廖坚卫，卢佑波，赖文彬

(广东省建筑设计研究院，广州 510010)

大空间建筑空调与混合通风联合运行设计与节能研究

廖坚卫，卢佑波，赖文彬

(广东省建筑设计研究院，广州 510010)

[摘要]提出了广州地区大空间建筑的集中空调与混合通风系统联合运行策略，并指出系统的适用条件。对热压通风及机械排风辅助式热压通风在大空间内的温度和速度场进行数值模拟，获得混合通风下温度和风速的拟合式子。同时，以广州5,6,10月的逐时干球温度为依据预测其策略下的混合通风潜力。通过应用DeST软件模拟了全年冷负荷并进行通风空调设备运行能耗计算，可知在指定开口形式下运用空调与混合通风联合运行，最大节能率可达61.6%。

[关键词]大空间建筑；数值模拟；热压通风；联合运行

引言

大空间建筑由于有着透明围护结构比例大，空间大等特点，其能耗比普通大型公共建筑更大，有着巨大的节能潜力。针对广州地区公建的能耗，相关调查反映空调能耗又占其中35%~47%，可见减少空调能耗刻不容缓*。而在大空间建筑中设置混合通风系统，即在满足热舒适和空气质量的前提下，使自然通风与机械通风交替或联合运行，提高自然通风系统可靠性和提高机械通风节能率，从而达到节能的目的。

国际能源组织联合15个国家的科研机构对混合通风进行了积极的试验性研究[1];段双平利用混合通风经验模型对北京地区建筑通风潜力和技术进行了研究[2];郭娟等人对某房间采用混合通风系统的多种方式进行数值模拟，验证了其在长江流域气候条件下应用有较大优势[3]；罗国志对成都地区的办公楼应用了混合通风技术，在保证室内热环境前提下，获得较好的节能效果[4]。本文以广州大空间建筑为研究对象，在典型气象条件下运用混合通风进行数值模拟，以获取其与集中空调系统联合运行的通风潜力和节能效益。

1系统适用性

1.1　控制参数的设定

采用自然通风的前提是满足人员热舒适的需求，通过设置在室内的传感器对热环境参数的检测判断是否能采用自然通风或是需开启机械排风辅助自然通风。检测何种参数取决于采用的热舒适评价指标，其中适应性模型是用单一温度变量作为热舒适评价指标，便于实际工程实践上应用。

本文采用金振星博士针对南方地区提出的室内热环境适应性模型[5]，热舒适区上下边界为18℃，28℃，然而在人体最大承受风速(0.8m/s)下，高相对湿度和风速分别对人体舒适性区域有着缩减和扩大的影响[6]，即有限可接受区间可提高为28～30℃，以此作为通风策略控制目标设定参数，结果如式(1)～(2)及图1所示。

当Tin<28℃：

(1)

当Tin≥28℃：

(2)

上式中，Tin为室内人员区温度，TCU为舒适温度上限，TO为室外适时干球温度

图1　本文采用的适应性模型

1.2　气象数据分析

广州地处南亚热带，属于典型的亚热带湿润季风气候。图2显示了广州地区典型气象年室外逐时干球温度的变化情况。

通过对图2的数据整理，并以无风速修正的舒适温度上限28℃为界限，得到3~11月各月室外干球温度处于28℃以上的小时数及分布比例，见图3。从而可知，7~9月份超过28℃的时间占工作时间平均60%以上，就这三个月而言，在通风技术使用上遇到一定的障碍，而极端天气的出现和热岛效应亦加大了应用难度，期间主要利用空调对室内热环境进行调控。而3,4,11月份超过28℃的时间甚少，绝大部分时间通过开窗满足室内热环境要求。所以本文针对5,6,10月份进行广州地区大空间建筑空调与混合通风联合运行技术的应用效果研究。

图2　广州地区典型气象年室外逐时干球温度

图3　广州典型气象年各月份工作时段(06:00-23:00)室外空气温度高于28℃的时间及其比例

1.3　运行策略

设定人员区的温度为控制目标参数，在过渡季节中，当其低于舒适温度上限值时，开启外窗，利用自然通风消除室内余热，满足人体热舒适；当人员区温度增大，略高于舒适温度上限值，启动风机，带走余热并提高人员区风速，使控制温度恢复小于舒适温度上限值条件；当混合通风不能满足要求时，开启空调系统。所以在整体运行上是混合通风与空调的耦合运行。

1.4　建筑模型及参数设定

以广州某机场航站楼指廊作为建筑模型。考虑大空间三维模型划分网格过多，计算量太大，对其简化为垂直于长度方向的二维剖面模型，此简化保留建筑大部分特征，如图4所示。地板上按人均占地2m2，均匀布置0.4m×1.7m的矩形，以示人体、设备及灯光综合热源。其围护结构中外墙、外窗、屋顶传热系数分别为1.5、3.0及0.9W/m2·K，其中外窗遮阳系数为0.35，均满足GB50189-2005《公共建筑节能设计标准》的相关条文。模型采用Gambit建模，Fluent求解，模型其它的相关边界条件按表1设置。

图4　建筑物理模型

表1边界条件设置参数

边界名称数值人员流体体源热流密度进口通风入口排风压差出口通风出口排风压差幕墙对流传热边界综合温度屋顶对流传热边界综合温度

注: 幕墙和屋顶的对流传热边界的设置中，以综合温度取代室外温度，反映太阳辐射所产生的温升值，温升分别为12℃、18.5℃。

2基于正交实验法的多因素回归分析

一般情况下，影响室内人员区的热环境参数的因素包括开口形式(进风口距地高度D及进风口尺寸高度H)、室外温度T0、室内热源R、排风压差△P，各因素在不同程度上对其造成影响。利用正交试验法进行多因素的回归分析，可借助回归式子反映综合影响情况。选取常见进风口距地高度D为0.5米、1.5米和其尺寸高度H为1.5米、2.0米相互搭配四种情况作研究，对其余三个因素取5个水平值，进行组合模拟计算，可得人员区温度Tin及风速Vin的回归式子，如下式所示：

1)对D=0.5m，H=1.5m，得出的拟合关系式如下:

Tin=0.4240+1.0056 TO+0.0060 R

-0.1308 △P；

Vin=0.3911+0.0013 TO+0.0010 R

+0.0964 △P

2)对D=0.5m，H=2.0m，得出的拟合关系式如下:

Tin=0.3976+1.0057 TO+0.0063 R

-0.1016 △P；

Vin=0.3539+0.0006 TO+0.0008 R

+0.0784 △P

3)对D=1.5m，H=1.5m，得出的拟合关系式如下:

Tin=0.5901+1.0065 TO+0.0078 R

-0.1436 △P；

Vin=0.3448+0.0012 TO+0.0008 R

+0.0634 △P

4)对D=1.5m，H=2.0m，得出的拟合关系式如下:

Tin=0.5969+1.0045 TO+0.0084 R

-0.0778 △P；

Vin=0.3033+0.0013 TO+0.0007 R

+0.0364 △P

以上式子复相关系数基本在0.95以上，经过其它参数的检验，证明回归效果显著。以D=0.5米，H=1.5米作代表，其它开口形式结果类同。对实验数据进行方差分析，在三个因素中，室内温度、室外温度对其参数的显著性影响最大，最小是排风压差；而对于风速，显著性影响最大的是排风压差，最小的是室外温度。而人员区温度随室外温度、室内热源增加而增加，随排风压差增加而减少；同时人员区风速随三种因素增加而增加，其中室外温度影响效果一般。

3联合运行通风潜力及节能效益

3.1　联合运行下的转换温度

在混合通风与空调联合运行下，可认为是存在二个转折点，按温度由小到大排列，为热压通风向机械排风辅助式热压通风转换，机械排风辅助式热压通风向空调转换。这二个室外温度转换值的大小关乎了采用混合通风达到的节能效果和改善室内热舒适性的发挥。通过联合热舒适适应性模型和上节提出的回归方程共同求解，可得到转换点温度，如表2，3所示。

表2热压通风下的室外干球温度(℃)转换值

(D,H)R=80W/m2R=110W/m2R=140W/m2R=170W/m2R=200W/m2(0.5m,1.5m)28.428.328.228.128.0(0.5m,2.0m)28.228.128.027.927.8(1.5m,1.5m)27.927.827.627.427.3(1.5m,2.0m)27.827.627.427.227.0

表3机械排风辅助式热压通风下的室外干球温度(℃)转换值

(D,H)R=80W/m2R=110W/m2R=140W/m2R=170W/m2R=200W/m2(0.5m,1.5m)29.3(3.1Pa)29.1(2.8Pa)28.9(2.5Pa)28.7(2.2Pa)28.5(1.9Pa)(0.5m,2.0m)29.4(4.6Pa)29.2(4.3Pa)29.0(4.0Pa)28.7(3.7Pa)28.5(3.4Pa)(1.5m,1.5m)29.3(5.6Pa)29.0(5.2Pa)28.7(4.8Pa)28.4(4.4Pa)28.2(4.1Pa)(1.5m,2.0m)29.0(10.0Pa)28.7(10.5Pa)28.4(9.9Pa)28.1(9.3Pa)27.9(8.7Pa)

注：括号中为屋顶排风所需压差。

从上表可见，室内热源的增加明显提升了转换点温度，却减少了排风压差。而开口形式亦对其有明显影响，如(D,H)=(0.5m,1.5m)比起其它开口形式下的通风效果要好，所需排风动力亦较少。

3.2　联合运行下的通风潜力

采用典型气象年的5,6,10月份建筑运行时段的逐时气象资料，与上节得出的通风空调联合运行的转换点温度作对比，获得不同开口情况和室内热源的混合通风潜力。鉴于一天之中温度波动较大，笔者以度时法进行对其潜力的预测。

从图5中5,6,10月工作时间利用混合通风的舒适小时数可得出以下结论：1)各月利用混合通风策略潜力大小排序依次为10月、5月、6月；2)在过渡季节应用热压通风与机械排风辅助热压通风能使平均70%的工作时间不需开启空调；3)在10月份中，在室内热源较小和进风口形式较利于通风的情况下，整月小于100个小时需开启空调，其余时间均可利用混合通风运行消除室内余热。

图5　 5、6、10月份6∶00-23∶00时段利用混合通风策略的舒适小时

3.3　联合运行下的节能效益

为进一步准确预测对空调与混合通风联合运行策略在大空间建筑中所达到的节能效益，选取进风口开口形式为D=0.5m,H=1.5m及D=1.5m,H=1.5作能耗计算模型的两种开口工况并应用动态能耗分析软件DeST进行了全年逐时能耗计算模拟，房间空调相关设计参数如表4所示，并且通过不保证50小时的最大冷负荷进行建筑的通风及空调设备选型，其中制冷机组总装机容量为2560kW，利用逐时冷负荷下的空调设备的使用能耗计算模型与逐时冷负荷联合求解，得出5,6,10月份采取联合运行策略下的节能值，如图6所示。

在某一指定进风口形式下，通过运用空调与混合通风系统联合运行策略下的能耗模拟计算得出，广州地区节能率最大可达61.6%，平均节电率为42.88kWh/m2，节能效益显著。但若建筑进风口距地高度提高1m时，节能率下降为54.3%，平均节电率为37.77kWh/m2，建筑下侧进风口的开口形式稍有变化会较大影响整体节能效益。

表4主要功能房间空调参数设置

温度/℃18~26相对湿度/%夏季50~65;冬季30~65新风量/(m3/(人·h)16照明/(W/m2)20人员(人/m2)0.5设备/(W/m2)30空调运行时间6∶00~23∶00

图6　集中空调与混合通风联合运行策略下的能耗对比图

4结语

(1)提出了以室内舒适温度为控制目标参数的广州地区大空间建筑空调与混合通风联合运行策略：当人员区温度低于舒适温度上限时，采取热压通风以消除室内余热；当人员区温度略高于舒适温度上限值，采取机械排风辅助式热压通风，使控制温度恢复小于舒适温度上限值条件。当以上通风方式仍无法满足人员热舒适，须开启空调达至要求。

(2)以温度和风速的拟合方程和热舒适模型联合求解，获得大空间建筑下的通风空调联合运行下的室外干球温度转换点。

(3)以广州典型气候年的5,6,10月的逐时干球温度为依据预测了空调与混合通风联合运行策略下的混合通风潜力。

(4)通过运用空调与混合通风联合运行策略下的能耗模拟计算得出，在D=0.5m,H=1.5m下，广州某机场航站楼指廊节能率达61.6%。建筑通风口距地高度提高1m时，节能率下降为54.3%。但在实际应用中，由于通风口的大小、数量、形式及位置等与理想情况存在差异性，实际节能率会有所下降。

(5)广州某机场航站楼指廊应用的集中空调与混合通风联合运行策略，适用于夏热冬暖地区同类大空间建筑。

5参考文献

[1] 李安桂.欧洲自然通风技术研究与设计进展[J].制冷空调与电力机械, 2004, 25(2): 1-8

[2] 段双平.自然通风和混合通风潜力的预测[J].制冷与空调(四川), 2008, 21(4): 17-21

[3] 郭娟, 王汉青.基于 Fluent 的多元通风系统数值模拟分析[J].流体机械, 2013, 41(5): 29-33

[4] 罗国志,李楠,唐曦,等.成都地区办公建筑复合通风应用效果[J].暖通空调, 2013 (8): 67-70

[5] 金振星.不同气候区居民热适应行为及热舒适区研究 [D].重庆大学, 2011

[6] Nicol F.Adaptive thermal comfort standards in the hot-humid tropics[J].Energy and Buildings,2004, 36(7): 628-637

*唐辉强,任俊,龙恩深，等.广州地区商业类建筑能耗调查与节能潜力分析[A].全国暖通空调制冷2008年学术年会论文集, 2008

Design and Energy Saving Research for the Combined Operation of Air Conditioning System and Hybrid Ventilation System in Large Space Building

LIAO Jianwei，LU Youbo，LAI Wenbin

(The Architectural Design & Research Institute of Guangdong Province, Guangzhou 510010)

Abstract：Presents a combined operation strategy of air conditioning and hybrid ventilation system suitable for the large space building in Guangzhou and points out its applicable condition.Simulates the temperature field and wind speed field under hybrid ventilation and gets regression formula of temperature and wind speed. Also, potential of hybrid ventilation was predicted according to hourly dry-bulb temperature data in May, June and October of typical meteorological year in Guangzhou. The maximum energy conservation rate can be reached to 61.6% with using the strategy in specify opening form by simulating the cooling load by DeST software and analyzing energy consumption of equipments.

Key words:Large space building; Numerical simulation; Thermal natural ventilation; Combined operation

[中图分类号]TU831[文献标示码]A

doi:10.3696/J.ISSN.1005-9180.2015.01.001

文章编号：ISSN1005-9180(2015)01-001-06

作者简介：廖坚卫(1959-)，男，教授级高级工程师，从事暖通空调设计。E-mail:liaojw801@163.com

收稿日期：2014-10-24

资助项目：国家科技支撑计划课题(2011BAJ01B02)，子课题(2011BAJ01B02-0304)