沿海地區(qū)高大空間建筑自然通風(fēng)效果分析

馬國(guó)川 沈天賜 余 濤

（1.中國(guó)建筑西南設(shè)計(jì)研究院有限公司 成都 610041；2.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 成都 610031）

0 引言

高大空間建筑具有功能復(fù)雜、室內(nèi)人員流動(dòng)性較大、區(qū)域連通等特點(diǎn)，但大部分能耗被通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)所消耗[1]。沿海地區(qū)一般風(fēng)能資源豐富，自然通風(fēng)條件較好，節(jié)能潛力大[2]。沿海地區(qū)高大空間建筑采用自然通風(fēng)，可提高人員熱舒適性，同時(shí)可以減小通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)開(kāi)啟時(shí)間，大幅降低系統(tǒng)運(yùn)行能耗。

目前有較多學(xué)者對(duì)不同類型建筑的自然通風(fēng)效果進(jìn)行了研究。金雙雙等[3]以自然通風(fēng)小時(shí)數(shù)為評(píng)估指標(biāo)分析了我國(guó)不同地區(qū)居住建筑的自然通風(fēng)潛力，東南沿海地區(qū)通風(fēng)潛力較大，自然通風(fēng)小時(shí)在1937～2701 之間。張建剛[4]采用EnergyPlus軟件對(duì)4-10月期間石家莊站自然通風(fēng)方式下的通風(fēng)換氣量以及人員活動(dòng)區(qū)的溫度分布進(jìn)行了模擬分析。喬宣銘等[5]結(jié)合不同地區(qū)氣候特點(diǎn)，研究了北方鐵路客站自然通風(fēng)降溫效果。Kolokotroni 等[6]以室外溫度和室內(nèi)溫度為控制參數(shù)對(duì)自然通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行控制。Karava 等[7]通過(guò)檢測(cè)室外空氣溫度和相對(duì)濕度的值來(lái)控制自然通風(fēng)系統(tǒng)。目前，針對(duì)沿海地區(qū)高大空間建筑自然通風(fēng)的研究較少。

本文采用EnergyPlus 軟件對(duì)江蘇連云港地區(qū)某鐵路站房高大空間建筑的自然通風(fēng)效果進(jìn)行分析，提出一種適用于連云港地區(qū)高大空間建筑的自然通風(fēng)控制方案，并對(duì)室內(nèi)人員熱舒適性和空調(diào)系統(tǒng)能耗進(jìn)行了分析。

1 模型建立

1.1 建筑概況

本文以江蘇省連云港地區(qū)某鐵路站房高大空間建筑為研究對(duì)象，該站房?jī)H一層，為正東朝向，侯車廳總面積為5135.1m2，頂部為坡屋頂，頂部最高為22.2m。候車廳上部可開(kāi)啟窗戶面積為86.9m2，下部外門開(kāi)啟面積為84m2。

1.2 計(jì)算模型

采用Designbuilder 軟件進(jìn)行建模，該鐵路站房模型如圖1所示，門窗分布如圖2所示。

圖1 建筑模型圖Fig.1 Building model

圖2 建筑門窗分布圖Fig.2 Distribution of building doors and windows

1.3 模擬參數(shù)設(shè)置

本文主要研究該站房建筑的自然通風(fēng)效果，模擬時(shí)間為非供暖季（夏季和過(guò)渡季），具體時(shí)段為3月28日至11月13日。模擬所采用的連云港地區(qū)氣象參數(shù)來(lái)源于EnergyPlus 官網(wǎng)。

站房的圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)滿足《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[8]中規(guī)定的圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)要求，外墻傳熱系數(shù)為0.5W/(m2·K) ，屋頂傳熱系數(shù)為0.45W/(m2·K)，外窗（含透光幕墻）傳熱系數(shù)為2.4W/(m2·K)。站房?jī)?nèi)人員數(shù)量為1000 人，設(shè)備負(fù)荷為15W/m2，室內(nèi)燈光負(fù)荷取9W/m2[9]。

頂部外窗全天開(kāi)啟，而下部外門只在開(kāi)站時(shí)間即06:00～23:00 內(nèi)開(kāi)啟。

1.4 熱舒適評(píng)價(jià)方法

由于自然通風(fēng)下的熱舒適性與穩(wěn)態(tài)空調(diào)環(huán)境下的情況有較大區(qū)別，穩(wěn)態(tài)空調(diào)環(huán)境的熱舒適標(biāo)準(zhǔn)不一定適用于自然通風(fēng)環(huán)境。本文選擇適應(yīng)性模型來(lái)分析自然通風(fēng)下候車廳熱舒適性，如式（1）所示[10]。

式中，tc為室內(nèi)熱中性溫度，℃；to為室外環(huán)境溫度，℃。

以熱中性溫度為中心，以7℃為80%的人可接受的舒適區(qū)寬度定義室內(nèi)舒適溫度的范圍，即tc±3.5℃。

2 結(jié)果分析

采用EnergyPlus 軟件對(duì)該站房高大空間建筑在非供暖季的自然通風(fēng)效果及控制策略進(jìn)行模擬分析研究。

2.1 自然通風(fēng)換氣效果

圖3為整個(gè)候車大廳自然通風(fēng)總換氣量，該候車廳的總換氣量基本在20～80m3/s 范圍內(nèi)變動(dòng)，在非供暖季的平均總換氣量為48m3/s。

圖3 自然通風(fēng)換氣量Fig.3 Natural ventilation rate

圖4為整個(gè)候車大廳自然通風(fēng)總換氣次數(shù)，該候車廳的總換氣次數(shù)基本在0.5～2.5 次/h 范圍內(nèi)變動(dòng)，在非供暖季的平均總換氣次數(shù)為1.4 次/h。

圖4 自然通風(fēng)換氣次數(shù)Fig.4 Air change rate of natural ventilation

2.2 自然通風(fēng)熱舒適效果

圖5為自然通風(fēng)條件下人員活動(dòng)區(qū)溫度變化，同時(shí)給出了80%的人可接受的熱舒適上下限溫度。當(dāng)人員活動(dòng)區(qū)溫度處于熱舒適上下限溫度區(qū)間時(shí)，表明有80%的人對(duì)室內(nèi)溫度感到舒適。

圖5 人員活動(dòng)區(qū)溫度Fig.5 Air temperature in the occupied zone

在圖中可以看出，從5月份初至6月中旬以及9月中旬至10月末，不進(jìn)行控制的條件下（外窗全天開(kāi)啟，外門工作時(shí)間開(kāi)啟）可以達(dá)到熱舒適需求而不開(kāi)啟空調(diào)系統(tǒng)。而在6月中旬至9月中旬期間，人員活動(dòng)區(qū)域溫度基本高于熱舒適上限溫度，需要關(guān)閉外窗減少自然通風(fēng)，通過(guò)空調(diào)設(shè)備進(jìn)行降溫。

2.3 自然通風(fēng)切換溫度

在過(guò)渡季，當(dāng)僅采用自然通風(fēng)無(wú)法將室內(nèi)控制在熱舒適區(qū)域內(nèi)時(shí)需要開(kāi)啟制冷機(jī)對(duì)室內(nèi)空氣進(jìn)行降溫處理，當(dāng)僅靠通風(fēng)措施就可將室內(nèi)空氣狀態(tài)控制在熱舒適范圍時(shí)可關(guān)閉制冷機(jī)。對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行切換時(shí)，相應(yīng)的室外空氣溫度為自然通風(fēng)上切換溫度Tws。當(dāng)需要采取供暖設(shè)施或關(guān)閉供暖設(shè)施時(shí)所對(duì)應(yīng)的室外空氣溫度為自然通風(fēng)下切換溫度Twx。

本文中，人員活動(dòng)區(qū)域溫度與熱舒適上下限溫度的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)時(shí)間的室外空氣溫度，即為自然通風(fēng)切換溫度。從室內(nèi)人員活動(dòng)區(qū)溫度圖與室外溫度圖可以得到，自然通風(fēng)的上切換溫度的取值范圍在21～26℃，下切換溫度的取值范圍在11～17℃。對(duì)非供暖期內(nèi)自然通風(fēng)系統(tǒng)的不同通風(fēng)切換溫度下的室內(nèi)人員活動(dòng)區(qū)熱舒適時(shí)間進(jìn)行分析，結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同通風(fēng)切換溫度下室內(nèi)熱舒適時(shí)間Fig.6 Indoor thermal comfort time under different ventilation switching temperatures

從圖6可以看出，自然通風(fēng)上切換溫度不變，隨著自然通風(fēng)下切換溫度的增加，非供暖期間的熱舒適時(shí)間呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，在14～15℃時(shí)，室內(nèi)人員活動(dòng)區(qū)的熱舒適小時(shí)數(shù)最高。自然通風(fēng)下切換溫度不變，隨著自然通風(fēng)上切換溫度的增加，熱舒適時(shí)間一直增加，在25℃以上時(shí)，熱舒適時(shí)間的變化幅度較低，在26℃時(shí)，室內(nèi)人員活動(dòng)區(qū)的熱舒適小時(shí)數(shù)最多。

綜合考慮不同自然通風(fēng)切換溫度下的熱舒適時(shí)間，選擇自然通風(fēng)下切換溫度為14℃和自然通風(fēng)上切換溫度為26℃。

2.4 自然通風(fēng)+空調(diào)控制策略分析

自然通風(fēng)建筑室內(nèi)的熱舒適以及空氣環(huán)境主要是通過(guò)自然通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合來(lái)保證。通過(guò)對(duì)影響人體熱舒適及室內(nèi)空氣質(zhì)量的因素進(jìn)行分析，目前通風(fēng)控制研究中常用的控制參數(shù)包括室內(nèi)外空氣溫度、濕度、室內(nèi)空氣流速、空氣換氣次數(shù)以及室內(nèi)CO2濃度等[7,11,12]。

考慮實(shí)際運(yùn)行的簡(jiǎn)便性，本文的站房自然通風(fēng)控制系統(tǒng)調(diào)控的參量是室外空氣溫度及室內(nèi)CO2濃度。具體控制策略為：當(dāng)室外空氣溫度TW大于Twx（自然通風(fēng)下切換溫度）且小于Tws（自然通風(fēng)上切換溫度），開(kāi)啟自然通風(fēng)窗；當(dāng)室外空氣溫度TW大于Tws或者室內(nèi)二氧化碳濃度PCO2大于1000ppm 時(shí)，關(guān)閉自然通風(fēng)窗，開(kāi)啟空調(diào)系統(tǒng)。

根據(jù)2.3 節(jié)確定的自然通風(fēng)切換溫度以及上述控制策略，采用EnergyPlus 軟件對(duì)在非供暖季采用自然通風(fēng)+空調(diào)的控制方案進(jìn)行模擬計(jì)算。其室內(nèi)人員活動(dòng)區(qū)的溫度變化如圖7所示。

從圖7可以看出，通過(guò)控制外窗和空調(diào)的開(kāi)啟，在非供暖季，自然通風(fēng)系統(tǒng)控制下的室內(nèi)人員活動(dòng)區(qū)溫度基本都處于舒適范圍內(nèi)。

圖7 自然通風(fēng)+空調(diào)方案下的人員活動(dòng)區(qū)空氣溫度Fig.7 Air temperature of the occupied zone under the scheme of natural ventilation with air conditioning

2.5 自然通風(fēng)+空調(diào)系統(tǒng)能耗

機(jī)械制冷空調(diào)系統(tǒng)主要考慮在制冷季開(kāi)啟冷水機(jī)組，過(guò)渡季利用組合式空氣處理機(jī)組直接通風(fēng)降溫。站房分別采用自然通風(fēng)+空調(diào)系統(tǒng)與機(jī)械制冷空調(diào)系統(tǒng)，需要運(yùn)行空調(diào)的時(shí)間如表1所示。其中，方案1 為機(jī)械制冷空調(diào)系統(tǒng)，方案2 為自然通風(fēng)+空調(diào)系統(tǒng)。

表1 兩種降溫方案對(duì)比Table 1 Comparison of two cooling schemes

與完全采用機(jī)械制冷空調(diào)系統(tǒng)相比，站廳采用自然通風(fēng)+空調(diào)系統(tǒng)，制冷工況下所需開(kāi)啟空調(diào)的時(shí)間明顯減少，可以減少467h；同時(shí)自然通風(fēng)+空調(diào)系統(tǒng)的空調(diào)能耗為34.2 萬(wàn)kWh，相比于全機(jī)械制冷空調(diào)系統(tǒng)的39.4 萬(wàn)kWh 能耗，可以節(jié)約5.2萬(wàn)kWh 的能耗，節(jié)能率為13.1%。

3 結(jié)論

本文針對(duì)沿海地區(qū)某鐵路站房高大空間建筑的自然通風(fēng)效果進(jìn)行了分析，得到如下結(jié)論：

（1）連云港地區(qū)鐵路站房的自然通風(fēng)效果較好，在非供暖季，站房候車廳平均總換氣量可以達(dá)到48m3/s，平均總換氣次數(shù)可以達(dá)到1.4 次/h。

（2）在5月初至6月中旬以及9月中旬至10月末的期間，自然通風(fēng)就可以達(dá)到熱舒適需求而不開(kāi)啟空調(diào)系統(tǒng)。

（3）根據(jù)站房?jī)?nèi)人員活動(dòng)區(qū)熱舒適時(shí)間確定了該站房的自然通風(fēng)切換溫度，并提出了自然通風(fēng)+空調(diào)的控制策略。

（4）與完全采用機(jī)械制冷空調(diào)系統(tǒng)相比，自然通風(fēng)+空調(diào)系統(tǒng)的空調(diào)運(yùn)行時(shí)間可減少467h，節(jié)能13.1%。