太陽能輔助通風井在重慶地區(qū)綠色建筑中的應(yīng)用研究

李懷玉，戴輝自，劉軍

（中煤科工集團重慶設(shè)計研究院綠色建筑技術(shù)中心，重慶400016）

太陽能輔助通風井在重慶地區(qū)綠色建筑中的應(yīng)用研究

李懷玉，戴輝自，劉軍

（中煤科工集團重慶設(shè)計研究院綠色建筑技術(shù)中心，重慶400016）

針對重慶地區(qū)夏季太陽能資源條件較好、熱濕環(huán)境惡劣的氣候資源特點，研究太陽能輔助通風對室內(nèi)熱濕環(huán)境的改善效果。該文利用計算流體力學（CFD）技術(shù)對重慶地區(qū)某綠色建筑項目在采用太陽能輔助通風井前后的室內(nèi)熱濕環(huán)境改善效果進行了對比分析，分析結(jié)果表明，在夏季增設(shè)太陽能輔助通風井后，能有效提高室內(nèi)風速，降低室內(nèi)空氣齡、室內(nèi)溫度和室內(nèi)PMV值，有效改善了室內(nèi)熱濕環(huán)境。

重慶地區(qū)；太陽能；輔助通風；綠色建筑；拔風井；太陽輻射；空氣干球溫度

0 引言

相關(guān)研究表明，自然通風技術(shù)對于建筑節(jié)能具有重要意義，在建筑中實現(xiàn)良好的自然通風，可有效降低建筑能耗[1]。隨著建筑節(jié)能與綠色建筑的快速發(fā)展，自然通風技術(shù)已在建筑設(shè)計中受到越來越多的關(guān)注，應(yīng)用的形式也趨于多樣化，如拔風井、導風墻、邊庭、中庭等?！毒G色建筑評價標準》GB/T 50378-2006和《重慶市綠色建筑評價標準》DBJ/T50-066-2009中均有“建筑設(shè)計和構(gòu)造設(shè)計有促進自然通風的措施”[2]的條文，在具體實施過程中，對建筑采用導風墻或拔風井等促進室內(nèi)自然通風的技術(shù)均給予了較高的分數(shù)，因此，自然通風技術(shù)已受到越來越多建筑師的青睞。太陽能輔助通風即是采用熱壓通風的原理，通過設(shè)置拔風井等措施，優(yōu)化室內(nèi)氣流組織，強化室內(nèi)自然通風。重慶地區(qū)夏季炎熱，靜風率高，且濕度較大，亟需改善室內(nèi)熱舒適環(huán)境，而正好夏季太陽輻射強烈，可以充分利用太陽能強化熱壓效果來促進自然通風。但對太陽能輔助通風效果在建筑設(shè)計階段如何進行評價，如何實現(xiàn)建筑與通風技術(shù)的完美結(jié)合，對目前國內(nèi)建筑師來說仍是一個較難的問題，本文將采用計算流體力學（CFD）技術(shù)，分析重慶地區(qū)夏季拔風井對室內(nèi)熱濕環(huán)境的影響。

1 太陽能輔助通風技術(shù)

1.1 自然通風及太陽能輔助通風原理

自然通風是指利用自然的手段來促使空氣流動而進行的通風換氣方式。一般而言，在實際的自然通風過程中，會同時受到風壓、熱壓的作用。當某一建筑同時受到風壓和熱壓作用時，自然通風下的模型分析如圖1所示[3]。

圖1 風壓和熱壓同時作用下的通風示意圖

式中

Pxa——窗孔a處的余壓，Pa；

Pxb——窗孔b處的余壓，Pa；

Ka、Kb——窗孔a和窗孔b的動力系數(shù)；

h——窗孔a和窗孔b的高度差，m；

h1——窗孔a與中和面的高度差，m。

從式中可以看出，當兩個窗孔間高差越大時，由于密度差產(chǎn)生的壓差也越大，而當兩窗孔間空氣溫度差別較大時，兩處的空氣密度差相差也較大，能起到加強通風的作用。太陽能輔助通風正是基于這一理論基礎(chǔ)，靠提高兩窗孔處的空氣溫度差，進而增大兩窗孔處的內(nèi)外壓差，增強自然通風效果。在目前的專利市場上，很多太陽能輔助通風的專利是基于此進行開發(fā)的。例如重慶大學丁勇等人開發(fā)的“一種室內(nèi)太陽能輔助通風采暖系統(tǒng)”專利[4]，及太陽能空氣集熱器等。

1.2 重慶地區(qū)太陽能資源條件

重慶地區(qū)年平均氣溫在18℃左右，冬季最低氣溫平均在6~18℃，而夏季的平均氣溫在27~29℃，最高氣溫可達43℃，素有“火爐”之稱[5]。在炎熱的夏季，希望能通過自然通風以改善室內(nèi)的熱濕環(huán)境，而夏季強烈的太陽輻射又為改善增強自然通風提供了良好的動力[6]。研究表明，良好的自然通風對建筑節(jié)能的貢獻率可達5%~30%[7]。圖2所示為重慶地區(qū)水平面總太陽輻射及空氣干球溫度的關(guān)系圖，可以看出，在空氣溫度較高時，室內(nèi)熱舒適對自然通風的需求較大，此時太陽輻射較強，可以利用太陽能輔助通風。

圖2 重慶地區(qū)水平面總太陽輻射及空氣干球溫度的關(guān)系圖

2 理論模型

為了討論重慶地區(qū)太陽能輔助通風對建筑能耗的影響，本文結(jié)合重慶地區(qū)某三星級的綠色建筑項目，針對其功能房間增設(shè)太陽能輔助通風后室內(nèi)的溫濕度場情況進行模擬分析。該功能房間的主要功能為活動室，活動室的尺寸為7600× 6400×3600mm。兩種情況下房間平面布局如圖3、圖4所示，其中已將人員轉(zhuǎn)化成內(nèi)熱源，并利用軟件中相應(yīng)的模塊代替，因數(shù)量較多，不便于表示，故在圖中未表示出。同時，在房間上均勻地布置有4套燈具，亦未表示出。室內(nèi)的熱源為電視機（60W，尺寸為1100×40×650mm），人員30人（散熱量為47W，散濕量為41g/h），總熱負荷為1410W，燈具總安裝功率為400W（共計4套共8盞，每套發(fā)熱量為60W），外墻的傳熱系數(shù)設(shè)置為0.7W/m2·K。進風口的尺寸為2300×2000mm，門的尺寸為1200×2100mm；拔風井的尺寸為1200×1500×6000mm，突出屋面的高度為2400mm。由于全年各時段氣候處于變化中，因此，為減小分析工作量，本處只考慮最炎熱夏季狀況下拔風井對室內(nèi)的溫度場改善狀況。項目所在地夏季室外空氣干球溫度為28.6℃，相對濕度76%，風速為0.8m/s，水平面的平均太陽直射輻射強度為175W/m2，東、西、南、北四個朝向的平均太陽直射輻射強度分別為90 W/m2，80 W/m2，69 W/m2，57 W/m2[8]。

圖3 無拔風井房間平面布局

圖4 有拔風井房間平面布局

3 太陽能輔助通風效果分析

利用Airpark 3.0軟件對兩種情況下（無拔風井和有拔風井）室內(nèi)自然通風狀況進行模擬分析，靠近墻壁處的室內(nèi)溫度

較高，在31℃以上，房間僅有靠近窗的區(qū)域溫度較低，整個室內(nèi)平均溫度為30.2℃；增設(shè)拔風井后，室外風的作用距離明顯增大，房間內(nèi)超過一半?yún)^(qū)域溫度在29℃以下，僅有小部分區(qū)域溫度達到30℃，房間內(nèi)部平均溫度維持在29~30℃，此時室內(nèi)的平均溫度為29.1℃。因此，增設(shè)拔風井可使房間內(nèi)平均溫度降低約1.1℃。

圖5 無拔風井時室內(nèi)1.5m高度溫度云圖

圖6 有拔風井時室內(nèi)1.5m高度溫度云圖

3.1 拔風井對室內(nèi)風速場的影響研究

在未設(shè)置拔風井時，室內(nèi)較大區(qū)域風速較低，約為0.3m/ s，對于室內(nèi)的熱量以及污染物排除均不利，僅距窗較近處風速約為0.8m/s，整個區(qū)域內(nèi)平均風速為0.4 m/s。在增設(shè)拔風井后，室內(nèi)的氣流組織分布研究發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)風速明顯提高，由于拔風井的“抽吸”作用，使得窗進風速度提升至1.2 m/s，室內(nèi)形成了2處明顯的通風廊道，且在此作用下室內(nèi)風速較小的區(qū)域明顯減少。整個室內(nèi)的平均風速約為0.8 m/s，較無拔風井時提升了0.4 m/s。

3.2 拔風井對室內(nèi)空氣齡的影響研究

室內(nèi)無拔風井時，在近窗處空氣齡較小約為20s，房間空氣齡最大處值為120s(如圖7，圖8)，室內(nèi)的大部分區(qū)域空氣齡約為80s，整個房間平均空氣齡約為62.1s。而增設(shè)拔風井后，室外空氣可及范圍明顯擴大，房間空氣齡最大值為69.8s，整個房間1.5m處的平均空氣齡為34.7s(如圖9，圖10)。兩者相比較發(fā)現(xiàn)，增設(shè)拔風井可使房間內(nèi)的空氣齡明顯降低，室內(nèi)平均空氣齡降低27.4s，且室內(nèi)空氣齡較低的區(qū)域明顯增加，這對于維持室內(nèi)空氣品質(zhì)，降低室內(nèi)污染物濃度具有較好的效果。

圖7 無拔風井時室內(nèi)1.5m高度風速云圖

圖8 無拔風井時室內(nèi)1.5m高度風速云圖

圖9 無拔風井時室內(nèi)1.5m高度空氣齡云圖

圖10 有拔風井時室內(nèi)1.5m高度空氣齡云圖

3.3 拔風井對PMV的影響研究

PMV即預測平均投票數(shù)，可用于表征室內(nèi)的熱環(huán)境狀況，共計7級，通過對室內(nèi)的PMV值進行計算，發(fā)現(xiàn)無拔風井時室內(nèi)大部分區(qū)域PMV值大于1.5[9]，按照PMV定義，熱感覺處于稍暖和暖之間，平均值為1.6。增設(shè)拔風井后，室內(nèi)PMV值明顯降低，大部分區(qū)域PMV值處于0.75~1.0之間，平均PMV為0.84，熱感覺介于中性和稍暖之間，比無拔風井時總體降低約0.76，因此可以認為拔風井對室內(nèi)熱環(huán)境的改善起到了積極的作用（如圖11，圖12所示）。

圖11 無拔風井時室內(nèi)1.5m高度PMV云圖

圖12 有拔風井時室內(nèi)1.5m高度PMV云圖

3.4 小結(jié)

房間增設(shè)拔風井后，對室內(nèi)的影響如表1所示。

表1 拔風井對室內(nèi)環(huán)境的影響

從表1中可以看出，在1.5m高度處，拔風井對于室內(nèi)的溫度有較好的降低作用，降低值可達1.1℃，平均風速提高約為0.4 m/s，平均空氣齡降低27.4s，平均PMV降低約0.76。通過以上改善，可使室內(nèi)的熱舒適區(qū)間顯著增加，在夏季空調(diào)運行時間也可減少，可減少全年空調(diào)能耗。

4 結(jié)論

本研究中，通過對重慶夏季典型天氣條件下的室內(nèi)溫濕度場進行模擬分析后發(fā)現(xiàn)，在室內(nèi)增設(shè)拔風井，可使室內(nèi)平均溫度降低1.1℃，室內(nèi)風速增大0.4m/s，室內(nèi)平均PMV值降低0.76，較好地改善了室內(nèi)環(huán)境，并減少了夏季空調(diào)開啟時間，降低了空調(diào)運行能耗。由于在夏季大多時刻太陽輻射強度較模擬時要大，因此拔風井中形成的熱壓更大，因熱壓形成的通風效果更好。目前，重慶地區(qū)綠色建筑發(fā)展較快，在綠色建筑設(shè)計中應(yīng)充分利用太陽能輔助通風技術(shù)并采用計算流體力學（CFD）進行優(yōu)化設(shè)計，以提高室內(nèi)通風效果。

[1]張莉，任彬彬.淺析自然通風技術(shù)在建筑節(jié)能中的應(yīng)用[J].建筑與環(huán)境，2011(4)：135-137.

[2]GB/T50378-2006綠色建筑評價標準[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006.

[3]朱穎心.建筑環(huán)境學:第二版[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2007.

[4]丁勇,李百戰(zhàn),李楠,等.一種室內(nèi)太陽能輔助通風采暖系統(tǒng)[P].200810070271，2009-03-11.

[5]丁勇,連大旗,李百戰(zhàn),等.重慶地區(qū)太陽能建筑一體化應(yīng)用的實測與分析[J].重慶大學學報，2011，34(5)：76-80.

[6]蘇醒,劉傳聚,蘇季平.太陽能煙囪的通風效應(yīng)及應(yīng)用研究[J].能源技術(shù)，2005，26(6)：245-247.

[7]魏曉真,曲云霞,黃峰.不同通風方案對建筑能耗影響的模擬分析[J].建筑節(jié)能,2010，38(6)：17-20.

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

[9]李百戰(zhàn),鄭潔.綠色建筑概論[M].北京：化學工業(yè)出版社, 2007.

責任編輯：孫蘇，李紅

災(zāi)后重建

災(zāi)后重建尤需責任和良心

“4·20”四川雅安蘆山7級地震中，位于蘆山縣境內(nèi)的寶盛石橋經(jīng)歷兩次強震和巨石墜砸后安然無恙。為清除障礙，人們用炸藥把堵在橋上的巨石炸得粉碎，石橋依然屹立，保障著運送救災(zāi)物資車輛安全通行。處在蘆山震中的一座百年老宅，也就掉了幾片瓦，7戶居民震后生活如常。而并不屬于震中地區(qū)的寶興縣在“5·12”汶川地震后按照“8級抗震、9度設(shè)防”要求重建的抗震房，幾乎百分之百受損。

在科技高度發(fā)達的今天，建筑材料、設(shè)計理念、施工技術(shù)等比30年前修建寶盛石橋時先進許多，比清代同治年間更要先進不知多少倍。按常理，現(xiàn)代建筑應(yīng)該比前人建造的結(jié)實很多，抗震能力更強，為什么事實總讓人大跌眼鏡呢？大量的“樓垮垮”“樓脆脆”“橋塌塌”工程，已經(jīng)讓公眾產(chǎn)生了視聽疲勞。于是乎，每當一些“建筑奇跡”“抗震奇跡”橫空出世，總能引起公眾“今不如昔”的感慨。

有識之士感言：工程質(zhì)量過不過硬，關(guān)鍵因素還在人。當今社會不缺資金，不缺技術(shù),卻嚴重缺乏良心與責任。工程立項時只考慮政績；項目審批靠“私下疏通”；規(guī)劃設(shè)計唯領(lǐng)導意志行事；工程招標投標暗箱操作；工程建設(shè)資金被層層揩油；監(jiān)管者“吃人家的嘴短，拿人家的手軟”……責任人良心出了問題，最起碼的責任意識喪失了，即使資金投入再多，科技含量再大，機械裝備再先進，都無法避免“豆腐渣”工程。

把事情做好，關(guān)鍵靠人的責任和良心。建設(shè)方案是人定的，建設(shè)標準是人掌控的，監(jiān)管是人實施的……每個環(huán)節(jié)的責任人都“不結(jié)實”，人修的大橋、人蓋的樓房怎可能結(jié)實。

遺憾的是，部分人良心和責任的缺失，耗費巨資建設(shè)的大橋，通車不久便發(fā)生垮塌；不惜重金建設(shè)的道路，居然經(jīng)不起一場大雨的沖洗……工程倒了、塌了，有關(guān)方面不但不坦承工程質(zhì)量不過硬，而且往往以各種荒誕的借口來掩蓋人的責任。新建的移民安置房垮塌，借口“風太大”；新建道路出現(xiàn)質(zhì)量問題，抱怨“雨太大”；建成不久的大橋垮塌，歸咎為“車輛超載”……總之一句話，事故與所有參與工程建設(shè)的人無關(guān)。

工程質(zhì)量大于天。蘆山地震災(zāi)區(qū)的重建已經(jīng)開始。建設(shè)“民心工程”而不是“傷心工程”，既需要高標準規(guī)劃設(shè)計和高水平建造，更需要參建者、管理者摸著良心做事，需要責任政府切實擔當。否則，即使采用最高的設(shè)計標準，使用最先進的施工技術(shù)，也難以收到實效。

（選自《建筑》雜志2013年第10期，作者楊明生）

（敬請作者速與本刊編輯部聯(lián)系，以便付酬）

Study on Application of Solar Assisted Ventilation Shaft in Green Building in Chongqing

The climate resource of Chongqing in summar is rich in solar and humid,so it makes sense to study the improvement effect of solar assisted ventilation shaft on humid indoor environment.With CFD technology,the humid indoor environment before and after the use of solar assisted ventilation shaft are compared and analyzed.The results show that indoor wind speed can be effectively raised,indoor air age,temperature and PMV value can be lowered and humid indoor environment can be also effectively improved with the use of solar assisted ventilation shaft.

Chongqing;solar;ventilation assistant;green building;wind well;solar radiation;air dry bulb temperature

TU201.1

A

1671-9107（2013）08-0015-04

2013-07-19

李懷玉（1982-），男，貴州遵義人，碩士，工程師，主要從事建筑節(jié)能和綠色建筑技術(shù)研究。

戴輝自（1988-），男，江西吉安人，碩士，工程師，主要從事綠色建筑技術(shù)研究。

基金論文：該論文為中煤科工集團重慶設(shè)計研究院青年基金項目“建筑外遮陽設(shè)計方法研究”（項目編號：2013QN040）及中煤科工集團重慶設(shè)計研究院面上項目“酚醛板外墻外保溫系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)研究”（項目編號：2011MS016）資助項目論文之一。

10.3969／j.issn.1671-9107.2013.08.015