巢北地區(qū)公共建筑自然通風(fēng)節(jié)能潛力分析

徐 俊，王 琪，殷子文

(1. 安徽建筑大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院, 安徽 合肥 238076;2. 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 安徽 合肥 230031;3. 安徽建筑大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與能源工程學(xué)院, 安徽 合肥 230601)

自然通風(fēng)是重要的被動(dòng)式節(jié)能手段之一,可以有效地降低建筑能耗.國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)自然通風(fēng)作了大量研究.楊華[1]等以5月1日作為過渡季的典型日,對(duì)比研究了公共建筑過渡季全天開啟、關(guān)閉外窗的2種情況,統(tǒng)計(jì)室內(nèi)舒適溫度區(qū)間及10～25 ℃的小時(shí)數(shù)在全年小時(shí)數(shù)的占比得出過渡季下午開窗通風(fēng)相比于上午和中午節(jié)能潛力更優(yōu).王禹[2]等采用DeST軟件研究四川錦川錦陽(yáng)某公共建筑室內(nèi)溫度場(chǎng)與空調(diào)的累計(jì)冷負(fù)荷數(shù)值與建筑自然通風(fēng)的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)此地區(qū)4～10月采用夜間通風(fēng)可以很好地降低空調(diào)冷負(fù)荷能耗.Barozzi[3]等用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法對(duì)各研究項(xiàng)目進(jìn)行氣流分析,并通過形象的氣流圖反應(yīng)出氣流的真實(shí)情況,如污染物的排出路徑及時(shí)間,室內(nèi)空氣品質(zhì)的影響因素等.Jung Y[4]、Behrang chenari[5]、MikaNomura[6]等都從自然通風(fēng)次數(shù)和持續(xù)時(shí)間2個(gè)角度分別對(duì)所研究的建筑物進(jìn)行了分析,研究自然通風(fēng)對(duì)于建筑物能耗的影響,對(duì)自然通風(fēng)科學(xué)技術(shù)的研究以及建筑技術(shù)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)等進(jìn)行了綜合回顧和評(píng)價(jià),調(diào)查中同時(shí)報(bào)道了我國(guó)建筑自然通風(fēng)和節(jié)能技術(shù)方法的應(yīng)用與發(fā)展.

1 自然通風(fēng)節(jié)能潛力分析

巢北地區(qū)在巢湖以北,位于夏熱冬冷的地區(qū),四季分明,年較差在25 ℃以上.夏季氣溫高,全年中最熱月平均溫度在25～30 ℃,最熱月的日最高溫度可以達(dá)到35 ℃以上,全年溫度在30～35 ℃的天數(shù)多達(dá)51 d,夏季空氣濕度大,相對(duì)的濕度常保持在70%～80%甚至更高.

如表1所示,巢北地區(qū)全年人體舒適溫度時(shí)長(zhǎng)為3 906 h,即室外干球溫度在10～25 ℃之間所占全年總時(shí)長(zhǎng)的比例為44.5%.如圖1所示,該地區(qū)春季3～5月份室外環(huán)境平均溫度在8.0～23.0 ℃之間,秋季9～11月份室外環(huán)境平均溫度位于18.0～24.0 ℃之間.由此可見,巢北地區(qū)全年中有較長(zhǎng)的時(shí)間可以達(dá)到良好的自然通風(fēng)條件,自然通風(fēng)潛力優(yōu)良[7].在進(jìn)行建筑模擬計(jì)算時(shí)用DeST-c典型分塊地區(qū)年逐時(shí)氣象參數(shù),如圖2所示.

表1 全年溫度分布段節(jié)點(diǎn)

圖1 各月平均干球溫度

圖2 逐時(shí)干球溫度統(tǒng)計(jì)

2 模擬模型建立

2.1 建筑選擇

本文以巢北地區(qū)某高校U字形教學(xué)樓作為公共建筑示例進(jìn)行研究,周邊無高層建筑,通風(fēng)狀況良好,與鄰近一字形建筑組成穿堂風(fēng),有良好的通風(fēng)環(huán)境.對(duì)教學(xué)樓進(jìn)行DeST-c建模,層高3.6 m,共有6層,生成3D模型如圖3所示.

圖3 教學(xué)樓建筑建模

2.2 建筑物理參數(shù)設(shè)定

建筑外窗參數(shù)如表2所示,其他信息及夏熱冬冷地區(qū)公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)如表3～4所示.

2.3 通風(fēng)量要求

根據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(GB50189—2015)》計(jì)算建筑全年累計(jì)耗冷量和累計(jì)耗熱量.教室通風(fēng)換氣次數(shù)應(yīng)根據(jù)最小新風(fēng)量和教室大小計(jì)算[7],學(xué)校建筑教學(xué)樓的人均新風(fēng)量為30 m3/h·人[8],假設(shè)教室容納100人,長(zhǎng)×寬×高為11.7 m×8.4 m×3.6m,換氣量需要3 000 m3/h,所以換氣次數(shù)為8.5次/h.

夏熱冬冷的地區(qū)要加強(qiáng)夏季、溫和季節(jié)及其過渡季節(jié)自然通風(fēng),減少冬季熱量損失,結(jié)合圖4玫瑰圖,對(duì)模擬試驗(yàn)進(jìn)行工況設(shè)置,如表5所示.

表2 建筑外窗參數(shù)

表3 建筑外墻參數(shù)

表4 建筑其他圍護(hù)參數(shù)表

圖4 巢北地區(qū)風(fēng)玫瑰圖

表5 建筑模擬工況設(shè)置

3 建筑模擬分析

3.1 通風(fēng)對(duì)建筑負(fù)荷的影響

為了研究公共建筑因自然通風(fēng)對(duì)能耗的影響,設(shè)置以下2種通風(fēng)工況模擬窗戶的開啟情況,工況I為房間不與外界換氣,工況II為房間與外界換氣次數(shù)為1次/h,模擬結(jié)果如表6所示.

由表6可得無通風(fēng)的工況下,全年累計(jì)熱負(fù)荷值為2 493 297.90 kW·h,全年累計(jì)冷負(fù)荷值為1 490 341.99 kW·h.在有通風(fēng)的工況下,全年累計(jì)熱負(fù)荷值為2 674 670.48 kW·h,全年累計(jì)冷負(fù)荷為1 466 824.73 kW·h.結(jié)合圖5～6可以看出,在冬季每天空調(diào)非工作時(shí)間無通風(fēng)時(shí)比有通風(fēng)情況下熱負(fù)荷更低,所以在冬季在空調(diào)非運(yùn)行時(shí)間段可以閉窗減少自然通風(fēng)以降低能耗;在夏季非空調(diào)運(yùn)行時(shí)間段開窗通風(fēng)會(huì)減少能耗,無通風(fēng)與通風(fēng)相差能耗為23 517.26 kW·h,所以在夏季尤其是7月份,通過開窗增加自然通風(fēng)帶走余熱余濕,對(duì)減少建筑能耗有顯著效果.

3.2 夜間通風(fēng)對(duì)建筑負(fù)荷的影響

為了進(jìn)一步研究自然通風(fēng)的節(jié)能潛力,考慮非空調(diào)運(yùn)行時(shí)間段更改換氣次數(shù)以分析節(jié)能情況.在非空調(diào)運(yùn)行時(shí)間段分別設(shè)置換氣次數(shù)為0、0.5、1和1.5次4種工況,如表7所示.空調(diào)運(yùn)行時(shí)設(shè)置換氣次數(shù)為10 h/次,根據(jù)DeST-c的參數(shù)設(shè)置設(shè)置采暖季為12-01—01-15、空調(diào)季為06-01—10-01日對(duì)建筑的全年逐時(shí)冷、熱負(fù)荷進(jìn)行模擬,4種工況的模擬結(jié)果如圖7～10和表7所示.

表6 有無通風(fēng)方案的建筑全年負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

圖5 無通風(fēng)方案建筑全年逐時(shí)空調(diào)負(fù)荷

圖6 有通風(fēng)方案建筑全年逐時(shí)空調(diào)負(fù)荷

圖7 工況1建筑全年逐時(shí)空調(diào)負(fù)荷

圖9 工況3建筑全年逐時(shí)空調(diào)負(fù)荷

圖8 工況2建筑全年逐時(shí)空調(diào)負(fù)荷

圖10 工況4建筑全年逐時(shí)空調(diào)負(fù)荷

表7 4種工況下建筑全年負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

在4個(gè)工況中可得最大熱負(fù)荷分布在12月和1月,其中工況1最大熱負(fù)荷值最低,為4 208.51 kW,工況4的最大熱負(fù)荷高于其他3個(gè)工況1為4 932.18 kW,所以在冬季工況1的通風(fēng)效果最好;在4個(gè)工況中明顯可見最大冷負(fù)荷在7月份,其中工況4的最大冷負(fù)荷值最低,為6 607.59 kW,工況1的最大冷負(fù)荷高于其他3個(gè),工況1為6 633.04 kW,所以在夏季工況4的通風(fēng)效果最好.

由能耗模擬結(jié)果顯示,該教學(xué)樓在通風(fēng)情況下,建筑熱負(fù)荷從小到大排序?yàn)?工況1<工況2<工況3<工況4,建筑的冷負(fù)荷從小到大排列順序?yàn)?工況4<工況3<工況2<工況1,可見不同通風(fēng)情況對(duì)建筑負(fù)荷影響顯著,改變開窗大小直接影響建筑能耗.通過工況對(duì)比可得在冬季采用工況1對(duì)建筑的節(jié)能效果最好,在夏季可見工況4對(duì)建筑的節(jié)能效果最好,但是由工況1到工況4的能耗曲線可見增加換氣次數(shù)對(duì)冷負(fù)荷的影響逐漸減小,故結(jié)合實(shí)際開窗大小考慮選擇工況3為最適節(jié)能工況.

3.3 最佳夜間通風(fēng)工況設(shè)置

為了更好地分析適宜工況下自然通風(fēng)的節(jié)能效果,設(shè)置工況5,即分季節(jié)更改換氣.保持空調(diào)運(yùn)行階段10次/h不變,結(jié)合巢北各月平均干球溫度圖設(shè)置，如表5所示.0～13周0.1次/h、14～20周0.5次/h、21～41周1次/h、42～48周0.5次/h、49～53周0.1次/h,且在寒暑假因無空調(diào)運(yùn)行,故不考慮負(fù)荷值.由工況5模擬得出如圖11所示最佳工況下的全年逐時(shí)空調(diào)負(fù)荷.表8為最佳工況下最大全年熱冷負(fù)荷及累計(jì)熱冷負(fù)荷.

圖11 最佳工況全年逐時(shí)空調(diào)負(fù)荷

表8 最佳工況全年冷熱負(fù)荷

根據(jù)表8可以看出，進(jìn)行分季節(jié)自然通風(fēng),在全年累計(jì)熱負(fù)荷和全年累計(jì)冷負(fù)荷中所得數(shù)據(jù)較好.

為顯示不同通風(fēng)工況下房間自然室溫的變化,選取南北各1個(gè)房間,設(shè)置工況6和工況7.工況6:房間對(duì)大氣換氣，建筑1層設(shè)置為全年0次/h,2層設(shè)置為DeST自帶參數(shù),即除夏季夜間2次/h外,其余時(shí)間均為0.5次/h;工況7:建筑1層2個(gè)房間設(shè)置房間對(duì)大氣換氣，0～13周0.1次/h、14～20周0.5次/h、21～41周1次/h、42～48周0.5次/h、49～53周0.1次/h,二層為12～22周和40～46周1次/h其余時(shí)段為DeST自帶參數(shù).各房間自然溫度如圖12所示.由圖12可知,利用適宜換氣次數(shù)可以很好的將過渡季、夏季室內(nèi)產(chǎn)生的余濕余熱帶走進(jìn)而達(dá)到人們適宜的室內(nèi)工作環(huán)境.

圖12 工況5～6各房間自然溫度對(duì)比

工況6～7將上述所有的模擬工況整合對(duì)比,得出分季節(jié)設(shè)置換氣次數(shù)(最佳通風(fēng)工況)所得到的10～25 ℃所占4 611 h;全年不與室外通風(fēng)的工況所得10～25 ℃所占3 906 h.對(duì)比全年逐時(shí)室內(nèi)溫度可見進(jìn)行分季節(jié)設(shè)置換氣次數(shù)的室內(nèi)溫度更加集中于人體適宜溫度區(qū)間,過熱過冷所占時(shí)長(zhǎng)明顯減少,如表9所示.

表9 工況6～7各房間自然溫度對(duì)比

4 結(jié)論

1) 分季節(jié)通風(fēng)換氣可以顯著減少教學(xué)樓能耗，減少空調(diào)機(jī)組的使用,降低達(dá)到適宜室內(nèi)熱環(huán)境所消耗的能耗.

2) 夏季有通風(fēng)時(shí)建筑能耗明顯低于無通風(fēng)時(shí)建筑能耗,冬季換氣次數(shù)由小到大對(duì)應(yīng)建筑熱負(fù)荷有小到大,可以通過控制自然通風(fēng)達(dá)到節(jié)能效果.夏季尤其是7月提高通風(fēng)時(shí)間可以很好地降低建筑能耗,帶走室內(nèi)余熱、余濕;在冬季關(guān)窗可以很好地實(shí)現(xiàn)建筑保溫減緩熱負(fù)荷流失,由此可以針對(duì)季節(jié)設(shè)置自然通風(fēng)條件以達(dá)到提升建筑節(jié)能潛力的效果.

3) 本文模擬結(jié)果顯示通過改變自然通風(fēng)工況在全年建筑負(fù)荷趨勢(shì)上并無明顯改變,可能是由于無高強(qiáng)度勞作及工作時(shí)段能耗占比過大等多方面原因,后續(xù)可進(jìn)一步研究,但對(duì)于房間自然室溫以及全年總負(fù)荷的數(shù)值還是有著至關(guān)重要的影響.