夏熱冬暖地區(qū)某辦公建筑自然通風(fēng)節(jié)能潛力

王亮

上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

0 引言

自然通風(fēng)是一種有效的通風(fēng)方式，相對(duì)機(jī)械通風(fēng)具有降低建筑能耗的優(yōu)點(diǎn)。在全社會(huì)節(jié)能減排的背景下，建筑中的自然通風(fēng)技術(shù)受到熱點(diǎn)關(guān)注。目前國內(nèi)對(duì)于自然通風(fēng)的研究還處于初級(jí)階段，缺乏相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，對(duì)于自然通風(fēng)的節(jié)能潛力尚未形成明確的預(yù)測(cè)方法。對(duì)自然通風(fēng)的適用性分析，不同學(xué)者從不同角度出發(fā)，提出不同方法[1]，其基本原理為從舒適性角度出發(fā)采用熱平衡理論結(jié)合換氣次數(shù)的方法對(duì)單體簡單空間自然通風(fēng)潛力進(jìn)行分析，從而忽略了不同外界風(fēng)速邊界條件及建筑空間結(jié)構(gòu)對(duì)通風(fēng)效果的影響。大部分辦公建筑使用空間分散，結(jié)構(gòu)靈活多變，因此采用常規(guī)的通風(fēng)理論對(duì)辦公建筑通風(fēng)效果及節(jié)能潛力難以做出準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，CFD技術(shù)逐漸應(yīng)用于建筑室內(nèi)外流場(chǎng)的預(yù)測(cè)分析。CFD技術(shù)能夠較為細(xì)致的研究建筑自然通風(fēng)效果。本研究采用CFD技術(shù)結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)，對(duì)夏熱冬冷地區(qū)某辦公建筑自然通風(fēng)的節(jié)能潛力進(jìn)行了研究。

1 氣象條件分析

由于建筑自然通風(fēng)受到當(dāng)?shù)貧庀髼l件影響，因此本研究對(duì)當(dāng)?shù)貧庀髼l件進(jìn)行了考察，逐月室外氣溫見圖1，風(fēng)速風(fēng)向聯(lián)合分布見圖2。

由圖1和圖2可見，當(dāng)?shù)厝曜顭岬脑路轂?月和8月，月平均溫度約為27℃。當(dāng)?shù)仡l率較高風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)及西南風(fēng)(分別為27.5%和13.1%)。鑒于自然通風(fēng)使用時(shí)受到室外溫度及風(fēng)速風(fēng)向條件的影響，因此本研究對(duì)不同溫度區(qū)間風(fēng)速風(fēng)向進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析(根據(jù)舒適性要求，結(jié)合建筑空調(diào)負(fù)荷特性，選取12℃～24℃，按照4℃分段，并取每段平均溫度值作為CFD模擬室外溫度條件)[2]。

圖1 逐月室外氣溫

圖2 風(fēng)速風(fēng)向聯(lián)合分布

2 計(jì)算模型及邊界條件

本研究選取夏熱冬冷地區(qū)某典型辦公建筑為研究對(duì)象，該建筑朝向西南，建筑占地面積為456m2(38m×12m)，建筑模型如圖3所示。該建筑的熱工參數(shù)及建筑得熱如表1所示[3](根據(jù)建筑自然通風(fēng)室外氣溫特征，忽略圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱)。

圖3 典型辦公建筑計(jì)算模型

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)及建筑得熱

根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髼l件分析及建筑辦公區(qū)域空間結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)定計(jì)算工況如表2所示。

表2 工況設(shè)置表

3 計(jì)算結(jié)果及分析

由于辦公建筑使用功能需要，設(shè)定辦公室門為關(guān)閉狀態(tài)，主要依靠開窗進(jìn)行單側(cè)自然通風(fēng)。各工況的計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

由圖4可見，迎風(fēng)側(cè)室內(nèi)通風(fēng)效果優(yōu)于背風(fēng)側(cè)，室外溫度為14℃時(shí)，迎風(fēng)側(cè)部分辦公區(qū)域溫度過低(低于18℃)不能滿足人體熱舒適性要求；室外溫度為22℃時(shí)，背風(fēng)側(cè)辦公區(qū)域除頂層外，平均溫度高于28℃，溫度過高而不能滿足人體舒適性要求詳見圖5。

圖4 各工況計(jì)算結(jié)果匯總

圖5 各工況不同樓層溫度

由圖5可見，迎風(fēng)側(cè)辦公區(qū)域通風(fēng)效果較好，室內(nèi)外溫差為0.3℃～3.7℃；背風(fēng)側(cè)辦公區(qū)域通風(fēng)效果差異性較大；頂層通風(fēng)效果較好，室內(nèi)外溫差為2℃；底層較差，與室外溫差達(dá)11℃。鑒于迎風(fēng)側(cè)室內(nèi)外溫差低于1℃(底層除外)，且不同溫度下，建筑內(nèi)部流場(chǎng)差異較小，結(jié)合人體舒適性要求，對(duì)該辦公建筑適宜自然通風(fēng)的室外溫度設(shè)定為12℃～28℃。由于不同樓層、迎風(fēng)及背風(fēng)的影響，建筑內(nèi)部溫度分布均勻性較差，因此本研究采用適宜自然通風(fēng)的辦公區(qū)域面積作為節(jié)能潛力預(yù)測(cè)的基準(zhǔn)，不同室外溫度下自然通風(fēng)適用的辦公區(qū)域面積如圖6所示；根據(jù)人體舒適性要求，按照4℃分段，12℃～28℃各段累積小時(shí)數(shù)如圖7所示(橫坐標(biāo)為每段的平均溫度，統(tǒng)計(jì)時(shí)段為8:00～18:00)。

圖6 不同溫度下適宜自然通風(fēng)的辦公區(qū)域面積

圖7 不同溫度分段累積小時(shí)數(shù)

根據(jù)以上分析結(jié)果，結(jié)合建筑空調(diào)負(fù)荷計(jì)算值，可得該辦公建筑自然通風(fēng)適用累計(jì)小時(shí)數(shù)為2 401h，節(jié)能潛力為41.5MWh.a-1(根據(jù)空調(diào)新能效標(biāo)準(zhǔn)，COP取3.2，下同)。

本研究進(jìn)一步將該節(jié)能潛力預(yù)測(cè)方法與常規(guī)預(yù)測(cè)方法進(jìn)行了對(duì)比研究。常規(guī)自然通風(fēng)節(jié)能潛力評(píng)價(jià)方法基于建筑熱平衡原理的計(jì)算方法。

根據(jù)建筑熱平衡原理，建筑蓄熱量為建筑凈得熱量[4]。對(duì)于某層建筑忽略樓層間傳熱并假定建筑物內(nèi)溫度相同，可得下式：

建筑溫度變化及室內(nèi)外溫差較小時(shí)，忽略房間蓄熱量及維護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱，式(1)簡化為式(2)。

本文假設(shè)建筑采用自然通風(fēng)，室內(nèi)可接受的溫度范圍為18℃～28℃，當(dāng)溫度低于室內(nèi)最低設(shè)定溫度時(shí)進(jìn)行采暖；高于室內(nèi)最高設(shè)置溫度時(shí)進(jìn)行供冷。按平均風(fēng)速，主導(dǎo)風(fēng)向的風(fēng)速工程計(jì)算方法(全年平均風(fēng)速為1.0m/s，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng))，可得自然通風(fēng)室內(nèi)外溫差為2.6℃。則適用于自然通風(fēng)的室外溫度范圍為15.4℃～25.4℃，經(jīng)統(tǒng)計(jì)得此溫度范圍內(nèi)累積時(shí)間為1 973h，根據(jù)熱負(fù)荷計(jì)算值，可得自然通風(fēng)節(jié)能潛力為52.7MWh·a-1(自然通風(fēng)節(jié)能潛力預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比如圖8所示，方法1為本研究使用方法，方法2為常規(guī)預(yù)測(cè)方法)。

圖8 a 不同預(yù)測(cè)方法自然通風(fēng)適用小時(shí)數(shù)

圖8 b 不同預(yù)測(cè)方法自然通風(fēng)適用節(jié)能量

由圖8a和圖8b可見，本研究所使用的預(yù)測(cè)方法，基于辦公區(qū)域自然通風(fēng)效果差異性(不同樓層、迎風(fēng)側(cè)及背風(fēng)側(cè))考慮了部分辦公區(qū)域自然通風(fēng)適用性，自然通風(fēng)節(jié)能量及適用小時(shí)數(shù)計(jì)算按適用辦公區(qū)域面積計(jì)算，因此自然通風(fēng)適用室外溫度范圍大于常規(guī)預(yù)測(cè)方法，而節(jié)能潛力預(yù)測(cè)值低于常規(guī)方法。

4 結(jié)論

自然通風(fēng)作為有效改善建筑室內(nèi)環(huán)境的節(jié)能技術(shù)，本研究采用CFD數(shù)值模擬方法結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀髼l件對(duì)其應(yīng)用于夏熱冬暖地區(qū)典型辦公建筑的節(jié)能潛力進(jìn)行預(yù)測(cè)，并與常規(guī)預(yù)測(cè)方法進(jìn)行了對(duì)比，通過研究分析得到以下結(jié)論：

1）由于當(dāng)?shù)貧庀髼l件及辦公建筑自身結(jié)構(gòu)特征的影響，辦公區(qū)域通風(fēng)效果差異性較大，迎風(fēng)側(cè)辦公區(qū)通風(fēng)效果較好，室內(nèi)外溫差低于1℃(底層除外)；背風(fēng)側(cè)辦公區(qū)通風(fēng)效果差異較大，其中底層通風(fēng)效果較差，室內(nèi)外溫差高于10℃，頂層通風(fēng)效果較好，室內(nèi)外溫差為2℃。

2）該節(jié)能潛力預(yù)測(cè)方法基于辦公區(qū)域通風(fēng)效果的差異性考慮，結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀髼l件對(duì)自然通風(fēng)適用時(shí)間及不同室外溫度下自然通風(fēng)適用的辦公面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，進(jìn)一步對(duì)節(jié)能量進(jìn)行了預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果為自然通風(fēng)全年適用時(shí)間為2 401h，節(jié)能量為 41.5MWh·a-1。

3）通過與常規(guī)預(yù)測(cè)方法對(duì)比表明，該預(yù)測(cè)方法考慮部分辦公區(qū)域自然通風(fēng)的適用性，因此適用室外溫度范圍更寬為12℃～28℃，常規(guī)方法為15℃～25℃。由于考慮了辦公區(qū)域通風(fēng)效果的差異性，該預(yù)測(cè)方法得到的節(jié)能量預(yù)測(cè)值低于常規(guī)方法(常規(guī)方法節(jié)能預(yù)測(cè)量52.7MWh·a-1)。