貴州省辦公建筑夏季通風(fēng)降溫技術(shù)的適宜性分析

趙永張旭東王厚華季文慧張真真

1中鐵十六局集團第五工程有限公司

2重慶大學(xué)三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室

3重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院

4新疆建筑設(shè)計研究院

貴州省辦公建筑夏季通風(fēng)降溫技術(shù)的適宜性分析

趙永1張旭東1王厚華2，3季文慧2，3張真真4

1中鐵十六局集團第五工程有限公司

2重慶大學(xué)三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室

3重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院

4新疆建筑設(shè)計研究院

根據(jù)典型氣象年數(shù)據(jù)統(tǒng)計得出貴州省夏季室外干球溫度和相對濕度的分布規(guī)律，以室外干球溫度低于31℃，相對濕度低于90%作為通風(fēng)降溫有效性的判定指標(biāo)。利用Climate Consultant軟件分析畢節(jié)、貴陽、遵義三個地區(qū)辦公建筑應(yīng)用通風(fēng)降溫措施的適宜性。分析結(jié)果表明：畢節(jié)、貴陽、遵義地區(qū)辦公建筑采用通風(fēng)代替空調(diào)，分別可以減少47.1%、69.8%、49.7%的空調(diào)使用率。貴州省辦公建筑應(yīng)用通風(fēng)降溫技術(shù)每年可節(jié)省冷量21～31.5kWh/m2。因此，在貴州省辦公建筑的應(yīng)用通風(fēng)降溫措施是完全適宜的。

辦公建筑 通風(fēng)降溫 室內(nèi)舒適度 節(jié)能率

0 引言

辦公建筑人員密度大，內(nèi)熱源多，窗墻比大，單位面積空調(diào)能耗高。大量的文獻(xiàn)研究表明，空調(diào)工況下辦公建筑室內(nèi)空氣品質(zhì)較差。合理的通風(fēng)降溫措施應(yīng)用于辦公建筑，可以有效地改善以上問題，具有較大的應(yīng)用潛力。

針對辦公建筑的通風(fēng)降溫技術(shù)，國內(nèi)已有的研究工作主要集中于自然通風(fēng)的應(yīng)用研究。文獻(xiàn)[1]對深圳市辦公建筑自然通風(fēng)的研究表明，深圳全年溫度大于18℃小于等于28℃的時間占全年時間的一半以上，全年平均風(fēng)速大于4m/s，大部分時間都可以通過自然通風(fēng)來滿足人體熱舒適性要求。文獻(xiàn)[2]采用溫頻法計算沈陽地區(qū)辦公建筑在春末、夏季、秋初8:00～18:00辦公時段內(nèi)的BIN數(shù)據(jù)，分析了利用自然通風(fēng)降溫空調(diào)的節(jié)能量。此外，文獻(xiàn)[3]研究了重慶地區(qū)過渡季節(jié)采用全新風(fēng)運行的機械通風(fēng)模式，結(jié)果表明全新風(fēng)機械通風(fēng)模式最為舒適，在下午時段對室內(nèi)熱環(huán)境的改善程度更明顯，機械通風(fēng)模式的設(shè)備功耗僅占空調(diào)模式設(shè)備功耗的15%左右。

針對貴州省的建筑通風(fēng)策略，已有的研究表明：貴州省居住建筑采用通風(fēng)措施的節(jié)能潛力非?？捎^，最有效的措施是風(fēng)機強化通風(fēng)[4]，畢節(jié)地區(qū)居住建筑夏季傍晚時刻通過自然通風(fēng)即可創(chuàng)造良好的室內(nèi)熱環(huán)境[5]?；谏鲜鲅芯砍晒?，本文將研究貴州省辦公建筑夏季通風(fēng)降溫技術(shù)的適宜性，為降低這一地區(qū)既有辦公建筑的能耗水平提供借鑒。

1 貴州省氣候條件及通風(fēng)降溫潛力分析

貴州省位于我國西南部，屬于亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，大部分地區(qū)氣候溫和，冬無嚴(yán)寒夏無酷暑。貴州省熱工設(shè)計分區(qū)包括夏熱冬冷區(qū)（以遵義、桐仁為代表）、溫和地區(qū)（以貴陽、興義為代表）、夏涼冬冷區(qū)（以畢節(jié)為代表）和夏熱冬暖區(qū)（以榕江縣為代表）[6]。由于夏熱冬暖區(qū)所占的范圍較小，僅針對其他三個熱工設(shè)計分區(qū)展開研究，選取遵義、貴陽和畢節(jié)作為代表性城市進(jìn)行分析。

根據(jù)《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》[7]的貴州省典型氣象年數(shù)據(jù)，統(tǒng)計出畢節(jié)、貴陽、遵義三個地區(qū)6月1日至8月31日室外最高溫度tmax與最低溫度tmin的變化規(guī)律。分析結(jié)果表明，畢節(jié)、貴陽、遵義三個城市夏季空調(diào)運行期間室外最高溫度在23℃至30℃之間，6月和8月室外最高溫度波動較大，7月最高溫度波動較?。灰归g最低溫度主要分布在15℃至20℃之間，6月和8月室外最低溫度波動較大，且6月和8月的最低溫度平均值均低于7月份。

表1為三個代表城市6～8月室外溫度日較差Δt的分布規(guī)律。由表1可知，畢節(jié)地區(qū)室外溫度日較差多分布在10℃以上，遵義地區(qū)室外溫度日較差多分布在8℃以上，貴陽地區(qū)的室外溫度日較差主要分布在6℃到8℃之間。

表1 三個城市夏季室外溫度日較差分布百分比（%）

由以上對三個城市氣候數(shù)據(jù)的分析可知，畢節(jié)、貴陽、遵義三個地區(qū)在日間具有一定的降溫需求，同時也具有較大的降溫潛力。畢節(jié)地區(qū)由于夏季室外最高氣溫基本在30℃以下，可以考慮辦公時段內(nèi)采用機械通風(fēng)冷卻降溫替代空調(diào)；貴陽、遵義地區(qū)由于部分時間最高氣溫超過了30℃，可以考慮采用自然通風(fēng)或機械通風(fēng)作為輔助措施來改善辦公建筑的室內(nèi)熱環(huán)境，提高室內(nèi)空氣品質(zhì)。

2 通風(fēng)降溫措施有效性分析

2.1 通風(fēng)降溫措施有效性判定依據(jù)

通風(fēng)降溫要引入室外空氣來冷卻建筑構(gòu)件和室內(nèi)環(huán)境，只有當(dāng)空氣為正品位或零品位冷源時，通風(fēng)措施才是有效的。室外空氣的干球溫度、太陽輻射強度、風(fēng)速、風(fēng)向等氣象參數(shù)都會對通風(fēng)的效果產(chǎn)生影響。本文以干球溫度和相對濕度作為判定通風(fēng)降溫措施有效性的主要依據(jù)。

根據(jù)我國《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評價標(biāo)準(zhǔn)》[8]可知：非人工冷熱源（未使用采暖、空調(diào)等）熱濕環(huán)境下體感溫度限定范圍為18℃～28℃。這里的熱舒適是指在室內(nèi)新風(fēng)量滿足設(shè)計要求的情況下，人體能感覺到舒適的溫濕度范圍。文獻(xiàn)[9]實驗研究了在夏季高溫?zé)岘h(huán)境下機械通風(fēng)對人體熱舒適的影響，結(jié)果表明：在夏季高溫環(huán)境下，當(dāng)服裝熱阻約為0.3clo，相對濕度約為70%，空氣流速增至約1m/s時，室內(nèi)可接受溫度的上限可增加至約30℃，較無機械通風(fēng)時所得的28℃高出約2℃。文獻(xiàn)[10]調(diào)研分析了夏季的熱濕環(huán)境下人體的熱反應(yīng),結(jié)果表明：只要控制環(huán)境溫度不超過30℃,采用動態(tài)送風(fēng),選擇合適的送風(fēng)速度,基本能滿足人的熱舒適需求；氣溫ta=28～32℃，相對濕度φ=70%～90%時，風(fēng)速在1.0～1.2m/s之間可以達(dá)到人體熱舒適要求。由ASHRAE Standard 55-2004[11]標(biāo)準(zhǔn)可知：提高風(fēng)速可以抵消環(huán)境溫度的增加帶來的不舒適感，但人體可接受的最大溫升不應(yīng)超過3℃，風(fēng)速也不應(yīng)超過0.8m/s，即機械通風(fēng)下室內(nèi)可接受溫度不應(yīng)超過31℃。本文基于上述研究結(jié)果，設(shè)定有效通風(fēng)的氣象參數(shù)條件為：最大風(fēng)速為0.8 m/s，室外干球溫度低于31℃，相對濕度低于90%。

2.2 通風(fēng)降溫措施有效性判定

根據(jù)辦公建筑的使用特點，確定通風(fēng)運行時段為7:00～18:00。根據(jù)《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》[7]的貴州省典型氣象年數(shù)據(jù)，三個城市的干球溫度大多低于31℃，相對濕度大多低于90%，說明三個地區(qū)適宜采用通風(fēng)措施進(jìn)行降溫。表2、表3分別為三個城市夏季7：00～18:00逐時干球溫度和逐時相對濕度的分布規(guī)律。

表2 三個城市夏季7∶00-18∶00逐時干球溫度分布百分比

表3 三個城市夏季7∶00～18∶00逐時相對濕度分布百分比

根據(jù)所設(shè)定的通風(fēng)降溫措施有效性的氣象參數(shù)條件，綜合考慮溫濕度的影響分析表2、表3中的數(shù)據(jù)，畢節(jié)、貴陽、遵義地區(qū)辦公建筑辦公時段內(nèi)均有60%左右的時間可以采用通風(fēng)措施替代空調(diào)。

2.3 通風(fēng)降溫措施適宜性分析

采用Climate Consultant軟件進(jìn)一步分析通風(fēng)設(shè)計策略的有效性。Climate Consultant是加利福尼亞大學(xué)（UCLA）開發(fā)的一款被動式設(shè)計軟件。通過讀取城市的氣象數(shù)據(jù)，該軟件利用焓濕圖逐時動態(tài)顯示溫度、相對濕度等氣象參數(shù)以及采取不同節(jié)能措施后室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，便于查看各種節(jié)能措施在全年或者各月的有效程度。

1）畢節(jié)地區(qū)通風(fēng)措施適宜性分析。利用Climate Consultant軟件分析夏季畢節(jié)地區(qū)辦公建筑采用通風(fēng)降溫措施的有效性。圖1為畢節(jié)地區(qū)辦公建筑在6～8月的92天里，從上午7:00至下午18:00共計1104個小時的辦公時段內(nèi)應(yīng)用通風(fēng)降溫措施的有效區(qū)域。藍(lán)色線條包圍的區(qū)域表示在夏季辦公時段內(nèi)不采取任何措施時，有22.1%的時間室內(nèi)熱濕環(huán)境處于舒適區(qū)。深綠色線條包圍的區(qū)域表示采取自然通風(fēng)措施后的舒適范圍，淺綠色線條包圍的區(qū)域表示采取機械通風(fēng)降溫后的有效范圍，由圖1可知，采用通風(fēng)降溫措施后舒適范圍增至58.8%，提高了36.7%。由于不適宜采用自然通風(fēng)或機械通風(fēng)措施的室內(nèi)狀態(tài)點大部分處于低溫區(qū)，因此在氣溫高于熱舒適溫度下限值20℃時開始通風(fēng)能滿足熱舒適需求。結(jié)合表2、表3的分析結(jié)果，畢節(jié)地區(qū)采用通風(fēng)降溫措施至少可以減少405小時的時間使用空調(diào)，降低47.1%以上的空調(diào)使用率。

圖1 畢節(jié)地區(qū)辦公建筑通風(fēng)降溫措施有效區(qū)域

2）貴陽地區(qū)通風(fēng)措施適宜性分析。圖 2為Climate Consultant軟件對貴陽地區(qū)辦公建筑通風(fēng)降溫措施有效性的分析結(jié)果。藍(lán)色線條包圍的區(qū)域表示在夏季辦公時段內(nèi)不采取任何措施時，有21.5%的時間室內(nèi)熱濕環(huán)境處于舒適區(qū)。深綠色線條包圍的區(qū)域表示采取自然通風(fēng)措施后的舒適范圍，淺綠色線條包圍的區(qū)域表示采取機械通風(fēng)降溫后的有效范圍。由圖2可知，采用通風(fēng)降溫措施后舒適范圍增至76.3%，提高了54.8%。機械通風(fēng)顯著優(yōu)于自然通風(fēng)，因此，貴陽地區(qū)適宜采用機械通風(fēng)措施替代空調(diào)。結(jié)合表2、表3的分析結(jié)果，貴陽地區(qū)辦公建筑具有較大的通風(fēng)降溫潛力，至少可以減少605小時的空調(diào)使用時長，降低69.8%以上的空調(diào)使用率。

圖2 貴陽地區(qū)辦公建筑通風(fēng)降溫措施有效區(qū)域

3）遵義地區(qū)通風(fēng)措施適宜性分析。圖3為遵義地區(qū)辦公建筑在6～8月辦公時段內(nèi)應(yīng)用通風(fēng)降溫措施的有效區(qū)域。藍(lán)色線條包圍的區(qū)域表示在夏季辦公時段內(nèi)不采取任何措施時，有10.4%的時間室內(nèi)熱濕環(huán)境處于舒適區(qū)。深綠色線條包圍的區(qū)域表示采取自然通風(fēng)措施后的舒適范圍，淺綠色線條包圍的區(qū)域表示采取機械通風(fēng)降溫后的有效范圍，由圖3可知，采用通風(fēng)降溫措施后舒適范圍增至54.9%，提高了44.5%。雖然兩種通風(fēng)措施均不能完全滿足人體熱舒適需求，但仍有較大的節(jié)能潛力，建議在氣溫低于31℃、相對濕度低于90%的條件下充分利用通風(fēng)降溫，至少可以減少491小時的時間使用空調(diào)，降低49.7%以上的空調(diào)使用率。

圖3 遵義地區(qū)辦公建筑通風(fēng)降溫措施有效區(qū)域

2.4 通風(fēng)降溫措施的節(jié)能率計算

以面積為20m2，房間高度為h=3.5m的辦公室為例進(jìn)行計算。假定采用1.5匹分體式空調(diào)，制冷量為3580W，制冷功率為1.1kW，循環(huán)風(fēng)量為660m3/h。若改為采用定風(fēng)量機械通風(fēng)，最大換氣次數(shù)為n=20次/h，則需要機械送風(fēng)量為1400m3/h，查通風(fēng)機樣本，選定風(fēng)量Q=1600m3/h的壁式低噪聲軸流式通風(fēng)機，電機容量N=0.06kW。通風(fēng)機每運行1h，相對于空調(diào)模式可節(jié)省電量1.04kW，機械通風(fēng)模式耗電量約為分體式空調(diào)耗電量的5.5%。

由以上分析可知，畢節(jié)地區(qū)的辦公建筑至少可以減少405h的空調(diào)負(fù)荷，則夏季可以減少耗電量1.04kW×405h=421.2kWh。對于貴陽地區(qū)的辦公建筑，至少可以減少605h的空調(diào)負(fù)荷，則夏季至少可以降低耗電量1.04 kW×605h=629.2kWh。對于遵義地區(qū)的辦公建筑，至少可以減少491h的空調(diào)負(fù)荷，則夏季至少可以節(jié)省耗電量1.04 kW×491h=510.6kWh。

綜上所述，貴州省辦公建筑應(yīng)用通風(fēng)降溫技術(shù)每年可節(jié)省冷量21～31.5kWh/m2。

3 結(jié)論

通過統(tǒng)計貴州省畢節(jié)、貴陽、遵義的干球溫度和相對濕度規(guī)律，利用Climate Consultant軟件模擬對三個地區(qū)的辦公建筑夏季應(yīng)用通風(fēng)降溫措施的適宜性進(jìn)行分析，結(jié)果表明：

1）畢節(jié)地區(qū)辦公建筑采用通風(fēng)代替空調(diào)，至少可以減少47.1%的空調(diào)使用率，降低耗電量421.2kWh；貴陽地區(qū)辦公建筑采用機械通風(fēng)代替空調(diào)，至少可以減少69.8%的空調(diào)使用率，降低耗電量629.2kWh；遵義地區(qū)辦公建筑采用通風(fēng)代替空調(diào)，至少可以減少49.7%的空調(diào)使用率，降低耗電量510.6kWh。

2）貴州省辦公建筑夏季應(yīng)用通風(fēng)降溫技術(shù)是完全適宜的，且具有較大的節(jié)能潛力，每年可節(jié)省冷量21～31.5kWh/m2。

[1]吳珍珍.深圳市辦公建筑自然通風(fēng)應(yīng)用研究[D].重慶:重慶大學(xué),2008

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[11]American Society of Heating,Refrigerating and Air-Conditioning Engineers.Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy(ANSI/ASHRAE Standard 55-2004)[S].New York:ASHRA -E,2004

Ana lys is on Suita bility of Applying Ve ntila tion Cooling Stra te gy in Sum m e r of Offic e Buildings in Guizhou Provinc e

ZHAO Yong1,ZHANG Xu-dong1,WANG Hou-hua2,3,JI Wen-hui2,3,ZHANG Zhen-zhen4
1 5th of China Railway 16th Bureau Group Co.Ltd.
2 Key Laboratory of Three Gorges Reservoir Region’s Eco-Environment of Ministry of Education, Chongqing University
3 College of Urban Construction and Environment Engineering,Chongqing University
4 Xinjiang Institute of Architectural Design and Research

The distribution of outdoor dry bulb temperature and relative humidity of Guizhou Province in summer are presented on the basis of the typical meteorological year data statistics.In this report,outdoor dry bulb temperature below 31℃and relative humidity below 90%are chosen as effective indicators of ventilation cooling.The effectiveness of office building ventilation cooling in Bijie,Guiyang,and Zunyi is analyzed by the software Climate Consultant.The analysis shows that when office buildings adopt ventilation as a cooling method,the rates of using air conditioning in Bijie,Guiyang and Zunyi are reduced by 47.1%,69.8%,and 49.7%,respectively.In addition,the ventilation strategy applied in office buildings in Guizhou achieves the goal of reducing annual electricity consumption by 21～31.5 kWh/m2. All the evidence suggests that ventilation cooling strategy is suitable for office buildings in Guizhou Province.

office building,ventilation cooling,interior comfort,energy efficiency rate

1003-0344（2015）02-071-4

2013-11-29

趙永（1971～），男，本科，高工；河北省唐山市豐潤區(qū)光華道2號（063030）；0314-4363156；E-mail:zhaoyong-1971@163.com

國家十二五科技攻關(guān)項目（2012BAJ06B05）