從建筑熱工與通風來實現建筑節能目標的現狀分析

(中國建筑第二工程局 河南 鄭州 450000)

前言

目前，民用建筑能耗已經占到我國總能耗的30%以上，而建筑能耗中又以采暖耗能及空調耗能所占的比例最大，占比60%以上，據統計我國 97%的建筑都屬于高能耗建筑，高耗能集中表現在建筑物保溫性差和供熱系統性能差這兩個主要方面。作為我國的國策，研究如何有效地降低建筑物內采暖和空調系統的耗能已經成為實現建筑節能總體目標的關鍵因素[1]。而優化建筑熱工及通風系統可以很大程度上降低建筑能耗。

自2005年2月16日起170多個國家批準加入的《京都議定書》正式生效，協議中明確規定通過提高保溫標準來減少建筑圍護結構的換熱量，這是能夠有效地在工業國家和發展中國家同時推行的一項重大舉措；部分國家是通過立法和政府補貼來共同推動這一重大舉措，用來解決政府機構的協調推動力不夠的問題。建筑節能理念在建筑熱工方面的優化研究主要集中在：加強圍護結構的保溫隔熱能力。據統計，將近30%的熱量從窗戶損失掉，但是若是選擇雙層玻璃，中間充注入惰性氣體，就可以有效的阻斷熱量的損失；還有將近35%的熱量是從墻體通過導熱、對流、輻射換熱方式損失掉的，但是若是在外墻增設由良好隔熱材料組成的保溫層，可以達到良好的節能效果[2]。目前各國追求的智能建筑就是為了達到節能和良好的居住舒適度的雙層標準，低能耗是指在合理的房屋結構，實用的功能、簡潔的外觀基礎上達到最大的節能。

在過去的四十多年間，商業CFD軟件的應用以及專門用于解決房間空氣運動的程序開發逐步增多，CFD的應用范圍包括空氣射流擴散的預測、房間內空氣流速與溫度的分布、空間內污染物的傳播、自然通風的評價與建筑內火災和煙氣傳播的預測等。據大量學者實驗驗證，大部分情況下預測結果與已有的實驗數據相符合[3]。現如今，建立建筑通風數值模型方面已取得巨大的成果，但是為了使CFD能夠成為設計和研究的可靠工具，還有很多的研究開發工作需要進行，比如：魯棒性更強的計算格式，不規則網格建立技術，湍流模型的改進、普遍性更強的壁面函數的建立等[4]。

一、建筑熱工與通風對建筑節能的影響

還有一方面熱量損失是：隨著建筑物保溫材料的改進，保溫性能隨之提高，能耗大幅降低，但是通過建筑物圍護結構的空氣滲透引起的能耗比例不斷上升，有時甚至達到了總能耗的一半。一方面是由于盡管現在已經有了許多針對建筑保溫材料的標準，但針對建筑圍護結構氣密性目前只有少部分北歐國家有相應的標準。另一方面則是由于所有建筑物或大或小均存在著滲透風的緣故，通過建筑物圍護結構的滲透風是由于建筑結構的不完善或者建筑材料的多孔特性造成的，而滲透量則是由建筑物的設計、幾何形狀、具體的結構、建筑材料及建筑物的質量決定的。滲透風是最難控制的通風形式，相關研究報告還比較少，至今還沒有較完備的解決方式，它會產生一些不良的影響，如增加熱負荷、冷負荷、在寒冷天氣產生的吹風感等。通過使用密閉的施工工藝和防漏風措施可以將滲透風量降至很低，從能量守恒的角度來看，這種方法是有利的，但是對室內空氣品質和建筑結構而言則是有害的，通風量較低會導致建筑物內的污染物濃度和濕度增加，并且在寒冷季節會導致水蒸氣的凝結。因此，從新風量的角度、建筑結構、空氣品質、避免水蒸氣凝結等要素來看，如何科學地控制滲透風，與建筑通風相結合，達到節能與高水平室內品質共贏的目的。

Togari和Hayakawa[5]課題組通過對一個比例模型和全尺度模型進行實際測量，得到了一座相撲館內的空氣運動和溫度分布情況，將這些模擬數據應用于優化氣流組織，為實際建筑內部的熱環境提供比較準確的預測；Jackman[6]開發了一個基于圖表和諾謨圖的設計步驟用于估算送風量、送風溫差和送風口尺寸。依據該設計程序，能在高處側墻送風的房間內，可避免出現不可接受的過高的氣流速度，設計出一個滿意的室內空氣分布環境。

綜上所述，在對房屋結構進行設計與建設施工的過程中，必須充分考慮玻璃幕墻以及房間門窗之間的密封性問題，在合理范圍內最大限度的降低冷風滲透的能耗，達到提高房屋的供暖效果和節能效率的目的[7]。基于此可以建立一種根據建筑圍護結構縫隙滲透風動態變化特性來評價建筑物供暖效果和節能效率的模型進行研究分析。

二、建筑熱工與通風對室內品質的影響

在過去的四十多年間，建筑節能理念在建筑通風上的應用已經經歷了很大的變化。在這個階段的第一個十年間，人們將大量的精力集中在建筑中空氣滲透的機理研究上，從而最大程度的控制和減少無組織通風達到節約能源的目的。但是隨之產生了“病態建筑綜合癥”這個新的問題，這是由于滲透空氣的減少所導致的室內空氣品質下降的原因；第二個十年間，學者們根據掌握的病態建筑的形成原因，引進新風這個概念，根據空氣齡、新空氣質量等單位對新風量進行控制及研究；在第三個十年間，專家學者將重點放在節能和保護環境上面，從對自然通風的節能潛力、局部環境的個性化控制等多方面進行調控，以達到建筑節能的目的；在最近的十年里，最新的研究成果表明室內污染物的稀釋效果不僅受送入建筑物室內的空氣數量和質量影響，而且受送入建筑物室內的氣流分布形式的影響。多個國家均制定了新的通風準則和導則來保障室內環境質量以及達到建筑節能的目的[3]。達到設計出節能與室內空氣品質(IAQ)并重的通風系統的目的。

Kurabuchi[8]課題組模擬分析了建筑物內部和周圍環境的空氣流動，使用四種湍流模型對一棟有兩個相對開口的建筑物(空氣對流)周圍的氣流和壓力進行了預測并將其與實驗測量數據進行對比分析，得出了較好的吻合結果。Schaelin[9]課題組研究了浮生力驅動而通過風口的氣流組織，并在二維和三維模擬條件下對比了僅有浮生力驅動和浮生力、風力共同驅動下的模擬結果，結果顯示吻合很好。

因此，為了準確評價建筑圍護結構在動態縫隙通風條件下對建筑物室內空氣品質與節能效果的影響規律及其滲透通風特性，可以建立基于建筑圍護結構縫隙滲透通風(建筑外門窗關閉、無機械通風)、室內無污染源條件下在某地區室內外污染物質量濃度水平、室外氣象參數(如：空氣干球溫度、相對濕度、風速等)等的動態變化實時監測平臺。采用文獻歸納、實時監測數據整理、模擬計算、數據分析等方法，提出一種根據建筑圍護結構縫隙滲透風動態變化特性來評價建筑物空氣品質的模型[10]。

三、結論

綜上所述，結合學科發展前沿，在前人研究的基礎上，結合建筑熱工和建筑通風兩方面，我們可以知道從對建筑物滲透風進行控制的同時分析室內氣流分布形式，對兩者耦合關系進行分析模擬及實驗研究，可以在實現最優節能效果的同時保證室內高水平空氣品質的目的。滲透風是風壓、熱壓以及建筑物周圍氣候條件共同作用下形成的，由于建筑物周圍氣候條件是動態變化的，并且相對城鎮地區，農村地區的房屋結構在滲透風及通風控制處理方面存在較大不足，未來擬建立一個針對某一地區農村住宅的能夠合理控制滲透風以同時達到節能效果和高空氣品質的房屋結構，對其進行理論分析、模擬及實驗研究，找到三者之間的最佳耦合關系，給出滲透風控制策略、目標節能效果、目標空氣品質三者之間的協同控制措施。