應(yīng)用自然風(fēng)提高建筑能源運(yùn)用效率的研究

牛孟鍇　戰(zhàn)莫霏

摘 要：當(dāng)前，城市工業(yè)建筑存在主動通風(fēng)能耗較大、通風(fēng)效果差的問題。本文選取陜西省西安市灞橋收費(fèi)站的空氣情況作為研究對象，參考智能空氣調(diào)節(jié)技術(shù)，通過分析大量實測數(shù)據(jù)并建立數(shù)學(xué)模型，得出行之有效的節(jié)能減排方案。交通建筑行業(yè)每年能源支出頗多，其工業(yè)配套建筑的節(jié)能減排勢在必行。灞橋收費(fèi)站作為陜西省第一座大型單體建筑收費(fèi)站，其存在的許多問題往往極具代表性，因此分析建模得出的結(jié)論也具有代表性。筆者著重研究了灞橋收費(fèi)站的空氣環(huán)境條件（溫度、濕度）和能源損耗，探索如何利用自然風(fēng)能，提高能源利用效率。

關(guān)鍵詞：能源利用;節(jié)能減排;自然風(fēng);調(diào)查

中圖分類號：TU8;U45 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）32-0140-03

Study?on?Improving?Energy?Efficiency?of?Building?by?Usingnatural?Wind

NIU?Mengkai ZHAN?Mofei

（School?of?Construction?Engineering，?Chang'an?University，Xi'an?Shaanxi?710064）

Abstract：?At present，?urban?industrial?buildings?have?the?problems?of?large?active?energy?consumption?and?poor?ventilation.?This?paper?selected?the?air?condition?of?Baqiao?Toll?Station?in?Xi'an，?Shaanxi?Province?as?the?research?object，with?reference?to?intelligent?air?conditioning?technology，?by?analyzing?a?large?number?of?measured?data?and?establishing?a?mathematical?model，?came?up?with?an?effective?energy?saving?and?emission?reduction?program.The?transportation?and?construction?industry?has?a?lot?of?energy?expenditure?every?year，?and?energy-saving?and?emission?reduction?of?its?industrial?supporting?buildings?is?imperative.?As?the?first?large-scale?single?building?toll?station?in?Shaanxi?Province，?the?Baqiao?Toll?Station?is?often?representative?of?many?problems，?so?the?conclusions?drawn?from?the?analysis?and?modeling?are?also?representative.?The?author?focused?on?the?air?environment?conditions?（temperature，?humidity）?and?energy?loss?of?the?Baqiao?toll?station，?and?explored?how?to?use?natural?wind?energy?to?improve?energy?efficiency.

Keywords：?energy?utilization;energy?conservation?and?emission?reduction;natural?wind;survey

長期以來，建筑行業(yè)從業(yè)者存在對“技術(shù)至上”觀點的片面認(rèn)識，所以許多建筑物單純強(qiáng)調(diào)依靠高科技手段或設(shè)施來達(dá)到某些功能要求。此舉雖然達(dá)到了直接要求，但也帶來了許多負(fù)面影響。以空調(diào)為例，不可否認(rèn)，空調(diào)在現(xiàn)代建筑供暖通風(fēng)中成效顯著，但同時也造成了巨大的能源浪費(fèi)?！毒G色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T?50378—2019）對綠色建筑的定義是：在建筑的全壽命周期內(nèi)，最大限度地節(jié)約資源，包括節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材等，保護(hù)環(huán)境和減少污染，為人們提供健康、舒適和高效的使用空間，與自然和諧共生的建筑物。隨著近年來國際能源開采技術(shù)難度日趨增大，能源價格也日益高漲。

作為開源節(jié)流的一個方面，被動通風(fēng)式建筑在炎熱季節(jié)可以節(jié)省巨額空調(diào)運(yùn)行管理費(fèi)，這種優(yōu)勢也越來越被人們看重。于是，本文淺談如何合理利用自然風(fēng)能，降低工業(yè)建筑能源損耗，實現(xiàn)能源高效利用。目前，學(xué)術(shù)界對建筑通風(fēng)的研究主要集中在主動通風(fēng)，即以空調(diào)為代表的機(jī)械通風(fēng)，但關(guān)于工業(yè)建筑通風(fēng)類型對能源損耗和能源運(yùn)用影響的研究甚少。灞橋收費(fèi)站是一處具有代表性的工業(yè)建筑，筆者運(yùn)用專業(yè)測量設(shè)備對二者進(jìn)行測量，并在后期進(jìn)行技術(shù)分析，以期充分利用自然風(fēng)能，提高工業(yè)建筑能源利用效率并減少能源損耗。

1 被動通風(fēng)概述

目前，被動通風(fēng)方式主要有三種。一是天井，利用熱壓和風(fēng)壓兩種效應(yīng)（統(tǒng)稱煙囪效應(yīng)），形成上升氣流，以帶動整體氣流，從而達(dá)到降溫效果。南方氣候潮濕，天井不僅可以有效地驅(qū)散熱空氣，而且可以讓潮濕的冷空氣盡快散去。二是走廊、弄堂，即穿堂風(fēng)原理，利用室內(nèi)外溫度差，形成氣流，從而形成通風(fēng)效果。三是屋頂結(jié)構(gòu)，皖南的地空調(diào)、西南民居的閣樓等也具有降低建筑能源損耗、增強(qiáng)建筑能源利用效率的作用。

但就其應(yīng)用而言，自然風(fēng)能在現(xiàn)代建筑中的實踐并不多。僅有的優(yōu)秀應(yīng)用，如英國瓦特福德建筑研究所辦公樓、英國漢諾丁大學(xué)朱比麗分校、吉巴歐文化中心、德國商業(yè)銀行總部大廈等，也是作為經(jīng)典而存在的?？傮w來說，現(xiàn)代建筑可以運(yùn)用自然風(fēng)能來提高能源利用率，其市場前景廣闊。

王若竹等學(xué)者通過參考國內(nèi)外建筑數(shù)據(jù)得出，充分利用自然環(huán)境條件，如調(diào)整建筑物朝向，與當(dāng)?shù)刂鲗?dǎo)風(fēng)向垂直或利用風(fēng)壓促進(jìn)空氣流動，可以提升工業(yè)與民用建筑能源利用效率，減少能源損耗[1]。姜赟程研究認(rèn)為，被動預(yù)熱型通風(fēng)應(yīng)用在采暖季或秋冬之交的采暖過渡季，而被動預(yù)冷型通風(fēng)用于夏季制冷或者春夏之交的制冷過渡季，自然通風(fēng)則適用于溫和的季節(jié)[2]。三者相互配合，可以有效縮短空調(diào)使用時間并減少空調(diào)載荷，從而降低建筑能源消耗，提高能源利用效率。由此可見，自然通風(fēng)是一種具有很大潛力的通風(fēng)方式，是人類歷史上調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境的原始手段。通過設(shè)計，合理誘導(dǎo)自然通風(fēng)和控制自然通風(fēng)，可以減小建筑新風(fēng)冷熱載荷。利用風(fēng)壓和空氣熱壓控制氣體沿特定路徑流動，使得室內(nèi)氣流循環(huán)，改善室內(nèi)熱環(huán)境，達(dá)到利用自然通風(fēng)來減少全年空調(diào)使用時間、降低建筑能源損耗和提高能源利用效率的目的。

2 調(diào)查結(jié)果

2.1 使用設(shè)備

調(diào)查期間，本研究使用的設(shè)備如表1所示。

2.2 當(dāng)?shù)厍闆r

西安屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，夏季炎熱多雨，冬季寒冷少雨雪，春秋時有連陰雨天氣。年平均相對濕度為70%左右，年平均風(fēng)速為1.8m/s，全年盛行風(fēng)向為東北風(fēng)。

調(diào)查期間進(jìn)行24h不間斷測量，每隔10min測量建筑的實時溫度與實時濕度。由于設(shè)備問題，測量時間間隔較大，影響測量成果。墻體反射影響建筑溫度，不同時間內(nèi)墻體溫度不同，建筑整體封閉，無法達(dá)到自然風(fēng)降溫的效果。但是，從整體來講，建筑固定風(fēng)口、寬度較大的口處風(fēng)力較大，風(fēng)進(jìn)入建筑內(nèi)部后，受建筑影響，風(fēng)向隨時發(fā)生改變。

首先在收費(fèi)站附屬結(jié)構(gòu)空調(diào)機(jī)房（見圖1）中測定空調(diào)壓縮機(jī)效率和熱傳導(dǎo)效率，計算分析建筑體能源消耗總量。

接著，分別對建筑內(nèi)部會議室、數(shù)據(jù)機(jī)房、后勤中心等處進(jìn)行溫度和濕度測試，對空調(diào)制冷制熱效率和空氣流通效率進(jìn)行計算，如圖2至圖5所示。

最后，對比運(yùn)用自然通風(fēng)的房間和通過空調(diào)進(jìn)行調(diào)節(jié)的房間，進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，如表2所示。記錄時間為2019年7月8日（星期一上午）。

通過數(shù)據(jù)對比和分析，筆者發(fā)現(xiàn)，通過機(jī)械輔助自然通風(fēng)，兩者結(jié)合可以產(chǎn)生更強(qiáng)的氣流。部分氣流強(qiáng)制性改變，使得通風(fēng)節(jié)能具有更好的效果。建筑節(jié)能設(shè)計時需要對這兩種方法進(jìn)行合理應(yīng)用。研究結(jié)果表明，自然進(jìn)風(fēng)口的面積比出風(fēng)口小10%時可達(dá)到最高能源利用率，運(yùn)用中庭通風(fēng)，屋頂通風(fēng)可以顯著降低能源損耗，通過計算，通風(fēng)管道長度不宜超過16m，層間高度應(yīng)保持在100～250mm。在不同結(jié)構(gòu)設(shè)計條件下，自然通風(fēng)都可以有效降低工業(yè)建筑能源損耗，提高能源利用效率。

3 結(jié)論

通過調(diào)查陜西省西安市灞橋收費(fèi)站的能源利用方式，筆者得出以下結(jié)論。一是風(fēng)壓作用下的自然通風(fēng)利用大氣壓力差，經(jīng)過建筑物的風(fēng)產(chǎn)生壓力差，促使空氣從迎風(fēng)面的窗縫和其他空隙進(jìn)入室內(nèi)，而室內(nèi)空氣從背風(fēng)面孔口排出，形成全面換氣的風(fēng)壓自然通風(fēng)。二是熱壓作用下的自然通風(fēng)利用兩個開口處的高度差和室內(nèi)外的空氣密度差，使建筑物的垂直方向出現(xiàn)壓力梯度，使氣體從較低的開口進(jìn)入，高處流出，這樣的設(shè)計可以運(yùn)用到通風(fēng)塔設(shè)計中。三是實現(xiàn)有效被動式制冷，當(dāng)室外空氣溫度和濕度較低時，自然通風(fēng)可以在不消耗不可再生能源的情況下降低室內(nèi)溫度，帶走潮濕氣體，達(dá)到人體熱舒適，這有利于減少能耗、降低污染，符合可持續(xù)發(fā)展的思想。四是可以提供新鮮、清潔的自然空氣（新風(fēng)），排除室內(nèi)污濁的空氣，有利于人的生理和心理健康。五是在符合科學(xué)理論的基礎(chǔ)之上實現(xiàn)了環(huán)境與能源的有機(jī)結(jié)合，有效利用自然風(fēng)能，做到低碳環(huán)保，對現(xiàn)代建筑通風(fēng)技術(shù)的改進(jìn)有著重要的現(xiàn)實意義。六是利用自然通風(fēng)和通風(fēng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計可以有效降低建筑結(jié)構(gòu)的能源損耗，提高能源運(yùn)用效率。在建筑設(shè)計中引入自然風(fēng)，可以成功拉近人與自然的關(guān)系，提高人們的生活質(zhì)量，減少能源消耗，從而降低環(huán)境污染，這是實現(xiàn)資源節(jié)約型、環(huán)境良好型城市房屋建筑設(shè)計的有效途徑。

參考文獻(xiàn)：

[1]王若竹，莫畏，錢永梅.被動式自然通風(fēng)在國外綠色建筑設(shè)計中的應(yīng)用分析[J].建筑技術(shù)開發(fā)，2009（9）：86-88.

[2]姜赟程.被動節(jié)能與自然通風(fēng)工程[J].才智，2013（33）：282.