建筑物热过程模拟分析

建筑物热过程模拟分析

【摘要】：广建筑物热过程模拟分析的方法正在越来越广泛的应用在实际工程案例中，通过热过程的模拟分析可以优化工程设计，指导实践。文章以一个单层二房间建筑为例，模拟了不同建筑形式和夜间通风原则下的工况，得出了不同地区选择通风策略的基本原则和方法。

【关键词】：模拟分析; 通风

一、模型建立

本模型为一单层二房间建筑（2*5×5×3.6m3），考虑不同地区（北京、广州）、不同建筑形式（轻、重围护结构）、夏季不同夜间通风原则（换气0.5次/hr及2次/hr），共设计了8种计算工况见表1：

每房间设置人员0～3人，灯光负荷0～5W/m2，设备热扰0～200W，空调全开，空调温度18～26℃，容忍温度16～29℃。

模型计算所用软件为DeST-h 2003年8月版。

二、模拟计算结果及分析

由于我们只想得到夏季夜间通风对建筑物的影响，而且通风策略也仅在6月到9月中旬有所区别，所以模拟结果的分析仅围绕制冷工况展开。

为得到不同工况下的实际效果，以下比较了全年累计冷负荷（kW·h）、基础室温、实际开空调小时数、不同策略下室内温差等参数。

我们可以看出：

对于本算例类型的民用住宅，首先一点，广州的冷负荷要比北京大好多。这主要由于广州夏季平均气温较高所致。这一点也导致了后面一系列问题的出现。

分析夜间通风影响：

对于北京，从各项指标来看，全年累计冷负荷、基础室温统计、以及开空调小时数，都显示出夜间通风量大的情况要比通风量小的情况好。对于轻型建筑省能24.1%，重型建筑省能31.1％。（这里暂不分析建筑形式影响，后面给出）

对于广州，从全年累计冷负荷来看，通风量大的情况要好些，但优势并不明显，轻型建筑省能仅0.7%，重型建筑省能6.2％。

而从基础室温大于26℃的小时数来看，二者均是同一数值，只有从基础室温大于26℃的度小时数可看到通风量大的情况稍好些。

开空调小时数，在case5和case6的对比中，尤其看到了反面结论，即通风量大的建筑开空调小时数反而更长。单独看每个房间的全年累积冷负荷，room1在case5为1740.49kW·h，在case6为1740.86kW·h，room2在case5为1909.16kW·h，在case6为1882.33kW·h，确实room1在通风量大时冷负荷反而更大。也就是说：在本算例中，夜间通风不一定省能。

分析上面情况出现原因，考虑到以下几点：

广州夏天平均气温较高，气温日较差小。如下图示，广州最热月7月温度平均值为28.65℃，日最低温度的月平均也有25.52℃，那么就会有相当一部分时间夜间气温也在26℃以上，但不能仅据此就说通风增大了室内负荷。因为多数情况下，室内由于有人员、设备等热扰，其自然室温是要高于室外气温的（这从模拟结果数据对比中也同样得到了验证），这样通风是要带走一部分室内热量的。如果通风带走了室内余热，且排风温度（即房间温度）不超过最高容忍温度29℃的话，那么空调就不会开启，这样就减少了空调系统的冷负荷。但一旦风被加热后的温度高于29℃，那么空调就要开启，此时冷负荷就不仅仅是室内原有负荷，还要加上通入的风的负荷（指气温高于26℃时）。room1出现通风量大时冷负荷反而大的情况可能就是由于这个原因造成的。

不同通风策略下室温差值对比：

通风量大时（case2、case4），基础室温明显要比相应建筑形式通风量小时（case1、case3）低，体现出通风降温的作用。但轻型建筑基础室温日低夜高，重型建筑日高夜低，其原因尚待分析。初步考虑是夜晚人员灯光等负荷大，因而轻型建筑如是变化；而重型建筑房间热惯性大，所以夜晚负荷增大时，由于墙的冷却作用而使气温升高不多，而墙内积蓄的热量较多，到白天就增加了一部分负荷。

夜间通风量增大时室温降低，造成白天室温也相应降低，考虑定义蓄冷效率为白天气温降低量除上夜间气温降低量，比较两种围护结构的蓄冷效率。由于Dest为动态逐时计算，考虑将20时到次日7时这段加大通风的时间内的平均温度作为夜间温度，7~19时的平均温度作为白天温度。为适当消除随机因素，用7月14、15、16日三天的平均值进行计算可以得出，重型建筑由于夜间蓄冷多，蓄冷效率比轻型建筑要高些。

但这项参数只是从基础室温的角度分析了两种建筑形式的特点，在实际的空调运行中，不能断定重型建筑就省能，其原因与前面分析全年负荷时类似（最后结论时会有说明）。

结论

通过模拟和分析，得到以下结论：

对于夜间气温较低（低于空调控制温度26℃）的地区，采用夜间通风可以省能。此时若为重型建筑，则可在夜间积蓄更多的冷量，因此更有利于减小冷负荷。

夜间气温较高（高于空调控制温度26℃）的地区，采用夜间通风则不一定省能。如果夜间气温高于最高容忍温度（29℃），则一定不省能；当其在26℃到29℃之间时，如果通风带走了室内余热，且排风温度（即房间温度）不超过最高容忍温度29℃的话，那么空调就不会开启，这样就减少了空调系统的冷负荷，此时若为重型建筑，则可缓解室内温升，使其不易达到29℃，空调不开，是能够省能的。但一旦风被加热后的温度高于29℃，那么空调就要开启，此时冷负荷就不仅仅是室内原有负荷，还要加上通入的风的负荷，因而也就费能了，此时若为重型建筑，则墙也作为一个需要降温的蓄热体了，就会更费能了。

因此，要根据不同地区的实际气候情况来选择建筑形式及通风策略，才有可能更合理地利用自然资源，最大程度地实现能量的节约。

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。