建筑自然通風潛力及評價方法探討

尹 鑫，顧曉燕，肖 鵬，鄒金鳳，陳 霞

(1.四川水利職業技術學院，四川 崇州 611231；2.四川水利創新發展研究院，四川 崇州 611830)

1 引言

全球建筑行業所產生的碳排放量占總碳排放量約30%。據聯合國環境署統計，建筑行業導致33%的溫室氣體排放，25%的水資源消耗，25%的固體垃圾排放以及12%的土地資源占有[1]。在城鎮化和國內經濟快速發展的影響下，中國建筑業碳排放量在過去20年大幅增加，從2001年年排放量7 億t增加到2016年的21 億t。然而在建筑使用過程中，暖通空調系統雖能夠提供可靠的、舒適的室內環境，但是卻違背了如今“低碳經濟”的發展模式。

作為被動通風措施，建筑自然通風能夠在不消耗能源的情況下保持健康的室內空氣質量以及熱舒適度[2]。但由于自然通風具有較大的不確定性，當地的氣象條件、建筑物周圍的布置情況、建筑外立面設計、通風策略以及室內障礙物布局(家具、墻體等)都會對建筑自然通風效率產生較大影響。因此，選用正確的自然通風評價方法來預測和評估建筑通風潛力尤為重要。本文以在自然通風模式下的建筑作為研究對象，將圍繞其自然通風潛力評價方法進行探討。

2 建筑自然通風概述

自然通風可以定義為由風壓差、空氣密度差或者熱壓差促使空氣經窗戶、門或者其他建筑的開啟孔口進入或流出室內，從而使建筑室內外氣體進行交換。Etheridge將建筑自然通風分為兩類：立面氣流流動和室內氣體運動[3]。建筑立面氣體流動是指由于室內外氣體的風差或者溫度差所產生，導致氣體通過建筑立面開啟口進行流動交換。室內氣體運動是指由于室內溫度不均勻分布產生的溫度差，使得室內氣體分子受到浮力而產生的流動。

2.1 熱壓通風

熱壓的產生是來自于室內外空氣的溫度差或者濕度差(有時定義為密度差)，這種情況會導致室內外氣體在豎直方向上產生壓力差。當房間氣體溫度較室外氣體溫度高時，室內氣體由于其密度較小而往上升，密度較大的室外冷空氣通過位置較低的入口進入室內后，溫度得到升高而密度逐漸減小從而從位置較高的孔口處流出，形成氣體的流動。由此可見，熱壓通風產生的自然通風率可以由兩個高低不同的開啟口的壓力差來表示，圖1表示在中性面(NPL)上下部的壓力分布情況[4]。

圖1 熱壓通風中孔口及壓力分布示意

Aa和Ab分布表示上下兩個孔口的面積，其中Hn為特征高度表示b口到中性面的距離。H表示上下兩個孔口中心線之間的距離。特征高度Hn表達式為：

(1)

式(1)中，Rab=Ab/Aa代表開口面積比，Ti為室內空氣溫度，T0為室外空氣溫度。

通過建筑邊界的空氣入口處壓力差可以表示為：

ΔPoi=Po-Pi=(ρ0-ρi)gHn

(2)

式(2)中，Pi和P0分別為室內和室外壓力，ρ0和ρi分別為室外和室內氣體密度，g為重力加速度。

公式(2)可以改寫為公式(3)和公式(4)

(3)

(4)

式(3)、(4)中，b為溫度系數 (Pa/m)。

因此，氣體從外側經圖1低處孔口流入內側的流動速率可以表示為：

(5)

式(5)中，Q為體積流量(m3/s)，Cd為開口處流量系數, 無量綱數。

2.2 風壓通風

風是由大氣中的壓力差引起的。靠近地球表面的風的一般流動受到邊界層的影響，所以叫做大氣邊界層，這里的風速會受到邊界層表面摩擦力影響從而減弱。當風的路徑被障礙物(如樹木和建筑物)遮擋時，就會發生能量轉換，速度壓力轉化為靜態壓力，因此在迎風面產生較大壓力Cp1(約為風速0.5～0.8倍)，在背風面會產生較小壓力Cp2(約為風速0.3～0.4倍)。若要計算由風壓產生的通風效率，除了了解建筑物周圍形成風的流動形式以外，還需知道風速和風向。對于布局簡單的建筑物而言，自然通風效率可以定義為如下表達：

(6)

式(6)中，U為與建筑物同高度的測量風速，A為總的通風開口面積m2，Cd為流量系數，ΔCp為風壓系數差(Cp1與Cp2)。

3 自然通風潛力評價方法

在任何有人活動的空間中，通風的目的通常包括兩類：一是為居住者提供新鮮空氣，排出受到污染的氣體，二是消除在密閉空間內產生的熱量，保持室內舒適的熱濕環境[4]。通過對建筑通風措施和相關技術參數的研究，研究者們提出通過運用通風評價指標來預測建筑通風效率，為提高建筑自然通風效率提供適合的策略和設計參數。

3.1 自然通風時間(NVH)

自然通風時間(NVH)常被用于衡量在某個特定區域最大自然通風潛力。它代表著在一年8760 h中，當室外氣候條件(如風速、溫度、濕度)適宜自然通風時的總時間。針對全年不同的室外氣候條件，居住者在非采暖房間內也能夠隨之改變其適應的熱舒適度范圍。NVH指標主要由室內溫度上限值和室內最大風速限值決定。溫度上限值隨著一年中的月份而變化，其計算方式根據公式(7)[5]。Tout代表典型氣象年中月平均室外溫度。ΔT代表室內熱舒適區間的溫度差，對于80%的人可接受范圍，Δ80%等于7℃。當室外干球溫度Tout低于Tup并且高于Tlow=12.8℃(根據ASHRAE55規范中定義的最低送風溫度，為了避免讓人不舒服的氣流[6])。

(7)

ASHRAE 55中對室內最大允許風速uin,max為0.8 m/s。相應的室外風速uout可以通過經驗公式11來計算，該公式綜合了室外風、溫度以及湍流的影響。其中還表示送風口的垂直高度，ΔTmax是Tup與最小送風溫度Tlow的差值。C1是指風速系數，等于0.001；C2是指浮力系數，等于0.0035(ms-2k-1)；C3是指湍流系數，等于0.01 m2S-2。因此，適宜自然通風的最大室外風速uout,up可以通過公式(8)計算得出。

(8)

NVH評價方法雖然獨立于建筑類型并未考慮到建筑相關細節，但能夠在無需對每棟建筑進行建筑能耗模擬的情況下，在建筑設計早期為建筑師和能耗決策者對建筑自然通風的可行性提供寶貴的參考依據。

前文已講到自然通風不僅能夠帶走室內多余的熱量，同時還能將室外新鮮的空氣引入室內并排走室內污濁的空氣。近年來，在中國細顆粒物(PM2.5)污染嚴重，已經成為構成對人們健康的關鍵威脅。PM2.5含有有毒和有害成分的重金屬、微生物等物質。當吸入這些物質時，可以嚴重損害人類呼吸系統。此外，PM2.5沉積在肺部會導致肺硬化、肺癌、下呼吸道感染、慢性阻塞性肺病、中風和缺血性心臟病等[7]。室內PM2.5濃度主要來自于室內和室外。在室外來源方面，PM2.5主要通過室內外空氣交換進入到房間內，比如冷風滲透和通風。而室內來源主要為吸煙、烹飪、燃料燃燒以及其他家務勞動。Martins和da Graca研究了室外顆粒物污染對辦公建筑能耗的影響，其指出如果當室外PM2.5濃度低于12 μg/m3才進行自然通風能降低室內顆粒物污染，保持室內的空氣質量，但會減少20%～60%建筑節能潛力[8]。Yin等評估了中國西北地區自然通風模式的住宅建筑中自然通風率和室內空氣質量(IAQ)的關系[9]。他們表示雖然自然通風可以提供室外新鮮空氣來減低室內甲醛等污染物的濃度，但由于該地區冬季霧霾污染較高，自然通風反而會導致室內PM2.5濃度高于標準限值(GB3095-2012年平均35 μg/m3，24 h平均值75 μg/m3；ASHRAE62.1-2016年平均35 μg/m3，24 h平均35 μg/m3；WHO年平均10 μg/m3，24 h平均值25 μg/m3)。Costanzo等根據預計適應性平均熱感覺指標(aPMV)和當地氣象條件對重慶地區建筑自然通風潛力進行評價，其提出如下的條件來控制冬冷夏熱地區建筑開窗通風[13]：

(9)

3.2 每小時換氣次數(ACH)

每小時換氣次數(ACH)是建筑自然通風評價中的另一個常用指標，其適用范圍可以從室內通風到城市風場研究[14]。ACH表示1 h的進氣流量與房間體積的比例，對于風壓通風ACH可以寫成：

(10)

對于熱壓通風ACH表達為：

(11)

式(10)、(11)中，Ti為室內空氣溫度；To為室外空氣溫度。

3.3 通風效率(E)

通風效率(E)可以用來評價室內污染物的排除效果[15]，其定義式為：

(12)

式(12)中，η為通風效率；Cg為工作區平均濃度，kmol/m3；Cp為排風口濃度，kmol/m3；Cs為進風口，kmol/m3。

3.4 空氣齡(AoA)

空氣齡是指新鮮空氣通過進風口進入房間，再到最終到達測量點所經歷的時間。作為評價房間通風效率的指標，空氣齡只取決于在某一點的速度場(和分子擴散)，相對而言是更簡單、更普遍的衡量空氣質量的指標，同時也可以作為室內空氣質量分布的指標。比如：當新鮮空氣進入房間時，通風效率更好的房間里空氣齡將會更小。而若以污染物濃度為評價指標，則需額外考慮到污染物來源位置和其性質[16]。根據空氣濃度運輸方程，可得到穩態空氣齡的控制方程[17]：

(13)

3.5 壓差帕時數(PDPH)

壓差帕時數是以建筑自然通風能力為基礎，通過計算有效壓差和達到自然通風的必要壓差，從而得出有效壓差超過必要壓差的小時數，預測出該城市自然通風潛能[18]。PDPH無需用復雜的數值方法來計算中性面的高度和有效風壓系數。該方法僅需要從氣象站獲得每小時的天氣數據(包括溫度、風速和風向)以及其他基本建筑參數(如建筑高度、墻體面積、開口率、房間人數、樓面面積以及地形條件)。當PDPH數值較高時，可以得出該城市具有較高的自然通風潛能.。Yang等人提出壓差帕時數計算公式[18]：

PDPH=1hour×Σhours(ΔPeff-ΔPR)

(14)

式(14)中，ΔPeff為熱壓和風壓產生的有效壓差；ΔPR為建筑通風需求壓差；ΔPeff-ΔPR>0。

3.6 氣候潛在自然通風(CPNV)

Causone 建立了一種基于氣候條件而非針對特定建筑的快速自然通風潛力評價方法(CPNV)[19]。該評價方式定義為一年內適宜自然通風模式的總時間與一年內總小時數的比值，如公式(15)所示：

(15)

式(15)中，hNV,1為滿足自然通風條件下的第i小時；htot為一年內總小時數。

CPNV可用于比較在不同氣候條件下，有多少時間可以采用自然通風的方式。同時能為設計人員在給定氣候條件下，早期設計階段便可了解該地區自然通風可以利用的程度，避免了建筑師和工程師不切實際的設計。式中hNV,1取決于室外環境溫度和相對濕度是否在室內熱舒適限值以內，環境溫度和相對濕度可以從典型氣象年數據中獲得(圖2)。

圖2 根據溫度濕度比閾值的分區

但是在實際建筑設計和建筑使用過程中，自然通風仍取決于建筑外立面設計、室內得熱和太陽輻射得熱、通風控制策略以及居住者習慣等。由于CPNV僅僅考慮了氣候條件，而預測出來的自然通風時間偏高，Yoon等提出了一種改進方法，氣候潛在利用率(CPUR)來進行自然通風潛能預測。首先對傳統的自然通風效率(NVE)進行修正提出自然通風降溫效率(NVCE)，NVE模型雖然綜合了建筑朝向、建筑造型以及氣候條件，該修正模型(NVCE)能夠克服NVE評價過程中需要先進行建筑能耗模擬才能進行自然通風潛力預測，然后提出氣候潛在利用率(CPUR)作為建筑自然通風評價指標[14]。CPUR可以簡單的表示為NVCE與CPNV的比值，如公式(16)所示：

CPUR=NVCE/CPNV

(16)

將NVCE與CPUR這兩個指標組合在一起可以在交互設計和能耗建模中提供有用的信息(圖3)。例如，較低的NVCE和較低的CPUR數值表明自然通風不能給特定建筑物提供所需的冷卻荷載，但可以看出建筑物沒有很好地利用氣候潛力，因此仍有改進NVCE的空間。低NVCE和高CPUR值表明盡管氣候資源利用率很高，但建筑仍需要進行機械通風降溫。因此，在進行建筑設計時，建筑師應對建筑物進行再設計以便充分利用較高自然通風潛力。

圖3 NVCE與CPUR組合指標

3.7 熱舒適度

Daghigh等運用回歸分析和方差分析證明了ACH和室內熱舒適度之間有很高的相關性[20]。Rabanillo-Herrero等采用室內溫度、空氣齡以及PMV-PPD模型3個指標來對房間通風質量進行評價[21]。目前最常用的衡量室內熱舒適度評價指標為丹麥P.O.Fanger教授提出的PMV/PPD評價指標[22]。PMV為預測平均投票數，通過公式(20)可以計算出PMV數值，其大小與空氣溫度、平均輻射溫度、相對濕度、空氣濕度、空氣速度、新陳代謝率和衣物隔熱性有關。PPD為不滿意者的百分數，可以預計處于熱環境中的群體對于熱環境不滿意的投票平均值。PMV-PPD熱舒適度模型是人體體溫調節最早的數學模型，其能夠表征人體冷熱反應感覺，該模型提出的指標表示大多數人對熱環境的平均投票值。一共有七級感覺，即熱(+3)、暖(+2)、稍暖(+1)、中性(0)、稍涼(-1)、涼(-2)、冷(-3)。

PMV=[0.303e-0.036M+0.028]

{(M-W)-3.96E-8fcl[(Tcl+273)4-(Tr+273)4]-fclhc(Tcl-T)-3.05[5.73-0.007(M-2)

-pa]-0.42[(M-W)-58.15]-0.0173M(5.87-pa)-0.0014M(34-T)}

PPD=100-95e[-(0.03353PMV4

+0.2179PMV2)]

(17)

式(17)中，M為新陳代謝率(W/S)；W為人體做功率(W/s)；pa為環境空氣中水蒸氣分壓力(Pa)；Tr為輻射溫度；T為空氣溫度(℃)；fcl為穿衣人體與裸體表面積之比；Tcl為穿衣人體外表面平均溫度(℃)；hc為對流熱交換系數(W/s·m2·℃)。

室外氣候會影響室內熱舒適度范圍，人們可以在一年中隨著季節變化而適應不同溫度。在自然通風的建筑中，當室內條件逐漸變得不適時，居住者會采取多種行動以保持舒適，比如開窗、換衣服、增加耐冷熱范圍等。Rijal等對日本住宅建筑熱適度與居住者開窗通風表現進行為期一年的調查。其結果表明居住者開窗通風表現與室內外空氣溫度有關。該研究也證明了采用適應性熱舒適度模型可以更有效地預測室內舒適溫度范圍[23]。中國標準GB50785-2012[24]、美國標準ASHRAE-55[6]、歐洲標準EN15251[25]以及ISO7730[26]均提出了熱舒適度的自適應模型。Yao等采用自動控制“黑箱”理論綜合了當地文化、氣候、社會、心理以及表現適應性，充分考慮人體生理適應性、心理適應性以及行為調節的影響，在PMV-PPD模型基礎上將心理適應和行為調節作為人體熱感覺的負反饋環境，從而建立了適用于非空調環境下建筑的自適應熱舒適預測模型(aPMV)[27]。由此得到PMV與aPMV關系式：

(18)

式(18)中，aPMV為預計適應性平均熱感覺指標；λ為自適應系；PMV為預計平局熱感覺指標。

董夢如[28]對浙江仙居農村地區自然通風建筑冬季室內熱環境進行主觀熱反應投票實地調研。結果表明當地居民具有較強的耐熱和耐寒能力，采用ASHRAE 55-2017標準并不適合作為評價該地區自然通風房間的熱舒適度標準。丁勇花等[29]也證明在評價室內環境時，aPMV模型比PMV模型所得的不滿意率要低，并且在使用aPMV模型進行評價時，可以避免不必要的熱量和冷量損失，在降低能源消耗的同時，保持了室內熱舒適度能維持在可接受范圍內。但由于適應性模型是根據現場測試和問卷調查的結果通過回歸分析建立的，因此，aPMV自適應系數會由環境、社會、人類等多種因素所決定。用該方法來評價某一房間或建筑的自然通風潛力不具有普遍性。

3.8 氣體死點百分比(%DS)

Royan and Vaidya[30]通過實驗證明了水位儀能夠模擬室內氣流組織流動情況，并且提供可視化、可量化的結果。室內氣體死點意味著空氣在這個區域停滯，并且很少甚至沒有和進入房間的新鮮空氣混合。Mundhe等[31]也通過水位儀實驗以死點百分比為指標來評價風壓通風房間的通風效率。死點百分比(%DS)可以當作一個量化進入室內新鮮空氣與室內空氣混合程度的指標，并且能確定房間中通風不足的區域。%DS可以通過以下公式計算得出。從公式中可以看出，%DS越大表明進入房間新風量越少。

(19)

式(19)中，Cmax表示初始最大染料濃度；C表示經充分混合后，某區域的染料濃度。由C=1.42×Pix-1.06計算得出，Pix為實驗照片像素。

4 討論

不同于機械通風，建筑自然通風本身的物理過程是非常復雜的，由主觀因素和客觀因素共同決定。其中，主觀因素主要包括了建筑外立面設計參數、建筑通風策略、建筑物內部布置情況、居住者生活習慣等。客觀因素主要為室外環境的影響，如太陽輻射、風環境、大氣溫濕度、室外污染物濃度等。由于建筑通風本身的難預見性，如何去度量建筑自然通風潛力成為近年學者和研究者所關心的領域。前文中已對當前研究文獻中常用評價標準進行了列舉和探討。這些評價方法可以根據其所適用的范圍不同而分為兩類，一類為區域性評價方法，第二類為特定建筑(房間)評價方法。

自然通風時間(NVH)常作為區域性自然通風潛力評價方法，該方法可以通過獲取當地氣象站或者典型氣象年數據，根據室外溫度、濕度、風速、室外污染物濃度以及當地人適應性熱舒適度范圍和室內空氣質量標準，從而求得一年內滿足自然通風調節時間。NVH方法能夠較快地計算出某地區建筑自然通風潛力，由于其未考慮特定的建筑設計參數，通常作為建筑設計前期的自然通風潛力參考依據。類似的方法CPNV也僅考慮建筑所在地氣候條件，導致預測出的通風潛力偏高。基于CPNV方法，近年Yoon等提出了改進方法(CPUR)[14]，其綜合建筑朝向、立面造型等參數。但CPUR方法未考慮周邊建筑群或遮擋物對風速、風向的影響。還有Yang等[18]提出的壓差帕時數也可以通過計算有效壓差和達到自然通風的必要壓差得到有效壓差來預測該區域的自然通風潛力。

如要對某特定建筑或者房間內通風情況進行詳細分析和評價，以上4種方法并不適用。目前，每小時換氣數(ACH)常用作通風設計中基礎的參考標準來表示室內對新風量的最小要求，并且根據房間功能不同，其數值也不同。空氣齡(AoA)能表示房間排除污染物能力，平均空氣齡小越小，該房間污染物被去除的時間越短。并且空氣齡還可以反映房間局部的空氣流通能力，某點空氣齡越小表示該點空氣越新鮮。死點百分比(%DS)也可評價某點空氣流通效率，但其往往在水位儀實驗中采用。這3種評價方法雖能夠很好地反映室內平均和局部氣流流通情況，但卻無法衡量室內人體的熱舒適度。而人體自適應熱舒適模型(aPMV)能夠綜合預測室內溫度、濕度、風速、穿著、新陳代謝等情況，很好地彌補前面幾種方法的不足。

綜上所述，在建筑設計前期自然通風時間(NVH)、CPNV、CPUR和壓差帕時數(PDPH)均能方便、快速地預測出該地區或城市建筑自然通風潛力。若要對特定建筑室內自然通風能力進行預測評價，每小時換氣數(ACH)和空氣齡(AoA)可表示該房間通風排污效率，采用人體熱舒適模型能反映室內熱舒適程度。

5 結語

本文總結了前人對建筑自然通風潛力評價指標的研究，并對評價的范圍進行了歸納。在進行自然通風評價指標選擇時，需先了解評價的對象、目的和各類評價方法適用的范圍。對較大區域范圍的建筑群自然通風潛力評價，多可采用氣象站所提供的氣候數據便可得出結果。若要對室內通風效率進行詳細分析，則可采用每小時換氣數、空氣齡以及人體熱舒適模型。相關成果可為建筑自然通風相關研究作支撐和參考。