气温度，进行预冷和蓄冷，推迟第二天空调开启时间、降低启动负荷，以此实现节能减排。另一方面也能有效改善室内热舒适度与提高空气品质。从单个城市热湿区域累积时数来看，舒适区和低温高湿区域累积时数宿州 ＞ 合肥 ＞ 屯溪，处于中温高湿、低温高湿区域的累积时数宿州最多，合肥比屯溪略多一点，此外，不利于通风节能的高温高湿、高温中湿区域累积时数合肥＞宿州＞屯溪。从夜间室外空气热湿状态分布区域累积时数上来看，宿州的降温节能潜力最大，屯溪和合肥节能潜力相当，差别不大。

表5 三个典型城市空调季夜间室外空气状态在热湿区域的累积时数

②夜间风环境分析

利用典型气象年数据分析三个城市空调季的夜间风环境，根据风向风速数据做出城市夜间风速分布图与夜间风玫瑰图[15]，从图7、图8 可以看出三个城市的静风率都很低，风力资源比较充足，夜间自然通风有足够的潜力，且夜间风向对建筑通风也有一定利用价值。其中屯溪夜间大部分时间处于软风状态，平均风速0.93 m/s，盛行SW 风，该风向平均风速为 1.18 m/s。合肥市夜间大部分时间风速处于软风与轻风状态，平均风速 1.54 m/s，盛行 ENE 风，风向平均风速为2.04 m/s。宿州市夜间风速大部分时间也处于软风或轻风，平均风速 1.55 m/s，盛行 E 风，该风向平均风速为1.84 m/s。研究表明，在风速为1.5-2.5 m/s 的情况下，能较好满足室内热湿舒适的要求[14,16]，所以从风环境分析上来看，不同城市风能资源利用的建筑朝向各有不同，应合理布局建筑朝向来利用好夜间自然风力资源，夜间自然通风潜力大小为宿州＞合肥＞屯溪。

图7 三个典型城市空调季夜间风速分布

图8 三个典型城市空调季夜间风玫瑰图

结合夜间室外空气热湿区域分布累积时数与风环境共同分析，总体上三个城市办公建筑夜间自然通风降温蓄冷的节能潜力较大。其通风节能潜力大小依次为宿州＞合肥＞屯溪。

4 结论

1）屯溪到合肥再到宿州全年平均相对湿度依次降低，屯溪全年湿度均衡且较高。三个典型城市含湿量与焓值的大小主要受温度影响，使其变化规律与温度相似，且城市间相同月份的同一参数在数值上差别不大，全年合肥和屯溪平均值相对接近，宿州则略低于这两个城市。

2）三个城市夏季热湿参数分布普遍较高，8月合肥平均相对湿度、平均温度、含湿量与焓值比其他城市都高，导致夏季每一热湿参数大小规律都为合肥＞屯溪＞宿州，其余季节都是屯溪＞合肥＞宿州。

3）9月高温高湿天数的增加，使得三个典型城市空调季时间各有延长，宿州和屯溪空调季的时间范围在 6.1-9.15 日间共 108 天，合肥则在 6.1-9.24 日间共计117 天。

4）空调季研究夜间通风时间区间为晚 20:00—次日 7:00，其室外空气状态主要集中在中温高湿、低温高湿，夜间自然通风适宜性较高，具有一定节能潜力。

5）从夜间的室外空气热湿状态分布累积时数分析可得宿州的降温节能潜力最大，屯溪和合肥节能潜力相当，差别不大。从风环境分析得三城市针对建筑朝向可利用的风向风力资源各有不同，自然通风潜力大小分别为宿州＞合肥＞屯溪。二者综合分析：总体上三个典型城市办公建筑夜间自然通风降温的节能潜力较大，其潜力大小依次为宿州＞合肥＞屯溪。