日较差对居住建筑夜间通风室内热环境的影响

臧紫阳 樊越胜 王欢 张鑫

西安建筑科技大学建筑设备科学与工程学院

0 引言

近几年，我国建筑业飞速发展，建筑能耗也呈现稳步增长的趋势[1]。为了实现建筑节能，被动式建筑节能技术逐渐成为业界研究的重点问题[2]。夜间通风作为一种被动式节能技术，不仅能降低建筑能耗，也可保证室内充足的新鲜空气，有效改善室内热环境，因此受到越来越多的关注。

夜间通风的影响因素可分为三类：气候参数，如室外气温、日较差、风速和风向等。建筑参数，如建筑的蓄热性能、围护结构的传热系数、内部热扰等。技术参数，如通风量、通风时段等[3-7]。亓晓琳、陈海旎等人对夜间通风的适用性和节能潜力进行了研究，结果表明夜间通风的效果随着纬度的增加而增大[8-9]。王昭俊等人发现夜间机械通风能够显著改善哈尔滨地区办公建筑的室内热环境，有效推迟空调开启的时间，降低建筑能耗[10]。冯国会、杨柳等人发现建筑相变蓄热与夜间通风的结合，可以降低室内白天的温度，实现了节能的目的[11-12]。

但上述研究多集中在办公建筑，而对居住建筑夜间通风室内热环境的研究相对较少。为此，本文采用Energyplus软件分别就日较差为4 ℃，6 ℃，8 ℃，10 ℃和12 ℃时，夜间通风对室内空气温度、平均辐射温度的影响进行了模拟研究。

1 建筑模型及参数设置

选取西安地区某典型公寓建筑为研究对象，该建筑长57.90 m，宽18.60 m，层高3.12 m，共30层，南北朝向，如图1所示。表1为其部分热工参数。

图1 建筑模型

表1 建筑围护结构的传热系数

该公寓建筑夜间通风的模式为22:00～7:00时段，当室外空气温度低于室内空气温度时，采用机械通风，其它时间则进行渗透通风[7-8]。该建筑机械通风的换气次数设为10次/h，渗透通风的换气次数设定为0.5次/h[10]。

假定研究时段为休息日，设定该公寓每个房间为2人，室内设备产生的热量为2 W/m2。该公寓每个房间有两个功率为15 W的日光灯，发光效率为50%，故室内照明的散热量为15 W，照明使用率：7:00～8:00为0.2，8:00～8:30为0.1，19:00～22:00为0.8，22:00～23:00为0.2[13-14]。

2 模型验证及工况设置

2.1 模拟验证

选取该典型公寓建筑某房间进行实验验证，为排除人为活动等因素造成的误差，实验在无人员、照明等热源条件下进行，室内仅考虑由通风机运行的散热量，室内测点的布置[15]如图2所示：

图2 室内测点布置示意图

室外测试仪器采用小型气象站，测试参数为空气温度、相对湿度、风速、太阳辐射。室内测试仪器采用DS1923温湿度记录仪、DS1922L温度记录仪。测试参数为空气温度、相对湿度及围护结构内外表面温度。模拟时，用实验期间室外气象参数替代原天气文件的相应数据，室内空气温度模拟与实测的对比具体如图3所示。

图3 室内空气温度实测与模拟对比

由图3可知，室内空气温度的模拟值与实测值的变化趋势一致，最大的误差为0.32 ℃，相对的误差在-0.81%～1.05%之间。但模拟值夜间低于实测值，白天高于实测值，可能是模拟中未考虑室内家具和装饰材料的蓄热性引起的误差。

2.2 工况设置

根据实验期间8月19日的室外气象数据，可得到室外气温随时间的波动规律[16]为：

式中：x表示时间；y表示室外气温；A为29.6 ℃，表示室外日平均气温；B表示振幅，反映了日较差的大小。通过改变振幅，可以得出不同的日较差情况下室外气温的逐时值。

3 结果与分析

夜间通风对居住建筑室内热环境的影响，可以采用空气温度，有效温度及新有效温度等指标来进行评价[14]。考虑到室内空气温度受夜间通风的影响较大，且室内蓄热体蓄存的冷量是通过对流和辐射换热的方式来降低室内温度的。因此，本文采用室内空气温度和平均辐射温度两个指标来评价夜间通风的效果[4]。

3.1 夜间通风效果

以日较差为8 ℃时为例，图4给出了未进行夜间通风和进行了夜间通风时，室内空气温度、平均辐射温度随时间的变化情况。

图4 无夜间通风与夜间通风的比较

如图4所示，夜间通风可以削减室内温度的峰值，降低室内空气温度、平均辐射温度整体水平。8 ℃日较差时，夜间通风室内空气温度及平均辐射温度的峰值分别为30.31 ℃、29.73 ℃，与无夜间通风时相比，分别降低了0.32 ℃、0.34 ℃。分析可知，夜间通风时室内温度降幅较小，说明仅依靠围护结构蓄存的冷量，降温潜力非常有限。

机械通风时段，室内受室外气温影响变化较大。室内气温随时间的增加先下降后上升，4:00时达到最低为27.17 ℃，与无夜间通风时相比，降低了2.07 ℃。机械通风时段，室内空气温度多数时间低于居住建筑夏季室内设计温度的上限28 ℃[17]，室内热环境有明显改善。同时可以发现，7:00～9:00时段，室内空气温度增幅较大，这是由于7:00时机械通风结束，室内仅依靠渗透进行通风，无法将热量有效排出所造成的。

3.2 室内空气温度

图5给出了夜间通风时，室内空气温度在不同日较差情况下随时间的变化情况。

图5 不同日较差情况下的室内空气温度

如图5所示，室内空气温度随日较差的增大而降低，且机械通风时段降低显著。4 ℃日较差时，室内平均气温、最低气温分别为29.54 ℃、28.39 ℃。与4 ℃日较差时相比，日较差为6 ℃、8 ℃、10 ℃、12 ℃时，室内平均气温分别降低了0.22 ℃、0.45 ℃、0.67 ℃、0.88 ℃，最低气温则分别降低了0.60 ℃、1.22 ℃、1.82 ℃、2.38 ℃。

渗透通风时段，室内气温随日较差的增大而降辐较小，尤其是对温度峰值的削减并不明显。与4 ℃日较差时相比，12 ℃日较差时室内最高气温仅降低了0.08 ℃，这是因为日平均气温相同时，日较差的增大虽然增加了围护结构的蓄冷量，但也升高了白天的室外气温，致使室内气温降低并不显著。

由图5可知，适宜的日较差下，夜间通风可以有效降低居住建筑的室内气温，尤其是人体睡眠时段的室内气温。我国居住建筑夏季室内设计温度范围为24～28 ℃，此时可认为人体处于热舒适状态[17]。图5表明室内处于热舒适时段的比例随日较差的增大而增加。4 ℃日较差时，室内均处于热不舒适时段。当日较差为6 ℃、8 ℃、10 ℃、12 ℃时，室内处于热舒适时段的比例则分别增至16.11%，28.06%，32.01% 和34.86%，这说明当室外日平均气温相同时，较大的日较差能够保证室内较多时段处于热舒适状态。

3.3 室内平均辐射温度

图6给出了夜间通风时，室内平均辐射温度在不同日较差情况下随时间的变化情况。

如图6所示，随着日较差的增大，室内平均辐射温度的峰值有所削减，整体水平有所降低。4 ℃日较差时，室内最低及最高平均辐射温度分别为29.29 ℃、29.90 ℃。与4 ℃日较差时相比，当日较差为6 ℃、8 ℃、10 ℃、12 ℃时，室内最低平均辐射温度分别降低了0.15 ℃、0.34 ℃、0.53 ℃、0.71 ℃，室内最高平均辐射温度则分别降低了0.08 ℃、0.17 ℃、0.27 ℃、0.36 ℃。通过分析可知，虽然机械通风时段，室内平均辐射温度的降幅比渗透通风时段大，但与室内气温相比，室内平均辐射温度的降幅仍然较小。

图6 不同日较差情况下室内平均辐射温度

同时可以看出，与室内气温变化相比，室内平均辐射温度的波动幅度相对较小，基本在1 ℃范围内，且最低平均辐射温度都出现在机械通风时段结束的7:00左右，这是由于建筑围护结构具有蓄热性能所造成的。

4 结论

本文采用建模软件建立了西安地区某典型公寓建筑模型，通过实验验证了数值模拟结果的准确性，并分析了日较差对居住建筑室内热环境的影响，结果表明：

1）夜间通风可以削减室内温度的峰值，降低室内温度的整体水平。8 ℃日较差时，与无夜间通风相比，室内最高气温、最高平均辐射温度分别降低了0.32 ℃、0.34 ℃。

2）随着日较差的增大，室内气温、平均辐射温度逐渐降低，且机械通风时段比渗透通风时段降低更加显著。

3）室内处于热舒适时段的比例随日较差的增大而增加。当日较差为4 ℃、6 ℃、8 ℃、10 ℃、12 ℃时，室内处于热舒适时段的比例分别为0，16.11%，28.06%，32.01%和34.86%。