喬清鋒 周勃 宋勝波 李佳殷

沈陽工業(yè)大學建筑與土木工程學院

0 引言

城市化的快速進程使得大量的公共建筑在城市中拔地而起，公共建筑等建筑所消耗的能源更大，充分利用自然能源和清潔能源,不僅可以改善室內空氣品質,同時能夠達到降低建筑能耗的目的[1]。夜間自然通風既可在過渡季節(jié)提供新鮮空氣和降低室內溫度，又可在制冷季節(jié)排除室內蓄熱、減少空調使用時間[2-3]。

目前，學者們對重慶、上海等夏熱冬冷城市和北京，西安等寒冷城市的高校宿舍、辦公建筑、普通住宅的夜間通風節(jié)能效果做了研究[4-7]。研究結果顯示，夜間通風減少空調的運行時間，降低建筑能耗，其節(jié)能效果主要受氣候因素、圍護結構蓄熱性、室內得熱量、通風方案的影響。夜間通風充分利用了自然清潔能源，改善室內空氣品質的同時降低了建筑能耗，并使居住者獲得更好的舒適體驗。然而在嚴寒地區(qū)對于醫(yī)院病房的夏季夜間自然通風的研究鮮有報道。

本文通過設計沈陽某醫(yī)院病房夏季夜間自然通風方案，模擬其室內環(huán)境，并分析該醫(yī)院病房夏季采用夜間通風后，室內溫度及CO2的變化情況，與實測數據對比，進行節(jié)能性分析，計算節(jié)能率，為嚴寒地區(qū)空調系統(tǒng)的夏季夜間節(jié)能運行提供參考依據。

1 建筑基本概況

沈陽市某醫(yī)院住院樓建于2002 年，主體建筑南北朝向，地上8 層，占地面積約1500 m2。住院樓包括普外科等7 個科室病房，病房床位約350 張，空調面積約9400 m2。夏季病房室內空調設計溫度26 ℃，相對濕度≤65%，住院樓冷負荷517 kW，熱負荷611 kW，主機選擇2 臺螺桿式機組，末端采用風機盤管制冷供暖。其中重癥醫(yī)學科（ICU）使用潔凈空調，配備獨立的冷熱源。

經過課題組調查得知，住院樓內部分為多個科室，且對空調的使用時間存在差異，另外進出住院樓的醫(yī)患人員流動異常頻繁，病房夏季一般在晚上22:00 空調關機，直至次日上午8:00 開啟空調。但是，部分病人考慮到住院費中包含空調費用，在夜間仍關窗關門并保持空調運行。由此在夜間病房溫度低于22 ℃的情況下設備機組仍需處于運行狀態(tài)。

2016 年課題組對醫(yī)院住院樓的空調系統(tǒng)實施了能耗監(jiān)測，2016 年該醫(yī)院夏季空調運行期為6 月20日～9 月30 日，共計103 天，遠遠超過沈陽地區(qū)平均85 天的制冷期天數，該住院樓全年制冷平均電耗為25.42 kW·h/(a·m2)，是一幢空調能耗偏高的建筑。如表1 所示，熱泵機組的電耗占總能耗的60.82%，水泵的電耗占總能耗的26.57%，風機盤管電耗占總能耗的12.61%。因此，減少熱泵機組的運行時間可以大大降低運行費用，提高建筑節(jié)能率。

表1 2016 年住院樓制冷耗電量

2 病房的物理模型及數學假設

2.1 病房的物理模型

利用FLUENT 技術對滿足夏季夜間通風條件的病房進行模擬分析。如圖1 所示，通過Gambit 建立尺寸為7.8 m×3.6 m×3.3 m 的某病房幾何模型。模擬結果取X=1.6 m 和Y=1.25 m 處截面，該模型簡化了病人及室內家具，二氧化碳產生量按照人在休息狀態(tài)下每分鐘0.25 L 計算。

圖1 某病房幾何模型

2.2 病房的基本假設與數學模型

為方便計算，對病房計算模型作出了一些基本的假設[8]：

1）病房內的氣流為定常流動，低速流動，不可壓縮，滿足Boussinesq 假設即流體密度變化僅對浮升力產生影響。

2）病房內氣體流動為穩(wěn)態(tài)流動。

3）空調送風為穩(wěn)態(tài)湍流流動。

4）忽略固體壁面和物體間熱輻射。

5）病房完全封閉，不考慮漏氣的情況。

6）病房內空氣為輻射透明介質。

速度與壓力耦合采用SIMPLE 算法。病房空調通風狀況模擬中湍流模型選用標準K-ε 雙方程求解。

3 夜間通風方案設計

通過中國天氣網選取沈陽2016 年7 月1 日、7 月15 日、8 月1 日、8 月15 日、8 月30 日夏季22:00-8:00幾個典型的夜間溫度如圖2 所示。

圖2 夜間逐時實測室外溫度

由圖2 可知，沈陽市7、8 月份最熱月的室外干球溫度在晚上22:00 后幾乎均低于25 ℃，夜間室外最高溫度27 ℃，最低溫度13 ℃，晝夜大溫差非常適合夜間自然通風。夜間0:00 的平均溫度21.4 ℃，最低溫度出現在凌晨4:00 左右，有利于延遲上午空調的開啟時間。根據夜間實測數據知，沈陽市夜間室外溫度高于27 ℃，相對濕度大于70%的小時數共計154 h，僅占夜間總小時數的14.95%。

結合以上數據和沈陽市夏季通風室外計算溫度28.2 ℃，相對濕度65%的情況，初步確定夜間22:00-8:00 的室外平均溫度tw和相對濕度Φ 在不同范圍內時的夜間通風方案：

1）當tw≤25 ℃，具備較好的夜間自然通風條件，同時可考慮延遲上午空調的開啟時間。

2）當25 ℃＜tw＜28 ℃，具備夜間通風潛力，需進一步分析通風方案。

3）當tw≥28 ℃，Φ≤70%或tw＞28 ℃，Φ＞70%，不具備夜間通風條件，考慮機械通風。

4 病房室內環(huán)境模擬與分析

4.1 自然通風

4.1.1 方案一室內環(huán)境模擬

當tw≤25 ℃具備夏季夜間通風條件時，關閉空調系統(tǒng)，此時自然通風速度取值0.5 m/s，進入室內溫度取值25 ℃，得出的病房室內溫度與CO2質量分數模擬結果如圖3、圖4 所示。

圖3 不同截面溫度云圖

從圖3 中可以看出，病房夏季夜間通風情況下，靠近窗戶側的室內溫度普遍偏低，除局部區(qū)域溫度高達27 ℃外，室內大部分溫度處于26.6 ℃以下，滿足室內病人對溫度的要求，且有助于白天推遲制冷機組的啟動時間、降低啟動負荷。

圖4 不同截面CO2 質量分數分布云圖

由圖4 可以看出，在病房夜間開窗關門條件下，室內CO2質量分數遠遠小于《室內空氣質量指標》GB/1883-2002 中規(guī)定的0.1%。

4.1.2 方案二室內環(huán)境模擬

當25 ℃＜tw＜28 ℃同樣具備夏季夜間通風條件時，關閉空調系統(tǒng)，此時自然通風速度仍取值0.5 m/s，進入室內溫度取值26 ℃，得出的病房室內溫度與CO2質量分數擬結果如圖5、圖6 所示。

圖5 不同截面溫度云圖

圖6 不同截面CO2 質量分數分布云圖

從圖5 中可以看出，病房夏季夜間通風情況下，病房室內靠近外窗側溫度普遍偏低，室內大部分處于26.6～27.5 ℃，只有極少數區(qū)域超過28 ℃，滿足室內病人對溫度的要求，且有助于白天推遲制冷機組的啟動時間、降低啟動負荷。

由圖6 可以看出，在病房夜間開窗關門條件下，室內CO2質量分數遠遠小于《室內空氣質量指標》GB/1883-2002 中規(guī)定的0.1%。

4.1.3 方案三室內環(huán)境模擬

當tw≥28 ℃，Φ≤70%或tw＞28 ℃，Φ＞70%病房夜間不具備自然通風條件，采取機械通風時，設定風口送風速度為4 m/s，設定送風溫度與開窗關門條件下相同，得出病房室內溫度與CO2質量分數模擬結果如圖7、圖8 所示。

由圖7 可得，病房夏季夜間機械通風情況下，病房室內大部分區(qū)域溫度處于27.5～27.7 ℃之間，極少數區(qū)域溫度處于28.2 ℃附近，相比較與開窗關門條件下溫度偏高，但滿足室內病人對溫度的要求。

由圖8 可知，在病房夏季夜間機械通風條件下，室內CO2質量分數值相較與夜間開窗關門自然通風值情況下的質量分數要高，但仍低于《室內空氣質量指標》GB/1883-2002 中CO2質量分數不得超過0.1%的限值。

圖7 不同截面溫度云圖

圖8 不同截面CO2 質量分數分布云圖

3.3 病房室內環(huán)境實測數據情況

為了驗證模擬結果的正確性，課題組對病房室內環(huán)境進行現場監(jiān)測，如圖9 所示，分別標明病房內的監(jiān)測點A、B、C。

為確保數據的準確性，課題組將測試時間分為三個時段：23:00-24:00 夜間時段、24:00-8:00 夜間睡眠時段：8:00-9:00 清晨時段。使用TZS1361 記憶溫濕度計、CO2質量分數記錄儀、TY-9900 數字微風儀等儀器對夜間病房內溫度、相對濕度、CO2質量分數、室內風速等數值進行監(jiān)測。

圖9 病房測點分布圖

通過實地監(jiān)測得出夏季夜間病房開窗關門、關窗關門條件下室內溫度值、CO2質量分數。夏季夜間病房內模擬與實測數值對比可得表2。

表2 實測值與模擬值比較

由表2 可知，實測值與模擬值非常相近，可以得出該模型的模擬值是可以用來分析實際問題的。同時，也可以看出夜間病房在關門關窗條件下溫度和CO2質量分數均高于夜間開窗關門的情況，說明在關門開窗情況下夜間自然通風能夠很好的改善室內空氣質量為病人提供舒適的住宿環(huán)境。

4 結論

1）本文采用數值模擬的方法，在不同室外溫度和濕度條件下預測夜間開窗關門和關窗關門時室內溫度和CO2質量分數分布情況，分析夜間通風對室內熱濕環(huán)境的影響。

2）在關閉空調系統(tǒng)條件下，采用自然通風：當tw≤25 ℃時，上午空調開啟時間是10 點。當25 ℃＜tw＜28 ℃，上午空調開啟時間是9 點。當tw≥28 ℃，Φ≤70%或tw＞28 ℃，且Φ＞70%，不具備夜間通風條件，采用機械通風時需對新風進行預處理。

3）根據沈陽夏季夜間室外溫度的變化范圍可知，夏季夜間適用于采取夜間自然通風的天數占比約為75.73%。

因此，在嚴寒地區(qū)使用空調系統(tǒng)的同時，合理利用夜間自然通風條件對公共建筑節(jié)能具有重要意義。