夏熱冬冷地區(qū)被動(dòng)式建筑示范房節(jié)能效果模擬分析

周 斌，張偉林

（安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥230601）

0 引 言

夏熱冬冷地區(qū)氣候特點(diǎn)為夏季悶熱、冬季陰冷且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)［1］。源于德國(guó)的被動(dòng)式設(shè)計(jì)技術(shù)為該地區(qū)提供了解決熱舒適度差、能耗高問題的思路。被動(dòng)式設(shè)計(jì)是指在建筑方案設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)區(qū)域氣候特征，遵循建筑環(huán)境控制技術(shù)的基本原理，綜合建筑功能、形態(tài)等需要，合理組織和處理各建筑元素，使建筑物具有較強(qiáng)的人體舒適度和氣候調(diào)節(jié)能力［2］。節(jié)能率和自然通風(fēng)效果是衡量被動(dòng)式設(shè)計(jì)手法的兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)（自然通風(fēng)能夠有效的降低夏季及過渡季的空調(diào)能耗，改善空氣質(zhì)量），本文基于軟件模擬方法，分析位于夏熱冬冷地區(qū)典型城市——合肥市某被動(dòng)式建筑示范房節(jié)能效果，驗(yàn)證其可行性。

1 項(xiàng)目概況

1.1 項(xiàng)目信息

本項(xiàng)目位于合肥市某學(xué)校內(nèi)，距巢湖岸直線距離不足一公里?？偨ㄖ娣e約321m2，建筑占地面積為199m2，分上下兩層。建筑功能為辦公用房，可用于學(xué)生活動(dòng)和小型會(huì)議（圖1）。

1.2 節(jié)能及自然通風(fēng)策略介紹

1.節(jié)能策略：嚴(yán)格控制建筑的朝向、體形系數(shù)、窗墻比及圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能［3］。其中建筑的朝向?yàn)檎舷?，在南偏東15°～南偏西5°的范圍內(nèi)，體型系數(shù)為0.51，窗墻比為0.14，增加南向開窗，減少其余三面開窗。外墻采用羅寶板外保溫體系，墻體材料為燒結(jié)煤矸石空心砌塊。采用適當(dāng)?shù)恼陉?yáng)措施，其中大門采用挑檐遮陽(yáng)，其余窗戶均采用可活動(dòng)外遮陽(yáng)。屋面二層南向部分為觀景花園，相當(dāng)于種植屋面，既可以作為一層天然的棉被隔斷熱量傳到一層，也可以在夏季將主導(dǎo)風(fēng)南風(fēng)吹進(jìn)來的熱風(fēng)進(jìn)行降溫冷卻后再輸入臥室，降低室內(nèi)溫度，增強(qiáng)自然通風(fēng)的效果。

2.通風(fēng)策略：合理組織、調(diào)整建筑布局，充分利用我市較為豐富的風(fēng)力資源形成的風(fēng)壓通風(fēng)，改善室內(nèi)空氣質(zhì)量；項(xiàng)目位于巢湖湖畔，水陸風(fēng)資源豐富，充分利用水陸風(fēng)資源促進(jìn)自然通風(fēng)；采用框架結(jié)構(gòu)，室內(nèi)地面以下為架空層，在主要功能房間合理布置通風(fēng)孔位置，如圖2所示，在南北向房間各設(shè)置兩個(gè)通風(fēng)孔2接入架空層，利用室內(nèi)外空氣的溫度差形成熱壓通風(fēng)，將經(jīng)過水面冷卻過的冷空氣經(jīng)通風(fēng)孔2輸入室內(nèi)，同時(shí)將室內(nèi)熱空氣利用通風(fēng)天井的“煙囪效應(yīng)”［4］經(jīng)出口4和5輸出室外，形成循環(huán)；同時(shí)關(guān)閉南向陽(yáng)光房的門窗2、3，利用熱空氣上升原理將熱氣不斷排出陽(yáng)光間，減少南向的熱量入侵，使建筑物在全關(guān)閉門窗及不開空調(diào)的情況下仍能實(shí)現(xiàn)空氣流動(dòng)，改善室內(nèi)空氣質(zhì)量，降低室內(nèi)溫濕度。

2 節(jié)能效果分析

利用PBECA建筑節(jié)能軟件計(jì)算其節(jié)能量。由于模型構(gòu)造較為復(fù)雜，因此對(duì)模型做適當(dāng)簡(jiǎn)化。其效果圖如圖3所示。

根據(jù)《合肥市公共建筑節(jié)能65%設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施細(xì)則》規(guī)定，該居住建筑的計(jì)算條件如下：室內(nèi)計(jì)算溫度為夏季26℃，冬季18℃；室外氣象計(jì)算參數(shù)采用典型氣象年氣象數(shù)據(jù)；采暖計(jì)算期為12月5日至次年3月5日，空調(diào)計(jì)算期為6月5日至9月5日；其它參數(shù)均采用《合肥市公共建筑節(jié)能65%設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施細(xì)則》所提供的參數(shù)。主要計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 外墻加權(quán)平均傳熱系數(shù)

圖4給出了建筑能耗與參照建筑能耗的比較?？梢钥闯?，參照建筑節(jié)能65%之后的采暖能耗與空調(diào)能耗均比設(shè)計(jì)建筑高。經(jīng)計(jì)算被動(dòng)房的節(jié)能率為70.04%，其節(jié)能率不僅滿足《合肥市公共建筑節(jié)能65%設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施細(xì)則》［5］中節(jié)能65%的要求，還在此基礎(chǔ)上還提高了將近10%，節(jié)能效果雖然未達(dá)到歐美國(guó)家有關(guān)被動(dòng)房的標(biāo)準(zhǔn)，但對(duì)于處于夏熱冬冷地區(qū)的我省來說已經(jīng)是一個(gè)很大的提高，故其設(shè)計(jì)是符合被動(dòng)式設(shè)計(jì)的節(jié)能要求的。

3 自然通風(fēng)效果分析

利用PHOENICS2011軟件中的FLAIR模塊，分別對(duì)建筑物夏季、過渡季的風(fēng)壓通風(fēng)和夏季的熱壓通風(fēng)進(jìn)行數(shù)值模擬。其模型圖如圖5所示。

計(jì)算時(shí)共設(shè)置3個(gè)工況，如表2所示。計(jì)算時(shí)打開空氣齡模塊，關(guān)閉溫度模塊，迭代步數(shù)設(shè)為500步，計(jì)算網(wǎng)格為110×200×60。

計(jì)算結(jié)果見圖6～圖9。通過對(duì)三個(gè)工況條件下室內(nèi)自然通風(fēng)模擬結(jié)果分析可知：

（1）在夏季及過渡季主導(dǎo)風(fēng)與水陸風(fēng)的共同作用下，建筑物室內(nèi)自然通風(fēng)效果良好，主要功能區(qū)間的平均風(fēng)速在0.3m／s～0.6m／s，空氣齡均在300s以下，空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良。較大的風(fēng)速還有效促進(jìn)了人體體表汗液的蒸發(fā)，加速了空氣流通，降低了室內(nèi)空氣的濕度，提高了舒適度，同時(shí)解決了夏季“悶”和“熱”兩個(gè)難題。

（2）在夏季完全關(guān)閉所有門窗的條件下，室內(nèi)主要功能區(qū)間的空氣流速在0.1m／s～0.2m／s之間，主要空間的空氣齡均在300s以下。雖然由熱壓帶動(dòng)的室內(nèi)風(fēng)速較低，但通過架空層補(bǔ)入的經(jīng)過冷卻的新鮮空氣卻能夠有效的降低室內(nèi)溫濕度，改善空氣質(zhì)量，有效地減少空調(diào)能耗及輔助通風(fēng)能耗。

通過以上自然通風(fēng)模擬充分驗(yàn)證了自然通風(fēng)設(shè)計(jì)在“被動(dòng)房”設(shè)計(jì)策略中的可行性。尤其是熱壓通風(fēng)，在日后建筑設(shè)計(jì)（尤其是進(jìn)深較大的公共建筑）中應(yīng)當(dāng)被廣泛重視和運(yùn)用。

4 結(jié)論

被動(dòng)式設(shè)計(jì)是一種高效低能耗建筑設(shè)計(jì)方法，本文通過對(duì)“被動(dòng)式建筑設(shè)計(jì)”示范項(xiàng)目的節(jié)能和通風(fēng)模擬可以得出以下結(jié)論：

（1）通過控制示范房的形體設(shè)計(jì)以及改善圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能使得示范房的節(jié)能率提升至70.04%，節(jié)能水平大幅提高，有效印證了以上兩項(xiàng)被動(dòng)式設(shè)計(jì)措施能夠較好地解決夏熱冬冷地區(qū)建筑能耗高和熱舒適度差的問題。

（2）通過合理調(diào)整示范房的建筑布局以及利用熱壓通風(fēng)原理組織氣流流向，有效的促進(jìn)了自然通風(fēng)。風(fēng)壓通風(fēng)和熱壓通風(fēng)均顯著提升了示范房室內(nèi)空氣流速，其中風(fēng)壓通風(fēng)室內(nèi)平均風(fēng)速在0.3m／s～0.6m／s之間，熱壓通風(fēng)室內(nèi)風(fēng)速在0.1 m／s～0.2m／s之間，二者室內(nèi)主要功能區(qū)域的空氣齡均在200s以下。模擬充分驗(yàn)證了自然通風(fēng)策略是解決夏熱冬冷地區(qū)夏季和過渡季空調(diào)能耗大以及常年空氣濕度大的有效手段之一，尤其是熱壓通風(fēng)，在日后的建筑設(shè)計(jì)中應(yīng)被廣泛采用。

1 李明.夏熱冬冷地區(qū)住宅節(jié)能設(shè)計(jì)研究與實(shí)踐［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2009.

2 趙夏.住宅建筑被動(dòng)式節(jié)能設(shè)計(jì)研究［D］.太原：太原理工大學(xué)，2013.

3 殷超杰.夏熱冬冷地區(qū)被動(dòng)式建筑設(shè)計(jì)策略應(yīng)用研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2007.

4 張靖巖，霍然，王浩波.煙囪效應(yīng)的形成機(jī)理［J］.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006（1）：73－76.

5 合肥市建委.合肥市公共建筑節(jié)能65%設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施細(xì)則［S］，2013.

6 中國(guó)氣象局氣象信息中心氣象資料室，清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系.中國(guó)建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.