應用自然風提高建筑能源運用效率的研究

牛孟鍇　戰莫霏

摘 要：當前，城市工業建筑存在主動通風能耗較大、通風效果差的問題。本文選取陜西省西安市灞橋收費站的空氣情況作為研究對象，參考智能空氣調節技術，通過分析大量實測數據并建立數學模型，得出行之有效的節能減排方案。交通建筑行業每年能源支出頗多，其工業配套建筑的節能減排勢在必行。灞橋收費站作為陜西省第一座大型單體建筑收費站，其存在的許多問題往往極具代表性，因此分析建模得出的結論也具有代表性。筆者著重研究了灞橋收費站的空氣環境條件（溫度、濕度）和能源損耗，探索如何利用自然風能，提高能源利用效率。

關鍵詞：能源利用;節能減排;自然風;調查

中圖分類號：TU8;U45 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）32-0140-03

Study?on?Improving?Energy?Efficiency?of?Building?by?Usingnatural?Wind

NIU?Mengkai ZHAN?Mofei

（School?of?Construction?Engineering，?Chang'an?University，Xi'an?Shaanxi?710064）

Abstract：?At present，?urban?industrial?buildings?have?the?problems?of?large?active?energy?consumption?and?poor?ventilation.?This?paper?selected?the?air?condition?of?Baqiao?Toll?Station?in?Xi'an，?Shaanxi?Province?as?the?research?object，with?reference?to?intelligent?air?conditioning?technology，?by?analyzing?a?large?number?of?measured?data?and?establishing?a?mathematical?model，?came?up?with?an?effective?energy?saving?and?emission?reduction?program.The?transportation?and?construction?industry?has?a?lot?of?energy?expenditure?every?year，?and?energy-saving?and?emission?reduction?of?its?industrial?supporting?buildings?is?imperative.?As?the?first?large-scale?single?building?toll?station?in?Shaanxi?Province，?the?Baqiao?Toll?Station?is?often?representative?of?many?problems，?so?the?conclusions?drawn?from?the?analysis?and?modeling?are?also?representative.?The?author?focused?on?the?air?environment?conditions?（temperature，?humidity）?and?energy?loss?of?the?Baqiao?toll?station，?and?explored?how?to?use?natural?wind?energy?to?improve?energy?efficiency.

Keywords：?energy?utilization;energy?conservation?and?emission?reduction;natural?wind;survey

長期以來，建筑行業從業者存在對“技術至上”觀點的片面認識，所以許多建筑物單純強調依靠高科技手段或設施來達到某些功能要求。此舉雖然達到了直接要求，但也帶來了許多負面影響。以空調為例，不可否認，空調在現代建筑供暖通風中成效顯著，但同時也造成了巨大的能源浪費。《綠色建筑評價標準》（GB/T?50378—2019）對綠色建筑的定義是：在建筑的全壽命周期內，最大限度地節約資源，包括節能、節地、節水、節材等，保護環境和減少污染，為人們提供健康、舒適和高效的使用空間，與自然和諧共生的建筑物。隨著近年來國際能源開采技術難度日趨增大，能源價格也日益高漲。

作為開源節流的一個方面，被動通風式建筑在炎熱季節可以節省巨額空調運行管理費，這種優勢也越來越被人們看重。于是，本文淺談如何合理利用自然風能，降低工業建筑能源損耗，實現能源高效利用。目前，學術界對建筑通風的研究主要集中在主動通風，即以空調為代表的機械通風，但關于工業建筑通風類型對能源損耗和能源運用影響的研究甚少。灞橋收費站是一處具有代表性的工業建筑，筆者運用專業測量設備對二者進行測量，并在后期進行技術分析，以期充分利用自然風能，提高工業建筑能源利用效率并減少能源損耗。

1 被動通風概述

目前，被動通風方式主要有三種。一是天井，利用熱壓和風壓兩種效應（統稱煙囪效應），形成上升氣流，以帶動整體氣流，從而達到降溫效果。南方氣候潮濕，天井不僅可以有效地驅散熱空氣，而且可以讓潮濕的冷空氣盡快散去。二是走廊、弄堂，即穿堂風原理，利用室內外溫度差，形成氣流，從而形成通風效果。三是屋頂結構，皖南的地空調、西南民居的閣樓等也具有降低建筑能源損耗、增強建筑能源利用效率的作用。

但就其應用而言，自然風能在現代建筑中的實踐并不多。僅有的優秀應用，如英國瓦特福德建筑研究所辦公樓、英國漢諾丁大學朱比麗分校、吉巴歐文化中心、德國商業銀行總部大廈等，也是作為經典而存在的。總體來說，現代建筑可以運用自然風能來提高能源利用率，其市場前景廣闊。

王若竹等學者通過參考國內外建筑數據得出，充分利用自然環境條件，如調整建筑物朝向，與當地主導風向垂直或利用風壓促進空氣流動，可以提升工業與民用建筑能源利用效率，減少能源損耗[1]。姜赟程研究認為，被動預熱型通風應用在采暖季或秋冬之交的采暖過渡季，而被動預冷型通風用于夏季制冷或者春夏之交的制冷過渡季，自然通風則適用于溫和的季節[2]。三者相互配合，可以有效縮短空調使用時間并減少空調載荷，從而降低建筑能源消耗，提高能源利用效率。由此可見，自然通風是一種具有很大潛力的通風方式，是人類歷史上調節室內環境的原始手段。通過設計，合理誘導自然通風和控制自然通風，可以減小建筑新風冷熱載荷。利用風壓和空氣熱壓控制氣體沿特定路徑流動，使得室內氣流循環，改善室內熱環境，達到利用自然通風來減少全年空調使用時間、降低建筑能源損耗和提高能源利用效率的目的。

2 調查結果

2.1 使用設備

調查期間，本研究使用的設備如表1所示。

2.2 當地情況

西安屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候區，四季分明，夏季炎熱多雨，冬季寒冷少雨雪，春秋時有連陰雨天氣。年平均相對濕度為70%左右，年平均風速為1.8m/s，全年盛行風向為東北風。

調查期間進行24h不間斷測量，每隔10min測量建筑的實時溫度與實時濕度。由于設備問題，測量時間間隔較大，影響測量成果。墻體反射影響建筑溫度，不同時間內墻體溫度不同，建筑整體封閉，無法達到自然風降溫的效果。但是，從整體來講，建筑固定風口、寬度較大的口處風力較大，風進入建筑內部后，受建筑影響，風向隨時發生改變。

首先在收費站附屬結構空調機房（見圖1）中測定空調壓縮機效率和熱傳導效率，計算分析建筑體能源消耗總量。

接著，分別對建筑內部會議室、數據機房、后勤中心等處進行溫度和濕度測試，對空調制冷制熱效率和空氣流通效率進行計算，如圖2至圖5所示。

最后，對比運用自然通風的房間和通過空調進行調節的房間，進行數據記錄，如表2所示。記錄時間為2019年7月8日（星期一上午）。

通過數據對比和分析，筆者發現，通過機械輔助自然通風，兩者結合可以產生更強的氣流。部分氣流強制性改變，使得通風節能具有更好的效果。建筑節能設計時需要對這兩種方法進行合理應用。研究結果表明，自然進風口的面積比出風口小10%時可達到最高能源利用率，運用中庭通風，屋頂通風可以顯著降低能源損耗，通過計算，通風管道長度不宜超過16m，層間高度應保持在100～250mm。在不同結構設計條件下，自然通風都可以有效降低工業建筑能源損耗，提高能源利用效率。

3 結論

通過調查陜西省西安市灞橋收費站的能源利用方式，筆者得出以下結論。一是風壓作用下的自然通風利用大氣壓力差，經過建筑物的風產生壓力差，促使空氣從迎風面的窗縫和其他空隙進入室內，而室內空氣從背風面孔口排出，形成全面換氣的風壓自然通風。二是熱壓作用下的自然通風利用兩個開口處的高度差和室內外的空氣密度差，使建筑物的垂直方向出現壓力梯度，使氣體從較低的開口進入，高處流出，這樣的設計可以運用到通風塔設計中。三是實現有效被動式制冷，當室外空氣溫度和濕度較低時，自然通風可以在不消耗不可再生能源的情況下降低室內溫度，帶走潮濕氣體，達到人體熱舒適，這有利于減少能耗、降低污染，符合可持續發展的思想。四是可以提供新鮮、清潔的自然空氣（新風），排除室內污濁的空氣，有利于人的生理和心理健康。五是在符合科學理論的基礎之上實現了環境與能源的有機結合，有效利用自然風能，做到低碳環保，對現代建筑通風技術的改進有著重要的現實意義。六是利用自然通風和通風結構的設計可以有效降低建筑結構的能源損耗，提高能源運用效率。在建筑設計中引入自然風，可以成功拉近人與自然的關系，提高人們的生活質量，減少能源消耗，從而降低環境污染，這是實現資源節約型、環境良好型城市房屋建筑設計的有效途徑。

參考文獻：

[1]王若竹，莫畏，錢永梅.被動式自然通風在國外綠色建筑設計中的應用分析[J].建筑技術開發，2009（9）：86-88.

[2]姜赟程.被動節能與自然通風工程[J].才智，2013（33）：282.