杨昌智，龙展图，陈超，严鹏飞，张泠

(湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082)

夜间通风降温特性及优化控制方法研究*

杨昌智†，龙展图，陈超，严鹏飞，张泠

(湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082)

研究了建筑夜间通风降温特性及其控制方法.选择长沙地区2种不同功能类型的房间作为研究对象，利用建筑能耗模拟分析软件DeST，分析了通风换气时间、换气次数与排风温度之间的关系，研究了不同类型建筑夜间通风降温规律.结果表明，建筑夜间通风的排风温度随通风时间呈对数变化规律；以通风能效最优为目标时，夜间通风存在换气次数和通风时间最优组合，并得到了这个最优组合的确定方法.利用该方法可以实现以通风能效最高为目标的通风系统运行的最优控制.

夜间通风；换气次数；通风时间；通风能耗比；优化组合

随着人们生活水平的提高，公共建筑能耗中空调能耗比例逐年升高.虽然夜间公共建筑的空调系统处于停止运行阶段，但是白天墙体的蓄热以及公共建筑内散热设备在晚上不断释放的热量，势必成为白天公共建筑的一部分冷负荷.北方大部分地区以及一些夏热冬冷地区[1]夏季夜间室外温度相对白天较低，从而导致日夜温差较大，夜间通风可达到很好的降温效果.近年来，国家大力倡导节能减排，建筑节能越来越受到人们的重视.夜间通风技术作为建筑节能的重要措施之一，国内外学者做了较深入的研究.国外对夜间通风研究较早， Shaviv等[2]利用Energy 软件模拟得出以色列湿热地区建筑夜间通风效果与围护结构的蓄热、换气次数以及昼夜温差有很大关系.Artmann[3]等很早就研究建筑围护结构蓄热性能、室内内扰、换气次数和室外气候条件等参数对夜间通风的影响.国内相关研究相对较晚，陈在康等[4]对没有窗户的房间进行了夜间通风模拟，结果表明：利用夜间通风能很好地控制室内温度.李峥嵘等[5]将夜间通风和蒸发冷却技术相结合，对通风时间和通风量进行了优化.王昭俊等[6]利用EnergyPlus建立了办公建筑的模型，对北方地区办公建筑应用夜间机械通风系统与常规空调系统的能耗进行对比.周军莉等[7]通过实验比较了换气次数、通风时间对夜间通风效果的影响，得到一种夜间室内温度计算模型，并进行了验证.至今很少有人研究不同类型建筑夜间通风影响因素：通风换气次数、通风时间与排风温度的关系.本文主要针对公共建筑在夏季及过渡季夜间温度低时，如何选择最佳夜间通风换气次数、通风时间进行探讨.

1 研究方法

本文以长沙地区为例，利用DeST软件模拟计算长沙地区不同功能类型的房间(办公室、超市)在不同室外气象参数下夜间通风时排风温度变化情况.以此来研究分析：不同建筑参数、气象参数条件下，夏季夜间如何选择通风量、通风时间，能带走更多房间余热的同时又节约能源.

1.1 建筑描述

用于模拟的建筑共3层，地上第一层是超市，超市总面积为200 m2，层高为4 m.其他2层房间格局相同，每层有4个办公室，办公室面积均为50 m2，层高3.2 m.各墙面的窗墙面积比见表1.DeST模型如图1所示.

表1 窗墙面积比

图1 DeST建筑模型图Fig.1 DeST building model diagram

1.2 参数设定

1.2.1 热工性能参数设定

围护结构热工性能参数根据GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》夏热冬冷地区的围护结构传热系数限值设定.

1.2.2 气象参数设定

该建筑位于长沙市，模拟计算中采用的逐时气象参数为长沙市标准典型气象年参数，数据来源于《中国建筑热环境分析专用气象数据集》.文中对8月10日、8月12日及9月10日3典型日夜间通风效果进行研究，对应的气象参数如图2所示.

图2 典型日气象参数Fig.2 Typical daily meteorological parameters

1.2.3 室内温度及发热量设定

超市房间夏季空调设定温度为26 ℃，相对湿度为55%～65%，空调开启时间设定为8:00—21:00；办公室夏季空调设定温度为22 ℃，相对湿度为50%～60%，空调开启时间设定为8:00—20:00.空调末端为定风量系统，超市营业厅新风量设定为20 m3/(人·h)、人流密度最大取 0.4人/m2，人均发热量为58 W；办公区新风量设定为 30 m3/(人·h)，人流密度最大取0.1人/m2，人均发热量为66 W.超市室内家具物品数量多，种类繁杂，其蓄热放热对于室温变动以及夜间通风效果至关重要.超市以及办公室人员、照明、设备平均安装功率及作息分别按DeST中不同房间功能类型进行设定.

1.2.4 通风参数设定

超市、办公室的夜间机械通风时间均设定为22:00—5:00，夜间通风开启的换气次数[8]分别为2 h-1， 4 h-1， 6 h-1， 8 h-1， 10 h-1， 12 h-1.

2 模拟结果及讨论

基于以上设定的建筑参数以及建筑模型，用DeST软件进行计算模拟得到排风温度与换气次数、通风时间的关系，结果如图3，图4和图5所示.

图3 办公室8月10日晚不同换气次数下排风温度与通风时间的关系Fig.3 The relationship between exhaust air temperature and ventilation time under different air change rate in August 10th in the office

图4 办公室9月10日晚不同换气次数下排风温度与通风时间的关系Fig.4 The relationship between exhaust air temperature and ventilation time under different air change rate in September 10th in the office

图5 超市8月12日晚不同夜间通风换气次数下排风温度与通风时间的关系Fig.5 The relationship between exhaust air temperature and ventilation time under different air change rate in August 12th in the supermarket

由图3，图4和图5可看出：无论是超市还是办公室，在不同换气次数下，排风温度与通风时间近似呈对数关系.因此，在不同的换气次数下，排风温度可表示为：

tp=alnt+b.

(1)

式中：tp为排风温度，℃；t为夜间通风换气时间，h；a和b是对数拟合得到的系数，反映排风温度的变化规律.对于不同功能类型的建筑，在不同的室外气象条件下进行夜间通风，排风温度变化规律是不同的，所以拟合得到的系数a和b是不一样的.且系数a和b随换气次数变化近似呈对数关系，如图6所示；因此，办公室8月10晚拟合得到的系数a和b与换气次数的关系式如式(2)(3)所示.

(a)

(b)图6 拟合系数与换气次数的关系Fig.6 The relationship between fitting coefficient and air change rate

(2)

(3)

式中：L为夜间通风换气量，m3/h；V为房间容积，m3.

通过以上对排风温度与通风换气时间、换气次数之间关系进行分析得到：长沙地区不同建筑参数、室外气象条件下进行夜间通风，排风温度与通风时间、换气次数都近似呈对数关系，意味着排风温度与取对数后的通风时间、换气次数呈线性关系.因此，对于夜间采取机械通风的建筑，在2种不同换气次数下分别取2个不同时间点的室温，即可近似得到其排风温度变化规律.

3 最优化求解及节能效果分析

3.1 夜间通风的风机能耗

根据某型号风机的样本参数(见表2)得到风机的性能曲线图，拟合得到风机风压与风机风量的关系如式(4)所示.式(4)(5)(6)中L为通风换气量，m3/h；t为通风换气时间，h；Δp为风压，Pa；η为风机效率；Nf为风机消耗的电能， J.

表2 某型号离心风机样本参数

Δp=2×105L2+0.112L+514.5.

(4)

根据风机样本参数可得知风机在不同风量下对应的效率，拟合得到风机效率与风量的关系，如式(5)所示.

η=-4×10-8L2+0.000 3L-0.013 13.

(5)

则风机的电耗

Nf=ΔpLt/η=(2×10-5L2+0.112L+514.5)×L×t/(-4×10-8L2+0.000 3L-0.013 13).

(6)

风机能耗和夜间通风带走的房间余热与通风时间、换气次数相关.当夜间通风带走的室内余热量一定时，最优的通风时间、换气次数组合能使风机的能耗达到最小[9].

3.2 最优换气次数、通风时间组合求解

在带走的房间余热量一定的情况下，最优换气次数、通风时间的求解属于非线性等式约束的最优化问题[10]，可利用MATLAB中fmincon函数求解.以办公室9月10 日晚夜间通风为例，求解得到的换气次数、通风时间组合见表3.

表3 带走不同余热比下风机通风能耗比与通风时间、换气次数组合的对应关系Tab.3 The corresponding relationship between ventilation energy consumption ratio with combination of ventilation time and air changes under taking away different waste heat percentages

以上换气次数和通风时间最优解的求解程序可写入通风控制器程序，通过温度传感器实时监测排风温度，并将排风温度变化反馈给控制器.通过控制器对排风温度变化规律进行分析并计算，最终得到换气次数和通风时间的最佳组合.

3.3 节能性分析

假定房间这部分余热用空气源热泵空调来消除，根据《公共建筑节能设计标准》(GB 50189—2015)中对空气源机组综合能效比的要求(COP=3.2)，考虑到管路系统等损耗，本文中空气源热泵空调系统平均能效比按COP=2.8计算[11]，可推算出常规人工冷源方式消除余热需要消耗的电量.比较人工制冷消耗的电量和夜间通风风机消耗[12]的电量，当夜间通风带走单位余热量消耗的风机能耗小于0.36时，夜间通风比人工制冷更节能.带走单位余热量风机能耗可用风机通风能耗比ε表示，见式(7).

(7)

式中：Q为夜间通风带走的余热，J；tout为夜间通风时间段室外空气温度，℃.

办公室9月10日晚夜间通风开启时室内外温差为5.8 ℃，由图7可知，办公室9月10日晚进行夜间通风时，当换气次数≤4 ACH时，风机通风能耗比随着通风时间的增大而减小，而当换气次数≥6 ACH时，风机的通风能耗比随通风时间的增大而增大.给定通风时间下，当换气次数由2 ACH增大到8 ACH时，通风能耗比不断降低，而当换气次数由8 ACH继续增大时，风机的通风能耗比随之增大.

超市8月12日夜间通风开启时室内外温差为6.4 ℃.由图8可知，超市8月12日进行夜间通风时，不同换气次数下，风机通风能耗比随通风时间的延长而逐渐减少.给定通风时间下，当换气次数由2 ACH增大到6 ACH时，通风能耗比不断降低，而当换气次数由8 ACH继续增大时，风机的通风能耗比随之增大.

从图9可发现：办公室9月10日、8月12日、8月10日晚及超市8月12日、超市8月10日晚，带走的余热百分比一定时，风机的通风能耗比均随换气次数的增大呈先减小后增大的趋势.

图7 办公室9月10日晚不同换气次数下风机通风能耗比与通风时间的关系Fig.7 The relationship between ventilation energy consumption ratio and ventilation time under different air exchange rate in the office in September 10th

图8 超市8月12日晚不同换气次数下风机通风能耗比和通风时间的关系Fig.8 The relationship between ventilation energy consumption ratio and ventilation time under different air exchange rate in the supermarket in August 12th

(a)办公室9月10日晚 (b)办公室8月12日晚 (c)超市8月12日晚

(d)超市8月10日晚 (e)办公室8月10日晚图9 带走不同余热百分比时，风机通风能耗比与换气次数的关系Fig.9 The relationship between ventilation energy consumption ratio and air exchange rate under different percentages of the residual heat

对于办公室功能房间，9月10日晚，当带走的余热百分比≤60%时，换气次数在6～8 ACH之间，通风能耗比最小.当带走的余热百分比≥80%时，换气次数取8 ACH左右比较节能；而8月12日，当带走的余热百分比≤40%时，换气次数在4～6 ACH，风机通风能耗比最小，而当带走的余热百分比≥40%且≤80%时，换气次数取6 ACH左右比较节能，带走的余热百分比≥80%时，换气次数在9 ACH左右最适宜.但是对于不同的通风时间、换气次数组合，办公室8月12日晚风机通风能耗比均大于0.36，并不适合利用夜间通风技术.

对于超市功能房间，8月12日晚，当带走的余热百分比≤60%时，换气次数为5～7 ACH，通风能耗比最小，而当带走的余热百分比≥80%时，换气次数取9 ACH左右比较节能.与办公室8月12日相比，超市房间室内热源发热功率更大，空调停止运行后室内空气温度上升速率较快，夜间通风开启时室内外温差比办公室更大，因此，超市房间8月12日适合利用夜间通风技术，而办公室不适合；超市8月10日晚，当带走的余热百分比≤40%时，换气次数取4 ACH时，通风能耗比最小，而当带走的余热百分比≥40%且≤60%时，换气次数取6 ACH左右比较节能.带走的余热百分比≥80%时，换气次数取9 ACH左右最适宜.但是对于不同的通风时间、室外气象参数及室内余热情况，夜间通风的节能特性不同.如本文的超市8月10日晚风机通风能耗比均大于0.36，采用人工冷源可能更合适.

从图中还可看出，超市的“通风能耗比”比同期办公建筑要低，更适合采用夜间自然通风.

4 结论

1)以长沙地区为例，利用DeST模拟分析不同功能类型建筑的夜间通风降温特性，结果表明：排风温度与通风时间、换气次数近似呈对数关系.

2)对于不同类型的建筑、在不同室外气象条件下进行夜间通风，建筑夜间通风降温规律虽然均呈现出对数函数变化规律，但决定这种对数规律的函数系数是不同的，这就导致最优的换气次数、通风时间组合也不同.可根据本文提出的确定排风温度变化规律的简便方法，在2种不同夜间通风换气次数下，分别测试2个不同时间点的室温，利用其与换气次数及通风时间的对数关系得到排风温度变化规律，进而求解得到最优换气次数、通风时间组合.

3)本文方法可作为控制程序写入控制器，通风控制系统通过监测排风温度变化规律来控制换气次数和通风时间从而实现最优运行.

4)本文基于软件模拟并通过理论研究得到了夜间通风降温规律，并提出了相应的优化控制方法.为了在实际工程中推广应用，将通过对实际建筑的夜间通风的温度变化规律进行测试，进一步进行试验研究，其结果将在后续论文中报道.

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Study on Cooling Characteristics and Optimal Control Method ofNight Ventilation

YANG Changzhi†，LONG Zhantu，CHEN Chao，YAN Pengfei，ZHANG Ling

(College of Civil Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China)

The cooling characteristics of night ventilation and control method were studied.Two rooms with different functions in Changsha were selected as the research objects,which were simulated by DeST,respectively.By analyzing the relationships among ventilation time,air exchange frequency and exhaust temperature,the cooling characteristics of night ventilation for different buildings can be obtained.The results show that the exhaust temperature varies logarithmically with ventilation time.A method to determine the optimal combination between air changes and ventilation time under taking the same waste heat of room can be obtained when the optimal ventilation energy efficiency is taken as the goal.By using this method,the optimal control of the ventilation system operation can be achieved for the highest ventilation energy efficiency.The method and the results are available for the optimal design and operation of the night ventilation system.

night ventilation； air changes；ventilation time；ventilation energy consumption ratio；optimized combination

1674-2974(2017)07-0199-06

10.16339/j.cnki.hdxbzkb.2017.07.026

2016-05-13

国家自然科学基金资助项目(51578221),National Natural Science Foundation of China(51578221)

杨昌智(1963—)，男，湖南宁远人，湖南大学教授，博士生导师†通讯联系人，E-mail:yang0369@126.com

TU834.3

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