尹 鑫，顾晓燕，肖 鹏，邹金凤，陈 霞

(1.四川水利职业技术学院，四川 崇州 611231；2.四川水利创新发展研究院，四川 崇州 611830)

1 引言

全球建筑行业所产生的碳排放量占总碳排放量约30%。据联合国环境署统计，建筑行业导致33%的温室气体排放，25%的水资源消耗，25%的固体垃圾排放以及12%的土地资源占有[1]。在城镇化和国内经济快速发展的影响下，中国建筑业碳排放量在过去20年大幅增加，从2001年年排放量7 亿t增加到2016年的21 亿t。然而在建筑使用过程中，暖通空调系统虽能够提供可靠的、舒适的室内环境，但是却违背了如今“低碳经济”的发展模式。

作为被动通风措施，建筑自然通风能够在不消耗能源的情况下保持健康的室内空气质量以及热舒适度[2]。但由于自然通风具有较大的不确定性，当地的气象条件、建筑物周围的布置情况、建筑外立面设计、通风策略以及室内障碍物布局(家具、墙体等)都会对建筑自然通风效率产生较大影响。因此，选用正确的自然通风评价方法来预测和评估建筑通风潜力尤为重要。本文以在自然通风模式下的建筑作为研究对象，将围绕其自然通风潜力评价方法进行探讨。

2 建筑自然通风概述

自然通风可以定义为由风压差、空气密度差或者热压差促使空气经窗户、门或者其他建筑的开启孔口进入或流出室内，从而使建筑室内外气体进行交换。Etheridge将建筑自然通风分为两类：立面气流流动和室内气体运动[3]。建筑立面气体流动是指由于室内外气体的风差或者温度差所产生，导致气体通过建筑立面开启口进行流动交换。室内气体运动是指由于室内温度不均匀分布产生的温度差，使得室内气体分子受到浮力而产生的流动。

2.1 热压通风

热压的产生是来自于室内外空气的温度差或者湿度差(有时定义为密度差)，这种情况会导致室内外气体在竖直方向上产生压力差。当房间气体温度较室外气体温度高时，室内气体由于其密度较小而往上升，密度较大的室外冷空气通过位置较低的入口进入室内后，温度得到升高而密度逐渐减小从而从位置较高的孔口处流出，形成气体的流动。由此可见，热压通风产生的自然通风率可以由两个高低不同的开启口的压力差来表示，图1表示在中性面(NPL)上下部的压力分布情况[4]。

图1 热压通风中孔口及压力分布示意

Aa和Ab分布表示上下两个孔口的面积，其中Hn为特征高度表示b口到中性面的距离。H表示上下两个孔口中心线之间的距离。特征高度Hn表达式为：

(1)

式(1)中，Rab=Ab/Aa代表开口面积比，Ti为室内空气温度，T0为室外空气温度。

通过建筑边界的空气入口处压力差可以表示为：

ΔPoi=Po-Pi=(ρ0-ρi)gHn

(2)

式(2)中，Pi和P0分别为室内和室外压力，ρ0和ρi分别为室外和室内气体密度，g为重力加速度。

公式(2)可以改写为公式(3)和公式(4)

(3)

(4)

式(3)、(4)中，b为温度系数 (Pa/m)。

因此，气体从外侧经图1低处孔口流入内侧的流动速率可以表示为：

(5)

式(5)中，Q为体积流量(m3/s)，Cd为开口处流量系数, 无量纲数。

2.2 风压通风

风是由大气中的压力差引起的。靠近地球表面的风的一般流动受到边界层的影响，所以叫做大气边界层，这里的风速会受到边界层表面摩擦力影响从而减弱。当风的路径被障碍物(如树木和建筑物)遮挡时，就会发生能量转换，速度压力转化为静态压力，因此在迎风面产生较大压力Cp1(约为风速0.5～0.8倍)，在背风面会产生较小压力Cp2(约为风速0.3～0.4倍)。若要计算由风压产生的通风效率，除了了解建筑物周围形成风的流动形式以外，还需知道风速和风向。对于布局简单的建筑物而言，自然通风效率可以定义为如下表达：

(6)

式(6)中，U为与建筑物同高度的测量风速，A为总的通风开口面积m2，Cd为流量系数，ΔCp为风压系数差(Cp1与Cp2)。

3 自然通风潜力评价方法

在任何有人活动的空间中，通风的目的通常包括两类：一是为居住者提供新鲜空气，排出受到污染的气体，二是消除在密闭空间内产生的热量，保持室内舒适的热湿环境[4]。通过对建筑通风措施和相关技术参数的研究，研究者们提出通过运用通风评价指标来预测建筑通风效率，为提高建筑自然通风效率提供适合的策略和设计参数。

3.1 自然通风时间(NVH)

自然通风时间(NVH)常被用于衡量在某个特定区域最大自然通风潜力。它代表着在一年8760 h中，当室外气候条件(如风速、温度、湿度)适宜自然通风时的总时间。针对全年不同的室外气候条件，居住者在非采暖房间内也能够随之改变其适应的热舒适度范围。NVH指标主要由室内温度上限值和室内最大风速限值决定。温度上限值随着一年中的月份而变化，其计算方式根据公式(7)[5]。Tout代表典型气象年中月平均室外温度。ΔT代表室内热舒适区间的温度差，对于80%的人可接受范围，Δ80%等于7℃。当室外干球温度Tout低于Tup并且高于Tlow=12.8℃(根据ASHRAE55规范中定义的最低送风温度，为了避免让人不舒服的气流[6])。

(7)

ASHRAE 55中对室内最大允许风速uin,max为0.8 m/s。相应的室外风速uout可以通过经验公式11来计算，该公式综合了室外风、温度以及湍流的影响。其中还表示送风口的垂直高度，ΔTmax是Tup与最小送风温度Tlow的差值。C1是指风速系数，等于0.001；C2是指浮力系数，等于0.0035(ms-2k-1)；C3是指湍流系数，等于0.01 m2S-2。因此，适宜自然通风的最大室外风速uout,up可以通过公式(8)计算得出。

(8)

NVH评价方法虽然独立于建筑类型并未考虑到建筑相关细节，但能够在无需对每栋建筑进行建筑能耗模拟的情况下，在建筑设计早期为建筑师和能耗决策者对建筑自然通风的可行性提供宝贵的参考依据。

前文已讲到自然通风不仅能够带走室内多余的热量，同时还能将室外新鲜的空气引入室内并排走室内污浊的空气。近年来，在中国细颗粒物(PM2.5)污染严重，已经成为构成对人们健康的关键威胁。PM2.5含有有毒和有害成分的重金属、微生物等物质。当吸入这些物质时，可以严重损害人类呼吸系统。此外，PM2.5沉积在肺部会导致肺硬化、肺癌、下呼吸道感染、慢性阻塞性肺病、中风和缺血性心脏病等[7]。室内PM2.5浓度主要来自于室内和室外。在室外来源方面，PM2.5主要通过室内外空气交换进入到房间内，比如冷风渗透和通风。而室内来源主要为吸烟、烹饪、燃料燃烧以及其他家务劳动。Martins和da Graca研究了室外颗粒物污染对办公建筑能耗的影响，其指出如果当室外PM2.5浓度低于12 μg/m3才进行自然通风能降低室内颗粒物污染，保持室内的空气质量，但会减少20%～60%建筑节能潜力[8]。Yin等评估了中国西北地区自然通风模式的住宅建筑中自然通风率和室内空气质量(IAQ)的关系[9]。他们表示虽然自然通风可以提供室外新鲜空气来减低室内甲醛等污染物的浓度，但由于该地区冬季雾霾污染较高，自然通风反而会导致室内PM2.5浓度高于标准限值(GB3095-2012年平均35 μg/m3，24 h平均值75 μg/m3；ASHRAE62.1-2016年平均35 μg/m3，24 h平均35 μg/m3；WHO年平均10 μg/m3，24 h平均值25 μg/m3)。Costanzo等根据预计适应性平均热感觉指标(aPMV)和当地气象条件对重庆地区建筑自然通风潜力进行评价，其提出如下的条件来控制冬冷夏热地区建筑开窗通风[13]：

(9)

3.2 每小时换气次数(ACH)

每小时换气次数(ACH)是建筑自然通风评价中的另一个常用指标，其适用范围可以从室内通风到城市风场研究[14]。ACH表示1 h的进气流量与房间体积的比例，对于风压通风ACH可以写成：

(10)

对于热压通风ACH表达为：

(11)

式(10)、(11)中，Ti为室内空气温度；To为室外空气温度。

3.3 通风效率(E)

通风效率(E)可以用来评价室内污染物的排除效果[15]，其定义式为：

(12)

式(12)中，η为通风效率；Cg为工作区平均浓度，kmol/m3；Cp为排风口浓度，kmol/m3；Cs为进风口，kmol/m3。

3.4 空气龄(AoA)

空气龄是指新鲜空气通过进风口进入房间，再到最终到达测量点所经历的时间。作为评价房间通风效率的指标，空气龄只取决于在某一点的速度场(和分子扩散)，相对而言是更简单、更普遍的衡量空气质量的指标，同时也可以作为室内空气质量分布的指标。比如：当新鲜空气进入房间时，通风效率更好的房间里空气龄将会更小。而若以污染物浓度为评价指标，则需额外考虑到污染物来源位置和其性质[16]。根据空气浓度运输方程，可得到稳态空气龄的控制方程[17]：

(13)

3.5 压差帕时数(PDPH)

压差帕时数是以建筑自然通风能力为基础，通过计算有效压差和达到自然通风的必要压差，从而得出有效压差超过必要压差的小时数，预测出该城市自然通风潜能[18]。PDPH无需用复杂的数值方法来计算中性面的高度和有效风压系数。该方法仅需要从气象站获得每小时的天气数据(包括温度、风速和风向)以及其他基本建筑参数(如建筑高度、墙体面积、开口率、房间人数、楼面面积以及地形条件)。当PDPH数值较高时，可以得出该城市具有较高的自然通风潜能.。Yang等人提出压差帕时数计算公式[18]：

PDPH=1hour×Σhours(ΔPeff-ΔPR)

(14)

式(14)中，ΔPeff为热压和风压产生的有效压差；ΔPR为建筑通风需求压差；ΔPeff-ΔPR>0。

3.6 气候潜在自然通风(CPNV)

Causone 建立了一种基于气候条件而非针对特定建筑的快速自然通风潜力评价方法(CPNV)[19]。该评价方式定义为一年内适宜自然通风模式的总时间与一年内总小时数的比值，如公式(15)所示：

(15)

式(15)中，hNV,1为满足自然通风条件下的第i小时；htot为一年内总小时数。

CPNV可用于比较在不同气候条件下，有多少时间可以采用自然通风的方式。同时能为设计人员在给定气候条件下，早期设计阶段便可了解该地区自然通风可以利用的程度，避免了建筑师和工程师不切实际的设计。式中hNV,1取决于室外环境温度和相对湿度是否在室内热舒适限值以内，环境温度和相对湿度可以从典型气象年数据中获得(图2)。

图2 根据温度湿度比阈值的分区

但是在实际建筑设计和建筑使用过程中，自然通风仍取决于建筑外立面设计、室内得热和太阳辐射得热、通风控制策略以及居住者习惯等。由于CPNV仅仅考虑了气候条件，而预测出来的自然通风时间偏高，Yoon等提出了一种改进方法，气候潜在利用率(CPUR)来进行自然通风潜能预测。首先对传统的自然通风效率(NVE)进行修正提出自然通风降温效率(NVCE)，NVE模型虽然综合了建筑朝向、建筑造型以及气候条件，该修正模型(NVCE)能够克服NVE评价过程中需要先进行建筑能耗模拟才能进行自然通风潜力预测，然后提出气候潜在利用率(CPUR)作为建筑自然通风评价指标[14]。CPUR可以简单的表示为NVCE与CPNV的比值，如公式(16)所示：

CPUR=NVCE/CPNV

(16)

将NVCE与CPUR这两个指标组合在一起可以在交互设计和能耗建模中提供有用的信息(图3)。例如，较低的NVCE和较低的CPUR数值表明自然通风不能给特定建筑物提供所需的冷却荷载，但可以看出建筑物没有很好地利用气候潜力，因此仍有改进NVCE的空间。低NVCE和高CPUR值表明尽管气候资源利用率很高，但建筑仍需要进行机械通风降温。因此，在进行建筑设计时，建筑师应对建筑物进行再设计以便充分利用较高自然通风潜力。

图3 NVCE与CPUR组合指标

3.7 热舒适度

Daghigh等运用回归分析和方差分析证明了ACH和室内热舒适度之间有很高的相关性[20]。Rabanillo-Herrero等采用室内温度、空气龄以及PMV-PPD模型3个指标来对房间通风质量进行评价[21]。目前最常用的衡量室内热舒适度评价指标为丹麦P.O.Fanger教授提出的PMV/PPD评价指标[22]。PMV为预测平均投票数，通过公式(20)可以计算出PMV数值，其大小与空气温度、平均辐射温度、相对湿度、空气湿度、空气速度、新陈代谢率和衣物隔热性有关。PPD为不满意者的百分数，可以预计处于热环境中的群体对于热环境不满意的投票平均值。PMV-PPD热舒适度模型是人体体温调节最早的数学模型，其能够表征人体冷热反应感觉，该模型提出的指标表示大多数人对热环境的平均投票值。一共有七级感觉，即热(+3)、暖(+2)、稍暖(+1)、中性(0)、稍凉(-1)、凉(-2)、冷(-3)。

PMV=[0.303e-0.036M+0.028]

{(M-W)-3.96E-8fcl[(Tcl+273)4-(Tr+273)4]-fclhc(Tcl-T)-3.05[5.73-0.007(M-2)

-pa]-0.42[(M-W)-58.15]-0.0173M(5.87-pa)-0.0014M(34-T)}

PPD=100-95e[-(0.03353PMV4

+0.2179PMV2)]

(17)

式(17)中，M为新陈代谢率(W/S)；W为人体做功率(W/s)；pa为环境空气中水蒸气分压力(Pa)；Tr为辐射温度；T为空气温度(℃)；fcl为穿衣人体与裸体表面积之比；Tcl为穿衣人体外表面平均温度(℃)；hc为对流热交换系数(W/s·m2·℃)。

室外气候会影响室内热舒适度范围，人们可以在一年中随着季节变化而适应不同温度。在自然通风的建筑中，当室内条件逐渐变得不适时，居住者会采取多种行动以保持舒适，比如开窗、换衣服、增加耐冷热范围等。Rijal等对日本住宅建筑热适度与居住者开窗通风表现进行为期一年的调查。其结果表明居住者开窗通风表现与室内外空气温度有关。该研究也证明了采用适应性热舒适度模型可以更有效地预测室内舒适温度范围[23]。中国标准GB50785-2012[24]、美国标准ASHRAE-55[6]、欧洲标准EN15251[25]以及ISO7730[26]均提出了热舒适度的自适应模型。Yao等采用自动控制“黑箱”理论综合了当地文化、气候、社会、心理以及表现适应性，充分考虑人体生理适应性、心理适应性以及行为调节的影响，在PMV-PPD模型基础上将心理适应和行为调节作为人体热感觉的负反馈环境，从而建立了适用于非空调环境下建筑的自适应热舒适预测模型(aPMV)[27]。由此得到PMV与aPMV关系式：

(18)

式(18)中，aPMV为预计适应性平均热感觉指标；λ为自适应系；PMV为预计平局热感觉指标。

董梦如[28]对浙江仙居农村地区自然通风建筑冬季室内热环境进行主观热反应投票实地调研。结果表明当地居民具有较强的耐热和耐寒能力，采用ASHRAE 55-2017标准并不适合作为评价该地区自然通风房间的热舒适度标准。丁勇花等[29]也证明在评价室内环境时，aPMV模型比PMV模型所得的不满意率要低，并且在使用aPMV模型进行评价时，可以避免不必要的热量和冷量损失，在降低能源消耗的同时，保持了室内热舒适度能维持在可接受范围内。但由于适应性模型是根据现场测试和问卷调查的结果通过回归分析建立的，因此，aPMV自适应系数会由环境、社会、人类等多种因素所决定。用该方法来评价某一房间或建筑的自然通风潜力不具有普遍性。

3.8 气体死点百分比(%DS)

Royan and Vaidya[30]通过实验证明了水位仪能够模拟室内气流组织流动情况，并且提供可视化、可量化的结果。室内气体死点意味着空气在这个区域停滞，并且很少甚至没有和进入房间的新鲜空气混合。Mundhe等[31]也通过水位仪实验以死点百分比为指标来评价风压通风房间的通风效率。死点百分比(%DS)可以当作一个量化进入室内新鲜空气与室内空气混合程度的指标，并且能确定房间中通风不足的区域。%DS可以通过以下公式计算得出。从公式中可以看出，%DS越大表明进入房间新风量越少。

(19)

式(19)中，Cmax表示初始最大染料浓度；C表示经充分混合后，某区域的染料浓度。由C=1.42×Pix-1.06计算得出，Pix为实验照片像素。

4 讨论

不同于机械通风，建筑自然通风本身的物理过程是非常复杂的，由主观因素和客观因素共同决定。其中，主观因素主要包括了建筑外立面设计参数、建筑通风策略、建筑物内部布置情况、居住者生活习惯等。客观因素主要为室外环境的影响，如太阳辐射、风环境、大气温湿度、室外污染物浓度等。由于建筑通风本身的难预见性，如何去度量建筑自然通风潜力成为近年学者和研究者所关心的领域。前文中已对当前研究文献中常用评价标准进行了列举和探讨。这些评价方法可以根据其所适用的范围不同而分为两类，一类为区域性评价方法，第二类为特定建筑(房间)评价方法。

自然通风时间(NVH)常作为区域性自然通风潜力评价方法，该方法可以通过获取当地气象站或者典型气象年数据，根据室外温度、湿度、风速、室外污染物浓度以及当地人适应性热舒适度范围和室内空气质量标准，从而求得一年内满足自然通风调节时间。NVH方法能够较快地计算出某地区建筑自然通风潜力，由于其未考虑特定的建筑设计参数，通常作为建筑设计前期的自然通风潜力参考依据。类似的方法CPNV也仅考虑建筑所在地气候条件，导致预测出的通风潜力偏高。基于CPNV方法，近年Yoon等提出了改进方法(CPUR)[14]，其综合建筑朝向、立面造型等参数。但CPUR方法未考虑周边建筑群或遮挡物对风速、风向的影响。还有Yang等[18]提出的压差帕时数也可以通过计算有效压差和达到自然通风的必要压差得到有效压差来预测该区域的自然通风潜力。

如要对某特定建筑或者房间内通风情况进行详细分析和评价，以上4种方法并不适用。目前，每小时换气数(ACH)常用作通风设计中基础的参考标准来表示室内对新风量的最小要求，并且根据房间功能不同，其数值也不同。空气龄(AoA)能表示房间排除污染物能力，平均空气龄小越小，该房间污染物被去除的时间越短。并且空气龄还可以反映房间局部的空气流通能力，某点空气龄越小表示该点空气越新鲜。死点百分比(%DS)也可评价某点空气流通效率，但其往往在水位仪实验中采用。这3种评价方法虽能够很好地反映室内平均和局部气流流通情况，但却无法衡量室内人体的热舒适度。而人体自适应热舒适模型(aPMV)能够综合预测室内温度、湿度、风速、穿着、新陈代谢等情况，很好地弥补前面几种方法的不足。

综上所述，在建筑设计前期自然通风时间(NVH)、CPNV、CPUR和压差帕时数(PDPH)均能方便、快速地预测出该地区或城市建筑自然通风潜力。若要对特定建筑室内自然通风能力进行预测评价，每小时换气数(ACH)和空气龄(AoA)可表示该房间通风排污效率，采用人体热舒适模型能反映室内热舒适程度。

5 结语

本文总结了前人对建筑自然通风潜力评价指标的研究，并对评价的范围进行了归纳。在进行自然通风评价指标选择时，需先了解评价的对象、目的和各类评价方法适用的范围。对较大区域范围的建筑群自然通风潜力评价，多可采用气象站所提供的气候数据便可得出结果。若要对室内通风效率进行详细分析，则可采用每小时换气数、空气龄以及人体热舒适模型。相关成果可为建筑自然通风相关研究作支撑和参考。