许倩语，宋文武，江竹，石建伟，魏立超，杨秀鑫

（1.西华大学 建筑与土木工程学院，四川 成都　610039；2.西华大学 能源与动力工程学院，四川 成都　610039）



基于夜间通风的相变房间室内热环境研究

许倩语1，宋文武2，江竹2，石建伟2，魏立超2，杨秀鑫2

（1.西华大学 建筑与土木工程学院，四川 成都610039；2.西华大学 能源与动力工程学院，四川 成都610039）

摘要：基于DesignBuilder和EnergyPlus软件，以成都地区白天室外最高温分别为30℃和32℃为代表日，采用相变材料结合夜间通风技术对室内热环境的影响进行了模拟，分析了房间的墙体结构、通风换气次数、通风时段对室内温度的影响。模拟结果表明，相变材料结合夜间通风能有效地改善室内热环境。换气次数为3 ac/h、通风时段在1：00～7：00时，相变房间的室内平均温度降低了1.0～1.5℃。相变房间减短了空调期，比普通房间节省电量60.9%。

关键词：相变储能；夜间通风；室内热环境；经济性分析

0　引言

建筑节能是关系到我国建设低碳经济、完成节能减排目标、保持经济可持续发展的重要环节之一，而相变储能是一种提高能源利用稳定性以及效率的技术，也是节能环保的绿色环保载体，相变储能技术得到了越来越广泛的关注。夜间通风降温技术被认为是具有较大节能潜力的被动式节能技术之一，可以很大程度的降低建筑制冷能耗，同时还可以改善室内空气质量，降低室内的温度；相变墙体还能把夜间的冷量储存起来，达到很好的降温节能效果。近年来，国内外许多学者开展了一系列相变墙体结合夜间通风技术在建筑中的应用研究，取得了重要成果，但大部分研究都是针对北方大温差地区的［1-3］。相变墙体结合夜间通风在夏季昼夜温差较大的地区节能效果显著，在昼夜温差不大的炎热地区利用相变墙体储能，夜间如果不能及时把热量排出去，可能会引起热量在室内聚集，达不到利用相变材料改善室内热环境的问题［4］。基于上述问题，本文对成都地区的相变墙体房间（以下简称相变房间）结合夜间通风技术与普通墙体房间的室内温度进行对比研究，在白天室外最高温分别为30℃和32℃的气象条件下，首先使用普通墙体和相变墙体房间进行对比，其次对使用相变墙体房间以不同的通风次数和通风时段等方面讨论夜间通风对室内热环境的影响，最后在空调期对普通房间和相变房间的耗电量进行经济性分析。

1　模拟条件

1.1模型说明

利用 DesignBuilder进行建模，用建筑全能耗软件EnergyPlus进行模拟，EnergyPlus是由美国能源部（Department of Energy，DOE）和劳伦斯·伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory，LBNL）共同开发的一款建筑能耗模拟软件，DesignBuilder是由英国DesignBuilder公司基于EnergyPlus开发的一款商业建筑能耗分析软件。在成都地区的气象参数下，对某一房间进行夏季室内温度的模拟分析，模拟房间为5m×4m×3.6m的长方形建筑，总墙体面积为64.8m2，建筑面积为20m2，体积为72m3，各个朝向各有一扇2m×2.4m的窗户，窗墙比为29.6%。普通房间和相变房间围护结构的主要参数见表1。

表1　围护结构的热工参数

1.2参数设置

相变房间的相变材料由石蜡与高密度聚乙烯制成的定型相变板材，厚度为15mm，相变温度为26℃，相变材料的热特性参数［5］见表2；模拟的日期为6月1日到9月30日，以白天最高温为30℃和32℃分别作为代表日进行分析；通风换气次数分别为2、3、4、5 ac/h；通风时段为21：00～7：00、23：00～7：00、1：00～7：00、2：00～7：00；气象参数取我国典型气象年数据中的成都地区。

表2　相变材料的热特性参数

2　模拟结果分析

2.1夏季普通房间与相变房间对室内温度的影响

对普通房间和相变房间进行模拟，在模拟时段内以白天室外最高温度为30℃和32℃的其中一天为代表日在不通风条件下分别对2种墙体房间最终的室内温度进行比较，结果见图1、图2。

图1　室外最高温度为30℃时不同墙体下的室内温度变化

从图1可以看出，在白天室外最高温度为30℃时，相变房间的温度始终低于普通房间的温度，从22：00～9：00时间段内相变房间在不通风时室内温度明显低于相变温度26℃，在这个时段内相变材料发生相变，储存冷量，在室内温度高于26℃时释放冷量，降低室内的温度。

图2　室外最高温度为32℃时不同墙体下的室内温度变化

从图2可以看出，在白天室外最高温度为32℃时，1：00～19：00相变房间的温度低于普通房间的温度，而在19：00以后2种房间的室内温度很接近。这是因为相变房间的最低室内温度在25℃左右，虽然低于相变温度26℃，相比白天室外最高温为30℃时储存的冷量少，在白天释放的冷量减少，又由于在不通风时热量在室内聚集，导致19：00以后温度变化不明显。

从图1、图2可以看出，在2种温度条件下使用相变墙体都有较好的降温效果，室外最高温为30℃时最高温降低了0.23℃，平均温度降低了0.34℃；室外最高温为32℃时，最高温降了0.30℃，平均温度降低了0.41℃。

2.2夏季相变房间夜间有通风和无通风对

室内温度的影响

同样是在白天室外最高温为30℃和32℃时，对相变房间进行夜间通风和没有夜间通风，夜间通风采取2 ac/h的换气次数，通风时段为23：00～7：00，有无通风对室内温度的影响见图3、图4。

图3　室外最高温度为30℃时有无通风室内温度变化

图4　室外最高温度为32℃时有无通风室内温度变化

从图3、图4可以看出，白天室外最高温度分别为30℃和32℃时，在采取夜间通风条件下，相变房间的室内温度都降低了，平均温度分别降低了0.31℃和0.24℃，在通风时段内温度降幅最为明显，随着室外温度的不断升高，室内温度也逐渐升高。

2.3夏季相变房间不同通风换气次数对

室内温度的影响

当通风时间为23：00～7：00时，在室外最高温度为30℃和32℃分别采取不同的换气次数进行通风，换气次数对室内温度的影响见图5、图6。

图5　室外最高温度为30℃时不同换气次数室内温度变化

从图5、图6可以看出，随着换气次数的不断增加，室内温度逐渐降低，当换气次数从2 ac/h变为3 ac/h时，温度变化明显，当换气次数从3 ac/h增加到4 ac/h、5 ac/h时，温度变化幅度反而小了。为了得到一个改善室内热环境合适的换气次数，根据林坤平等［6］提出“累计日室内温度不舒适度”IDCT作为使用相变材料房间室内热舒适性的评价指标。

图6　室外最高温度为32℃时不同换气次数室内温度变化

式中：tin为室内温度，td为设定的舒适温度上限，通常夏季空调房间设定温度为26～28℃，本文取28℃作为温度上限，换气次数通过△IDCT/△h［7］取值，△IDCT/△h越小，说明室内热环境舒适性越高，△h为换气次数变化值。在2种温度条件下不同的夜间换气次数对室内热舒适性的影响见表3。

表3　不同的通风换气次数对室内热环境的影响

从表3可以看出，当换气次数为3 ac/h时，在30℃和32℃温度条件下△IDCT/△h最小值分别为-2.75和-2.90，此时室内热环境热舒适性相对较好。因此，在达到一定的通风量之后，换气次数增加并没有很高地改善室内热环境。综合图5、图6和表3来看，换气次数选为3 ac/h对改善室内热环境效果较好。

2.4夏季相变房间不同的通风时段对

室内平均温度的影响

同样是夏季室外温度为30℃和32℃的相变房间，在同一通风换气次数3ac/h下，变换不同的通风时段，通风时段选为21：00～7：00、23：00～7：00、1：00～7：00、2：00～7：00四个时段，对室内温度的影响见图7、图8。

从图7可以看出，室外最高温度为30℃时，当通风时段在21：00～7：00、23：00～7：00和1：00～7：00这3个时段内，室内平均温度逐渐降低，依次为25.21、25.19、25.139℃，在1：00～7：00时段内通风，室内平均温度最低，此时段内室外温度低于室内温度，室外的空气进入室内，与室内空气进行很好的热交换，带走室内热量，而相变材料把室外低温空气的冷量储存起来，在2：00～7：00时段内，平均温度为25.143℃，反而比1：00～7：00时段高，在21：00～23：00时段内，比凌晨时的室外温度高，室外的热空气进入房间，热量在房间内表面蓄积，与1：00～7：00通风相比降温效果不明显，所以最终选择1：00～7：00作为夜间通风的时间。

图7　室外最高温度为30℃时不同通风时段室内平均温度变化

图8　室外最高温度为32℃时不同通风时段室内平均温度变化

从图8可以看出，室外温度为32℃时与室外温度为30℃的变化趋势相同，在1：00～7：00时段内通风，室内平均温度最低为26.64℃。

3　经济性分析

基于成都夏天高温天气持续时间短，在6～9月份，最高温度为35℃的天气大概持续7d，其它时间都是35℃以下，而大部分天气都是32℃以下的，为了对不同温度区域采用相变墙后室内的温度变化进行分析，统计了近几年6月1日到9 月30日不同的温度所占天数，计算2种墙体房间的温度变化，结果分别见表4、表5。

表4　温度划分天数占比

表5　2种墙体房间的温度变化

从表5可得出，白天室外最高温度为30℃时，通风相变房间平均温度比不通风普通房间降了1.29℃；而白天室外最高温度为32℃时，通风相变房间平均温度比普通房间降了1.34℃，在这2种温度下可以只开电扇的方式来降温。

从表5和以上分析可得出，对于相变房间，当室外温度在28℃（17d）以下时不用开空调和电扇，当室外温度在28～32℃（73d）时开电扇来代替空调，室外温度在32℃以上（32d）时开空调。按照夏季空调房间设定温度是26～28℃，普通房间的空调期为105d，相变房间的空调期为32d，假设空调的制冷功率为850W，耗电量约为0.85kW·h，1d的开启时间为8h，耗电量为6.8kW·h/d；电扇的功率为70W，开启时间为12h，耗电量大约为0.84kW·h/d，对于普通房间整个空调期的耗电量为714kW· h，相变房间的总耗电量为278.92kW·h，节省用电量60.9%。

4　结论

（1）对于成都地区，白天室外最高温度为30℃和32℃时，在不通风的情况下相变房间的室内温度比普通房间的室内温度分别降低了0.52℃和0.73℃。

（2）相变房间结合夜间通风时，通风换气次数为3 ac/h，通风时段为1：00-7：00能有效地改善室内热环境，在30℃和32℃条件下，与不通风的普通房间相比，温度分别降了1.29℃和1.34℃。

（3）在整个空调期，相变房间可以减少空调的使用时间，相比普通房间节省用电量60.9%。

参考文献：

［1］冯国会，韩淑伊，刘馨，等.相变墙房间夏季夜间通风效果实验［J］.沈阳建筑大学学报：自然科学版，2013，29（4）：693-697. ［2］冯国会，曹广宇，于瑾，等.夏季昼夜温差较大地区相变墙蓄冷可行性分析［J］.沈阳建筑大学学报：自然科学版，2005，21（4）：350-353.

［3］林坤平，张寅平，江亿.我国不同气候地区夏季相变墙房间热性能模拟和评价［J］.太阳能学报，2003，24（1）：46-52.

［4］李百战，庄春龙，邓安仲，等.相变墙体与夜间通风改善轻质建筑室内热环境［J］.土木建筑与环境工程，2009，31（3）：109-113.

［5］吕亚军.相变材料在轻质围护结构中的应用研究［D］.天津：天津大学，2013.

［6］林坤平，张寅平，江亿.夏季“空调”型相变墙热设计方法［J］.太阳能学报，2003，24（2）：145-151.

［7］张洪宇，庄春龙，邓安仲，等.夜间通风量对相变轻质房间室内热环境的影响［J］.后勤工程学院学报，2014，30（2）：56-60.

西华大学流体及动力机械教育部重点实验室开放基金资助（szjj2015-037）；

西华大学研究生创新基金项目（ycjj2015062）

中图分类号：TU55+1.1

文献标识码：A

文章编号：1001-702X（2016）05-0103-04

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51279172）；

收稿日期：2015-12-23

作者简介：许倩语，女，1991年生，云南玉溪人，硕士研究生，主要研究方向为人居环境技术及建筑节能。

Research on the indoor thermal environment of the phase change room based on the night ventilation

XU Qianyu1，SONG Wenwu2，JIANG Zhu2，SHI Jianwei2，WEI Lichao2，YANG Xiuxin2
（1.School of Architecture and Civil Engineering，Xihua University，Chengdu 610039，China；2.School of Energy and Power Engineering，Xihua University，Chengdu 610039，China）

Abstract：Based on DesignBuilder and EnergyPlus software，the representative day that the most high outdoor temperature were respectively 30℃ and 32℃ in Chengdu area，the influence of the phase change material and the night ventilation technology on the indoor thermal environment is simulated，the influence of the wall structure，the ventilation rate and the ventilation period for the indoor temperature is analyzed.Simulation results show：the phase change material and the night ventilation can effectively improve the indoor thermal environment.When the ventilation rate is 3 ac/h and ventilation period is 1：00～7：00，the indoor average temperature of the phase change room is reduced by 1.0～1.5℃.Compared to ordinary room，the phase change room can shorten cooling period and save electricity 60.9%.

Keywords：phase change energy storage，night ventilation，indoor thermal environment，economic analysis