徐 俊，王 琪，殷子文

(1. 安徽建筑大学 城市建设学院, 安徽 合肥 238076;2. 中国科学技术大学 火灾科学国家重点实验室, 安徽 合肥 230031;3. 安徽建筑大学 环境科学与能源工程学院, 安徽 合肥 230601)

自然通风是重要的被动式节能手段之一,可以有效地降低建筑能耗.国内外学者对自然通风作了大量研究.杨华[1]等以5月1日作为过渡季的典型日,对比研究了公共建筑过渡季全天开启、关闭外窗的2种情况,统计室内舒适温度区间及10～25 ℃的小时数在全年小时数的占比得出过渡季下午开窗通风相比于上午和中午节能潜力更优.王禹[2]等采用DeST软件研究四川锦川锦阳某公共建筑室内温度场与空调的累计冷负荷数值与建筑自然通风的关系,发现此地区4～10月采用夜间通风可以很好地降低空调冷负荷能耗.Barozzi[3]等用计算流体力学(CFD)方法对各研究项目进行气流分析,并通过形象的气流图反应出气流的真实情况,如污染物的排出路径及时间,室内空气品质的影响因素等.Jung Y[4]、Behrang chenari[5]、MikaNomura[6]等都从自然通风次数和持续时间2个角度分别对所研究的建筑物进行了分析,研究自然通风对于建筑物能耗的影响,对自然通风科学技术的研究以及建筑技术的规范和标准等进行了综合回顾和评价,调查中同时报道了我国建筑自然通风和节能技术方法的应用与发展.

1 自然通风节能潜力分析

巢北地区在巢湖以北,位于夏热冬冷的地区,四季分明,年较差在25 ℃以上.夏季气温高,全年中最热月平均温度在25～30 ℃,最热月的日最高温度可以达到35 ℃以上,全年温度在30～35 ℃的天数多达51 d,夏季空气湿度大,相对的湿度常保持在70%～80%甚至更高.

如表1所示,巢北地区全年人体舒适温度时长为3 906 h,即室外干球温度在10～25 ℃之间所占全年总时长的比例为44.5%.如图1所示,该地区春季3～5月份室外环境平均温度在8.0～23.0 ℃之间,秋季9～11月份室外环境平均温度位于18.0～24.0 ℃之间.由此可见,巢北地区全年中有较长的时间可以达到良好的自然通风条件,自然通风潜力优良[7].在进行建筑模拟计算时用DeST-c典型分块地区年逐时气象参数,如图2所示.

表1 全年温度分布段节点

图1 各月平均干球温度

图2 逐时干球温度统计

2 模拟模型建立

2.1 建筑选择

本文以巢北地区某高校U字形教学楼作为公共建筑示例进行研究,周边无高层建筑,通风状况良好,与邻近一字形建筑组成穿堂风,有良好的通风环境.对教学楼进行DeST-c建模,层高3.6 m,共有6层,生成3D模型如图3所示.

图3 教学楼建筑建模

2.2 建筑物理参数设定

建筑外窗参数如表2所示,其他信息及夏热冬冷地区公共建筑节能设计如表3～4所示.

2.3 通风量要求

根据《公共建筑节能设计标准(GB50189—2015)》计算建筑全年累计耗冷量和累计耗热量.教室通风换气次数应根据最小新风量和教室大小计算[7],学校建筑教学楼的人均新风量为30 m3/h·人[8],假设教室容纳100人,长×宽×高为11.7 m×8.4 m×3.6m,换气量需要3 000 m3/h,所以换气次数为8.5次/h.

夏热冬冷的地区要加强夏季、温和季节及其过渡季节自然通风,减少冬季热量损失,结合图4玫瑰图,对模拟试验进行工况设置,如表5所示.

表2 建筑外窗参数

表3 建筑外墙参数

表4 建筑其他围护参数表

图4 巢北地区风玫瑰图

表5 建筑模拟工况设置

3 建筑模拟分析

3.1 通风对建筑负荷的影响

为了研究公共建筑因自然通风对能耗的影响,设置以下2种通风工况模拟窗户的开启情况,工况I为房间不与外界换气,工况II为房间与外界换气次数为1次/h,模拟结果如表6所示.

由表6可得无通风的工况下,全年累计热负荷值为2 493 297.90 kW·h,全年累计冷负荷值为1 490 341.99 kW·h.在有通风的工况下,全年累计热负荷值为2 674 670.48 kW·h,全年累计冷负荷为1 466 824.73 kW·h.结合图5～6可以看出,在冬季每天空调非工作时间无通风时比有通风情况下热负荷更低,所以在冬季在空调非运行时间段可以闭窗减少自然通风以降低能耗;在夏季非空调运行时间段开窗通风会减少能耗,无通风与通风相差能耗为23 517.26 kW·h,所以在夏季尤其是7月份,通过开窗增加自然通风带走余热余湿,对减少建筑能耗有显著效果.

3.2 夜间通风对建筑负荷的影响

为了进一步研究自然通风的节能潜力,考虑非空调运行时间段更改换气次数以分析节能情况.在非空调运行时间段分别设置换气次数为0、0.5、1和1.5次4种工况,如表7所示.空调运行时设置换气次数为10 h/次,根据DeST-c的参数设置设置采暖季为12-01—01-15、空调季为06-01—10-01日对建筑的全年逐时冷、热负荷进行模拟,4种工况的模拟结果如图7～10和表7所示.

表6 有无通风方案的建筑全年负荷统计

图5 无通风方案建筑全年逐时空调负荷

图6 有通风方案建筑全年逐时空调负荷

图7 工况1建筑全年逐时空调负荷

图9 工况3建筑全年逐时空调负荷

图8 工况2建筑全年逐时空调负荷

图10 工况4建筑全年逐时空调负荷

表7 4种工况下建筑全年负荷统计

在4个工况中可得最大热负荷分布在12月和1月,其中工况1最大热负荷值最低,为4 208.51 kW,工况4的最大热负荷高于其他3个工况1为4 932.18 kW,所以在冬季工况1的通风效果最好;在4个工况中明显可见最大冷负荷在7月份,其中工况4的最大冷负荷值最低,为6 607.59 kW,工况1的最大冷负荷高于其他3个,工况1为6 633.04 kW,所以在夏季工况4的通风效果最好.

由能耗模拟结果显示,该教学楼在通风情况下,建筑热负荷从小到大排序为:工况1<工况2<工况3<工况4,建筑的冷负荷从小到大排列顺序为:工况4<工况3<工况2<工况1,可见不同通风情况对建筑负荷影响显著,改变开窗大小直接影响建筑能耗.通过工况对比可得在冬季采用工况1对建筑的节能效果最好,在夏季可见工况4对建筑的节能效果最好,但是由工况1到工况4的能耗曲线可见增加换气次数对冷负荷的影响逐渐减小,故结合实际开窗大小考虑选择工况3为最适节能工况.

3.3 最佳夜间通风工况设置

为了更好地分析适宜工况下自然通风的节能效果,设置工况5,即分季节更改换气.保持空调运行阶段10次/h不变,结合巢北各月平均干球温度图设置，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,且在寒暑假因无空调运行,故不考虑负荷值.由工况5模拟得出如图11所示最佳工况下的全年逐时空调负荷.表8为最佳工况下最大全年热冷负荷及累计热冷负荷.

图11 最佳工况全年逐时空调负荷

表8 最佳工况全年冷热负荷

根据表8可以看出，进行分季节自然通风,在全年累计热负荷和全年累计冷负荷中所得数据较好.

为显示不同通风工况下房间自然室温的变化,选取南北各1个房间,设置工况6和工况7.工况6:房间对大气换气，建筑1层设置为全年0次/h,2层设置为DeST自带参数,即除夏季夜间2次/h外,其余时间均为0.5次/h;工况7:建筑1层2个房间设置房间对大气换气，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,二层为12～22周和40～46周1次/h其余时段为DeST自带参数.各房间自然温度如图12所示.由图12可知,利用适宜换气次数可以很好的将过渡季、夏季室内产生的余湿余热带走进而达到人们适宜的室内工作环境.

图12 工况5～6各房间自然温度对比

工况6～7将上述所有的模拟工况整合对比,得出分季节设置换气次数(最佳通风工况)所得到的10～25 ℃所占4 611 h;全年不与室外通风的工况所得10～25 ℃所占3 906 h.对比全年逐时室内温度可见进行分季节设置换气次数的室内温度更加集中于人体适宜温度区间,过热过冷所占时长明显减少,如表9所示.

表9 工况6～7各房间自然温度对比

4 结论

1) 分季节通风换气可以显著减少教学楼能耗，减少空调机组的使用,降低达到适宜室内热环境所消耗的能耗.

2) 夏季有通风时建筑能耗明显低于无通风时建筑能耗,冬季换气次数由小到大对应建筑热负荷有小到大,可以通过控制自然通风达到节能效果.夏季尤其是7月提高通风时间可以很好地降低建筑能耗,带走室内余热、余湿;在冬季关窗可以很好地实现建筑保温减缓热负荷流失,由此可以针对季节设置自然通风条件以达到提升建筑节能潜力的效果.

3) 本文模拟结果显示通过改变自然通风工况在全年建筑负荷趋势上并无明显改变,可能是由于无高强度劳作及工作时段能耗占比过大等多方面原因,后续可进一步研究,但对于房间自然室温以及全年总负荷的数值还是有着至关重要的影响.