北京地区商业建筑夜间通风实验方法

陈冬阳

（中国建筑标准设计研究院有限公司，北京 100089）

1 夜间通风研究现状

关于夜间通风的研究，与国外相比我国的研究起步较晚，仅仅停留在理论，研究方法和模拟能耗方法也是参照国外。随着国内国外学术交流的增多以及我国科技的进步，国内学者目前在夜间通风方面的研究也取得了显著的学术成果。

1993 年初，陈在康等人通过实验的方法，该方法通过利用合理的夜间通风时间，对湖南省长沙市的一个住宅顶层单元，针对夜间通风的降温效果进行了实验研究，结果表明：夜间通风状态下，室外最高温度为39.1℃时，在室内的最高温度为35.0℃，室外比室内要高4.1℃。根据实验结果陈老师认为，夜间通风理论上具备较为明显的降温效果，可以在后续实验中，控制夜间通风实验逻辑，以期达到通过夜间通风实现节能降温的目的。于此同时，陈老师发现住宅房间室内温度变化情况与建筑的结构、通风量和家具材料都有一定关系，比如轻型建筑要比重型建筑的温度变化幅度更大，通风量越大证明温度变化幅度也越大[1]。

李凤苓学者在论文中提出，居住类建筑墙体内壁面的温度场可以采用非稳态传热的计算方法，并对居住类建筑夜间通风时的室内温度进行了过程描述。李老师分析后发现：在炎热夏天的晚上6—7 点以后，进行夜间通风后，前提是夏季室外温度低于室内温度，实验后室内温度比在室内使用电风扇吹的室内温度要低2~5℃左右。最后李老师认为讲风机安装在适当的角度和位置并选择合适的通风量，就可以实现夜间通风降温的效果[2]。

李峥嵘学者将蒸发冷却技术和夜间通风技术进行联合后对乌鲁木齐地区某建筑夜间通风情况进行了研究，得出了一下结论：

在夜间通风时，乌鲁木齐某房间室内温度降低0.5~0.9℃，当夜间通风联合蒸发冷却技术后，室内温度在原基础上又降低2.5~3.0℃。另外，该文章还研究了机械供冷和夜间通风的关系，描述了通风时间、夜间通风量及通风温度的计算方法，对上海的某库房作为试点模型，论证计算方法的正确性。实验的结果证明：夜间通风可以使库房室内温度降低2~3℃，但是节能潜力不足的，能否广泛应用需要进一步研究[3]。

陈海旎的研究建立了一个办公建筑模型，应用EnergyPlus 模拟软件，针对上海、广州和北京三个地区，进行了夜间通风的能耗进行了模拟计算，陈老师研究发现夜间通风的理论条件应该满足室内空气高于室外温度2℃以上，并且室内温度要在22~26℃的范围内。老师的结果症明：夜间通风的节能降温效果会因为地区的纬度的增加而增大，并且在夏热冬暖地区，节能潜力更为可观[4]。

笔者通过对国内国外的研究文献进行分析后发现，夜间通风目前的研究更多集中在居住建筑和办公建筑，很少涉及商业酒店类建筑。同时，虽然论文研究大都指出了夜间通风存在节能降温的理论成效，但大多数研究还只停留在夜间通风的可行性研究和模拟研究上，尚未有文献对现有的商业酒店类建筑进行实验测试。综上，本文就现状研究基础上，以实验为依据，对北京某商场夜间通风的节能降温效果进行实验研究，用实验数据得出夜间通风运行控制策略。

2 北京地区气候分析

根据我国建筑气候热工分区标准可以看出，北京市为我国首都，属于寒冷地区，地理位于我国华北平原地区，北京地区典型年年平均气温为12.6℃，1 月份为最冷月，该月份的平均气温为-3.83℃，7 月份为最热月，该月份的平均气温为26.4℃。北京地区有昼夜温差较大的特点，在夏季6—8 月期间，平均日较差达到8.0℃。

本文的气象资料源于中国建筑热环境分析专用气象数据集。夜间通风技术的实验工况要求在夏季，故要分析夏季室外气温的变化。

根据典型年的北京地区数据发现，室外最高日温度、日平均温度和日最低温度的变化情况基本一致。从全年上看，室外空气干球温度在6 月份上旬和9 月份下旬期间较低，室外空气干球温度在7—8 月较高。

通过分析北京地区典型年的逐时气象数据，算出了北京地区6—10 月上旬的日较差，其频率分布直方图，如图1 所示。

图1 日较差频率分布直方图

由图1 可知，在6—10 月上旬时，北京日较差近似呈“正态分布”，日较差处于6~10℃区间内的天数多达60d。陈海旎等人[4]在研究夜间通风在不同气候条件适应性时，提出对于以北京市为代表的寒冷地区，夜间通风降温技术在其供冷季的各个月份都可以取得显著的节能效果。以往办公类建筑夜间通风的研究发现，李楠等人[5]提出在西安地区，日较差大于6℃即适合采取夜间通风，西安地区和北京地区同属寒冷地带，具备理论参考价值。根据上述北京地区气候研究，可以看出6—10 月上旬时，日较差大于6℃的天数为125d，约占总天数的93.7%，根据以往研究基础，6—10 月期间，北京地区夜间通风技术存在理论节能降温潜力。

3 夜间通风的实验研究

3.1 实验概述

本次实验的时间为 2021 年 9 月 24 日—10 月 9日，实验期间制冷机组开机时间为7:30—22:00，实验地点位于某北京商场独立空调区域，该区域是一个相对封闭的区域且无阳光直射，该区域面积为1100m2。

该区域组合式空调机组负担此独立区域的温湿度需求，该机组为双风机机组，实验前运行时间为7:30—22:00，新风风阀常开启。

3.2 实验方法和自控逻辑

本实验设计方案共三个模式，分别为夜间通风模式、非夜间通风模式和普通模式，三个模式相互切换。

3.2.1 夜间通风模式（22:00—7:30）

利用夜间温度低于室内温度1℃时段，将风机开X个小时，当室外温度高于室内温度时，关闭风机。

（1）风机（送风机和回风机）开启条件

风机开启时间范围为22:00—次日7:30，室外温度低于室内温度1℃以上，风机开启且保障连续开启时间不低于2h。

（2）风机（送风机和回风机）关闭条件

风机关闭时间范围为22:00—次日7：30，当室外温度高于室内温度时，风机关闭。

（3）记录参数

风机开启和关闭时间、风机电耗E 风机、室内外逐时温度。

3.2.2 非夜间通风模式（7:30—22:00）

实验房间室内温度低于24.8℃时，关闭水路阀门Y个小时，实验房间室内温度超于24.8℃时，开启水路阀门。

（1）风机（送风机和回风机）开启条件

风机开启时间范围为7:30—22:00。

（2）水阀动作条件

水阀关闭时间范围为22:00—7:30。非夜间通风模式下，当实验房间室内温度低于24.8℃时，关闭水路阀门；当实验房间室内温度高于24.8℃时，开启水路阀门，且白天一旦开启水路阀门后遍不再关闭。

（3）记录参数

开启水路阀门的时间需要时间表记录；水路冷量表的流量读数；室内外逐时温度。

3.2.3 普通模式（7:30—22:00）

计量Y 个小时后耗费的冷量，除以冷机cop 得到冷机消耗的电量E 空调。普通模式下风机和水阀均按照正常模式（7:30—22:00）启停。

3.2.4 节能量计算

夜间通风工况下，风机存在电能消耗，空调机组存在电耗能；白天普通模式下仅开启空调系统，夜间通风系统节能量为普通模式下空调系统消耗的电能与夜间通风模式下风机和空调系统消耗的电能的差值。关系如下：

式中：E夜——夜间通风模式下系统运行能耗，kW·h；E风机——夜间通风模式下风机消耗能耗，kW·h；E空调——夜间通风模式下空调机组运行能耗，kW·h；E’空调——无夜间通风模式下白天空调机组运行能耗，kW·h；ΔE——夜间通风节省能耗，kW·h；G——普通模式下流量表显示流量，m3/h；Δt——非夜间通风模式晚开水阀小时数，h；T——普通模式下通过G 流量下的小时数，h。

实验能够计算出空调系统晚开机时消耗的电量，实验获取空调机组的运行能耗和夜间通风模式下的运行能耗，计算出夜间通风实验的节省能耗，进行节能量分析。

3.3 实验施工内容

装插入式冷量计计量组空的供冷量，信号线接入原有控制箱中，冷量表安装于组空机房内，无须拆除吊顶；增加室内回风温度传感器，在室内大厅回风口处增加温度传感器。冷量表如图2 所示。

图2 冷量表

施工需要在夜间进行，施工期间需要内部停水，虽然难度不大，但协调商场甲方和物业的工作手续需要时间，而工期时间紧张，夜间通风改造有特定气候和时间需求，气候转凉时期夜间通风技术效果不明显。

3.4 实验结果

本实验在夜间模式下开展夜间全新风工况对室内环境及家具进行蓄冷，并由能耗平台获取风机能耗；非夜间模式下通过蓄存的冷量，推迟冷机水阀的开启时间，并读取晚开启冷机水阀小时数；普通模式下读取该小时数下冷机通过该机组的流量，通过读取该时间段的供回水温差及冷机COP，计算出冷机电耗。最终白天推迟开冷机时间段内的冷机电耗减去夜间模式下风机的能耗即为该实验的节能量。

4 结语

本文首先根据北京地区典型年夏季的室外气象数据，分析夏季日较差大的天数在北京较多，说明北京在6—10 月进行夜间通风实验有理论节能降温效果。

其次，是夜间通风的实验部分，本文分别介绍了实验方法和自控逻辑、实验施工内容和实验工况，用实验数据来探究夜间通风对北京地区商业建筑的室内热环境及能耗的影响。

最后，通过计算空调机组运行的电耗和夜间通风模式下能耗之差，计算出夜间通风实验的节省能耗，结果表明9 月24 日—10 月9 日共16d 的实验期内，系统故障及室外温度全天低于室内温度的情况共14d，剩余2d 的夜间通风实验均有节能量，其中夜间通风开机时间长日则节能量小，约为4.5%，夜间通风风机开机时间短日则节能量大，约为87%。由此说明夜间通风技术在北京地区制冷季节应用具备节能性。