貴州省居住建筑夏季通風(fēng)有效性分析

張真真，王厚華，郭 銳

(重慶大學(xué)a.三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;b.城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，重慶400045)

0 引言

建筑通風(fēng)不僅可以創(chuàng)造健康、衛(wèi)生、舒適的室內(nèi)環(huán)境，提高室內(nèi)空氣品質(zhì)，而且可以調(diào)節(jié)室內(nèi)溫濕度，改善建筑熱環(huán)境。適宜的風(fēng)速可以增加人體與周圍空氣的對(duì)流換熱量，從而提高人體對(duì)熱環(huán)境的可接受度[1］。據(jù)相關(guān)資料顯示:在氣流速度大于0.150 m/s的情況下，每增加0.005 m/s，室溫可增加0.6℃而不改變?nèi)梭w的熱舒適感[2］。近年來各國(guó)學(xué)者對(duì)熱舒適領(lǐng)域的研究發(fā)現(xiàn):自然通風(fēng)環(huán)境下的熱舒適區(qū)域超過了ISO—7730和ASHRAE55標(biāo)準(zhǔn)中提供的舒適區(qū)域[3］。在通風(fēng)良好的條件下，人們能夠容忍的熱環(huán)境條件比空調(diào)狀態(tài)下更為寬松[4］。

貴州省大部分地區(qū)夏無酷暑，氣候適宜。然而，伴隨著人們生活水平的提高，越來越多的家庭夏季采用空調(diào)降溫。通過研究發(fā)現(xiàn):在同樣的降溫效果下，人們更喜歡通過通風(fēng)來改善室內(nèi)熱環(huán)境[5］。在通風(fēng)可利用時(shí)段，通過自然通風(fēng)或機(jī)械通風(fēng)是實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能和提高室內(nèi)熱舒適性的重要方式[6-9］，因此，研究該地區(qū)“夏季是否能夠有效地利用通風(fēng)代替空調(diào)”對(duì)于減少建筑能耗具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。通風(fēng)的有效性取決于建筑室外的氣候環(huán)境，本文通過Climate Consultant軟件，分析貴州省不同城市自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)的有效性。

1 貴州省居住建筑熱環(huán)境概況

貴州省氣候條件復(fù)雜多變，熱工設(shè)計(jì)分區(qū)可分為夏熱冬冷地區(qū)(以遵義為代表性城市)、溫和地區(qū)(以興義、貴陽(yáng)為代表性城市)、夏涼冬冷地區(qū)(以畢節(jié)為代表性城市)。據(jù)研究，貴陽(yáng)市居民對(duì)夏季居住熱環(huán)境的舒適性基本上是滿意的，通過開窗通風(fēng)或者風(fēng)扇即可滿足大部分時(shí)間室內(nèi)人員對(duì)熱舒適的要求，此外，貴陽(yáng)市擁有空調(diào)的居民中，空調(diào)的使用率較低且使用時(shí)間不超過一個(gè)月[5］。

通過對(duì)《中國(guó)建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》[10］的分析發(fā)現(xiàn)，貴陽(yáng)市整個(gè)夏季(6月～8月)僅有8.3%的時(shí)間室外溫度超過28℃，如果能夠輔助適當(dāng)?shù)耐L(fēng)，居住房間在這些溫度下是可以不開空調(diào)的。由《貴州省居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(DBJ52/49—2008)[11］可知:畢節(jié)、貴陽(yáng)、興義和遵義最熱月的平均溫度分別為21.8℃、24.0℃、22.4℃和25.3℃，夏季空調(diào)天數(shù)分別為0 d、11 d、0 d、24 d。從這些數(shù)據(jù)可以初步判定，畢節(jié)和興義地區(qū)夏季不開空調(diào)即可滿足熱舒適要求。

基于貴州省氣象資料[10］所得出夏季室外干球溫度在不同范圍的分布百分比見表1。從表1中干球溫度數(shù)據(jù)可知:貴州省4個(gè)城市夏季室外大部分時(shí)間處于18～28℃舒適范圍區(qū)。本文通過設(shè)定自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)下的熱舒適范圍，分析不同城市居住建筑夏季通風(fēng)的有效性。

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)及原理

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

Climate Consultant是加利福尼亞大學(xué)開發(fā)的一款被動(dòng)式設(shè)計(jì)軟件[12］，可以用來分析遮陽(yáng)、建筑蓄熱性、自然通風(fēng)、機(jī)械通風(fēng)等15項(xiàng)設(shè)計(jì)策略的適用性，并能計(jì)算各項(xiàng)措施在各月或者全年的逐時(shí)有效時(shí)間。

這里的“有效時(shí)間”是指在理想的情況下，純粹依靠所設(shè)定的設(shè)計(jì)策略(如自然通風(fēng)、機(jī)械通風(fēng)等)，能夠使室內(nèi)熱環(huán)境達(dá)到舒適范圍的時(shí)間數(shù)，單位為h。有效時(shí)間占全天或整月的比例稱為日有效時(shí)間比(ηd)或月有效時(shí)間比(ηm)。設(shè)計(jì)措施能夠轉(zhuǎn)化的有效時(shí)間越長(zhǎng)，該措施的有效性就越大。

表1 4個(gè)城市夏季室外干球溫度在不同范圍的分布百分比 %

2.2 計(jì)算原理

Climate Consultant軟件利用濕度圖對(duì)室外環(huán)境進(jìn)行有針對(duì)性的分析。通過導(dǎo)入目標(biāo)城市的氣候數(shù)據(jù)，設(shè)定不同的熱舒適有效范圍，將采用不同措施后室內(nèi)環(huán)境參數(shù)表示在濕度圖上，通過計(jì)算即可方便看出各種措施下的有效時(shí)間。該軟件關(guān)于氣象數(shù)據(jù)的分析分為全年逐時(shí)數(shù)據(jù)點(diǎn)分析和日最高最低數(shù)據(jù)點(diǎn)分析。為了研究貴州地區(qū)夏季通風(fēng)的有效性，本文對(duì)4個(gè)典型城市6月～8月的室外氣象資料進(jìn)行逐時(shí)數(shù)據(jù)點(diǎn)的計(jì)算分析。

中國(guó)《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》[13］規(guī)定:非人工冷熱源(未使用采暖、空調(diào)等)可接受室內(nèi)舒適溫度范圍為18～28℃，同時(shí)將濕度上限定為80%，這里的熱舒適是指考慮到室內(nèi)新風(fēng)量滿足設(shè)計(jì)要求的情況下，人體能感覺到舒適的溫度范圍。考慮到非人工冷源下(僅采用自然通風(fēng)或機(jī)械通風(fēng))人體可接受的濕度范圍會(huì)有所增加，將自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)下人體可接受的室內(nèi)濕度上限定為90%。Climate Consultant軟件中設(shè)計(jì)策略的控制條件設(shè)置如下:

熱舒適下室內(nèi)控制條件:溫度范圍18～28℃;最大相對(duì)濕度80%;最小露點(diǎn)溫度2.2℃。

自然通風(fēng)下室內(nèi)控制條件:室內(nèi)有效風(fēng)速范圍0.2～2.0 m/s;最大相對(duì)濕度90%;最大濕球溫度22.8℃;人體可接受的最大溫升4.2℃。

機(jī)械通風(fēng)下室內(nèi)控制條件:室內(nèi)有效風(fēng)速范圍0.2～2.0 m/s;最大相對(duì)濕度90%;最大濕球溫度22.8℃;最大機(jī)械送風(fēng)速度2.0 m/s;人體可接受的最大溫升4.9℃。

根據(jù)ASHRAE Standard 55—2004[14］可知:當(dāng)風(fēng)速為最小有效風(fēng)速0.2 m/s時(shí)，自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)下人體可接受的最大溫升均為0℃;當(dāng)風(fēng)速達(dá)到最大舒適風(fēng)速2.0 m/s時(shí)，自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)下人體可感知的最大溫升分別為4.2℃和4.9℃。也就是說，自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)下室內(nèi)有效溫度的范圍分別為18.0～32.2℃和18.0～32.9℃。

自然通風(fēng)與機(jī)械通風(fēng)不同之處在于:自然通風(fēng)下室內(nèi)風(fēng)速主要取決于室外氣流速度，即使室外其他參數(shù)值落在自然通風(fēng)有效范圍內(nèi)，如果風(fēng)速太小或太大均不能計(jì)為有效時(shí)間。機(jī)械通風(fēng)則不同，室外風(fēng)速不再是影響通風(fēng)效果的因素，而且同樣的送風(fēng)速度下，機(jī)械通風(fēng)和自然通風(fēng)下人體可感知的最大溫降是不同的。

3 貴州省不同城市夏季通風(fēng)有效性分析

貴州省不同代表性城市夏季室外氣象條件差異很大，例如，畢節(jié)夏季晚上22:00以后到上午10:00以前室外溫度大部分時(shí)間低于18℃，不需要開空調(diào)。為了避免夏季室外干球溫度在18℃以下時(shí)刻對(duì)有效時(shí)間百分比的影響，畢節(jié)有效時(shí)間和有效時(shí)間百分比的計(jì)算時(shí)間控制在10:00到22:00之間。同理，興義的計(jì)算時(shí)間控制在10:00到24:00之間。由表1可知:貴陽(yáng)和遵義室外空氣溫度在18℃以下的時(shí)刻相對(duì)較少，這兩個(gè)城市計(jì)算時(shí)間定為全天24 h。

采用自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)措施后，熱舒適區(qū)域相應(yīng)拓寬，落在熱舒適區(qū)域的時(shí)間段也有了明顯的增加。自然通風(fēng)時(shí)，不同城市夏季日有效時(shí)間百分比散點(diǎn)分布圖如圖1所示，畢節(jié)地區(qū)的日有效時(shí)間比分布較散，主要分布在20%～60%，60%以上也有一部分分布值。其他3個(gè)城市的散點(diǎn)分布相對(duì)較集中，大都分布在0% ～40%，因此，自然通風(fēng)在畢節(jié)地區(qū)有相對(duì)更好的應(yīng)用潛力。

圖1 自然通風(fēng)下4個(gè)城市夏季日有效時(shí)間比散點(diǎn)圖

采用機(jī)械通風(fēng)時(shí)，不同城市夏季日有效時(shí)間百分比散點(diǎn)分布圖如圖2所示，除遵義地區(qū)外，其他3個(gè)城市的日有效時(shí)間百分比都相對(duì)較高，大部分有效值均分布在60%以上，有部分時(shí)間甚至達(dá)到了100%。

圖2 機(jī)械通風(fēng)下4個(gè)城市夏季日有效時(shí)間比散點(diǎn)圖

不采用通風(fēng)措施時(shí)，4個(gè)城市夏季室內(nèi)處于熱舒適范圍的有效時(shí)間比相對(duì)較小。當(dāng)采用自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)措施后，4個(gè)城市6月～8月的月有效時(shí)間比見表2和表3。在夏季，自然通風(fēng)的平均有效時(shí)間比分別為:畢節(jié)44.0%、貴陽(yáng)25.7%、興義21.9%、遵義21.1%。采用自然通風(fēng)后各個(gè)城市室內(nèi)熱環(huán)境有了很大改善，尤其是畢節(jié)地區(qū)，由原先的3.1%上升到了44.0%。由于夏涼冬冷地區(qū)夜間室外氣溫較低，通過墻體蓄冷可以減少部分白天負(fù)荷。因此，畢節(jié)地區(qū)如果建筑布局合理，自然通風(fēng)結(jié)合適當(dāng)?shù)臋C(jī)械輔助通風(fēng)基本上可以替代夏季空調(diào)的使用。貴陽(yáng)、興義和遵義地區(qū)自然通風(fēng)的有效時(shí)間相對(duì)于熱舒適的有效時(shí)間有了很大改善，然而，要想替代夏季空調(diào)滿足室內(nèi)人員要求尚且不能達(dá)到很好的效果，因此，需要考慮機(jī)械輔助通風(fēng)。

表2 自然通風(fēng)下有效時(shí)間比及均值 %

表3 機(jī)械通風(fēng)下有效時(shí)間比及均值 %

由表3可知:采用機(jī)械通風(fēng)后，各個(gè)城市的有效時(shí)間比相對(duì)于自然通風(fēng)有了很大的改善。貴陽(yáng)市7月份最高已經(jīng)達(dá)到了87.4%，夏季的有效時(shí)間比也由最初的1.3%上升到了85.1%;興義地區(qū)夏季的有效時(shí)間百分比也達(dá)到了80.8%，可見，機(jī)械通風(fēng)對(duì)于貴陽(yáng)和興義地區(qū)來說可以有效地改善夏季室內(nèi)熱環(huán)境。如果能夠設(shè)置合理的送風(fēng)方式和氣流組織形式，基本上可以取代空調(diào)降低夏季建筑能耗。對(duì)于遵義地區(qū)來說，采用機(jī)械通風(fēng)后也有了一定的改善，有效時(shí)間比上升到了51.6%。雖然不像貴陽(yáng)和興義地區(qū)那樣可以達(dá)到80%以上，但如果合理地利用通風(fēng)，可以相對(duì)減少空調(diào)開啟時(shí)間。

4 結(jié)論

本文針對(duì)貴州省不同氣候條件下的4個(gè)代表性城市的通風(fēng)有效性進(jìn)行了分析，研究表明:在貴州省大部分地區(qū)，居住建筑基本上可以采用自然通風(fēng)或機(jī)械通風(fēng)的形式來維持室內(nèi)的熱舒適性要求。采用通風(fēng)代替空調(diào)不僅節(jié)能效果顯著，而且可以使室內(nèi)空氣品質(zhì)得到大幅度的提高，更有利于人體健康。

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