多區域場館類建筑自然通風策略及其節能量評估方法

葉劍軍（1.上海市建筑科學研究院有限公司， 上海 200218；2.重慶市斯勵博工程咨詢有限公司， 重慶 401147）

我國于 2020年在聯合國大會一般性辯論會上首次提出碳達峰、碳中和（“雙碳”）目標，自此“雙碳”目標已成為國家生態發展戰略的主要行動目標。建筑行業發展超低能耗建筑，作為“十四五”期間助力“雙碳”目標的實現實施路徑的重要舉措之一，已成為行業共識。自然通風策略是建筑被動式設計中的重要組成環節。相關熱壓風壓驅動的自然通風設計方法也被廣泛地采用，并制定了相關的技術標準，如 DBJ50/T-372—2020《大型公共建筑自然通風應用技術標準》。

在實際的工程實踐中常常面臨幾個問題：①建筑方案形成中并未引入自然通風理念，而在方案基本確定后，引入自然通風設計策略，往往會對前期建筑方案產生較大影響，有時是顛覆性的；②場館類公共建筑往往是由以大空間分布為主的主體功能區和以小空間隔斷的輔助辦公區的組合而成的多功能區域建筑，其中小空間辦公區往往需要視覺和聽覺的私密性，無法應用通透的設計策略；③當地常年氣候限制，風速不大，可利用風壓全年時長不高。這些問題均制約了自然通風技術在實際工程的應用。因此，需要一套適合于共性條件的普適的自然通風設計與控制策略。

1 自然通風與室內熱環境關系

1.1 自然通風狀態下的熱舒適要求

根據 ANSI/ASHRAE 55a—2011《人類居住的熱環境條件標準》的規定：“人的熱舒適區間上限為 26.0 ℃，濕球溫度上限為 20.0 ℃。”在考慮緯度因素的影響后，可修正舒適上限為 26.8 ℃。在考慮室內風速的影響后，舒適性區間可再次進行修正：如果室內風速流場為 0.2、0.5、1.0 m/s 時，舒適上限可分別增加 1.1、2.3、3.3 K，進而得出本次分析過程中室外舒適性溫度區域。

1.2 全年自然通風的可利用小時數潛力分析

由于室內存在內熱源，假定室內外溫差為 0.5 K，那么對于全年室外氣候條件下，根據項目當地氣候逐時室外溫度的變化，以及自然通風條件下，熱舒適條件在干球溫度 14～28 ℃，濕球溫度≤20 ℃ ，可以統計出全年各月滿足使用自然通風策略的小時數。各月自然通風潛力小時數分析見表 1。

表1 某地各月自然通風潛力小時數分析

1.3 自然通風策略

根據上述自然通風條件下熱舒適度的范圍模型，自然通風對于提高室內熱舒適度的作用在于既可以及時排除室內余熱，降低室內相對于室外的溫升，又可以在室內人活動區域形成一定的風速，提高室內人員的熱舒適度。

1.3.1 自然通風策略基本方法

自然通風是在壓差推動下的空氣流動。根據壓差形成的機理，自然通風可以分為風壓作用下的通風和熱壓作用下的自然通風。在建筑的自然通風設計中,風壓通風與熱壓通風往往是互為補充、密不可分的。一般來說，在建筑進深較小的部位多利用風壓來直接通風，而進深較大的部位則多利用熱壓來達到通風效果。

1.3.2 大空間區域自然通風設計

在實際工程項目中，根據 DBJ 50/T-372—2020 的要求，自然通風的設計任務即是在建筑室內選擇項目中對層高高于 7 m 的室內區域，合理的設計建筑上下部開口方位（根據風向，盡量導入室外氣流）、高度以及開口大小（形成足夠的熱壓和通風量）。并在可能的情況下，在合理位置設置一定尺寸的通風井、排風帽和利用局部太陽能加熱，強化熱壓作用的拔風效果。

1.3.3 其余區域自然通風設計

實際公共場館建筑除了存在有利于熱壓風壓作用的高大空間之外，還有較多區域作為附屬的空間。這些空間往往高度較低，進深較大，數量較多，分布較為集中，在自然通風設計中往往容易忽視。針對這些低空間、進深大、數量較多且集中的區域，無法利用自然的動力達到通風的效果，可以考慮采用機械通風的方式引入外部溫度適宜的空氣，在滿足一定新風量的條件下，及時排除室內余熱，使室內空氣溫度滿足舒適條件；同時，建議設置吊扇等室內機械裝置，增加室內人體活動區域的風速，以滿足室內溫度落在 26～28 ℃ 的臨界區間內的舒適度要求，如圖 1 所示。

圖1 多區域場館建筑的自然通風設計策略流程

1.3.4 自然通風控制策略

由于自然通風模式下，各開口狀態、排風風機狀態、新風系統狀態與常規空調系統均有所不同，因此需要通過一套控制邏輯，根據室內外溫濕度狀態的不同，通過對自然通風模式進行控制，將室內余熱排出室外，降低室內溫度，增加人體活動區域的風速，拓寬舒適區溫度范圍。自然通風控制邏輯如圖 2 所示。

圖2 多區域場館建筑的自然通風控制邏輯流程

2 節能量評估方法

進行自然通風設計，強化自然通風效果，目的是增加非空調運行的時間，減少因空調開啟導致的能源消耗。自然通風節能效益預測方法的基本思想，是利用能耗模擬軟件，先對建筑在基本工況下的全年能耗進行模擬，獲得全年累計能耗值，再對建筑在自然通風控制邏輯下的全年能耗進行模擬，兩者之差即為自然通風的全年節能量。

（1）基準能耗計算方法。假定全年室外氣溫狀態下，建筑不存在任何開窗通風措施，室內余熱僅由圍護結構傳熱的方式達到整體平衡。因此，室內外經常存在 5 K 左右的溫差（視具體建筑有所不同）。當室內溫度超過 26 ℃ 時，即室外溫度超過 21 ℃ 時，空調系統開啟，模擬計算每個空調小時內的能耗，并進行全年累計計算。

（2）自然通風因素情況下的計算方法。當建筑允許通過開啟上下開口、排風裝置以及新風系統的方式，利用自然室外冷源排除室內余熱，使得室外溫度在 16～28 ℃，均不需開啟空調。同樣當室外溫度超過 28 ℃ 之后，空調系統開啟，模擬計算每個空調小時內的能耗，并進行全年累計計算。

（3）其他應考慮的因素。在進行能耗模擬的時候，需要結合公共建筑的運行特點，選擇符合實際且對比模型一致的空調開啟時間，設置與實際相符的冷水機組在部分負荷下的能效曲線參數。

3 案例分析

重慶某展示館項目，建筑主要功能分區包括科普展覽區、科普影廳、公共區、辦公區、后勤服務區等。總用地面積 22450.32 m2，總建筑面積 28460.00 m2（地上建筑面積 21763.00 m2，地下建筑面積 6697.00 m2）。本項目平面圖如圖 3 所示，具體功能分布見表 2。

圖3 重慶某展示館平面圖

表2 重慶某展示館主要功能房間及所在位置樓層

因建筑自身條件所限，完全依靠自然通風來實現過渡季不通過空調系統從而獲得熱舒適的狀態非常困難，在無法通過開足夠面積的窗洞或者以拔風井等形式誘導自然通風的情況下，本自然通風方案為在一層（＋夾層）展廳和二層（＋三層）綜合大廳盡可能多地開窗，實現部分自然通風，達到節約能耗的目的。一層（＋夾層）展廳是上下兩層連通的一個大空間，設置幕墻上下有窗，依靠熱壓進行單側自然通風。二層（＋三層）綜合大廳同樣是上下連通的一個大空間，在西向同樣設置幕墻上下有窗，另外在建筑的東側也有位置可開窗，因此綜合大廳部分可依靠熱壓進行單側自然通風，部分可利用穿堂風風壓實現自然通風通過軟件模擬計算。對于其他區域的空間，目前自然通風的效果遠遠達不到要求，需配合機械通風方式。本項目設置了雙風機全空氣空調機組或單風機全空氣空調機組＋排風機，過渡季節可以通過焓值控制技術實現可變新風比直至全新風工況。

大空間熱壓驅動的自然通風以及其他局部區域的機械輔助通風方式的組合通風模式，使項目最大可能的利用自然通風的節能潛力。依據模擬計算的結果，全年通過自然通風節能（電）約 2.8 萬 kWh/a，占項目空調能耗的 4%。

4 結語

針對目前自然通風設計技術應用面臨諸多建筑內外部空間限制條件的局限性，尤其對于場館建筑多功能區域、大進深等特點，自然通風理念無法落地的現狀，本文在分析了自然通風條件下人體熱舒適區模型的基礎上，提出了在該類多區域場館建筑內，針對高大空間進行自然通風建筑設計，針對小空間采取設置機械輔助通風裝置達到自然通風效果的分類設計策略以及根據 2 種空間進行分類控制的自然通風自動控制邏輯。繼而提出了建筑全域內自然通風的全年節能量計算方法。該方法可為超低能耗建筑能耗的綜合計算，以及節能率的計算提供支撐。