建筑自然通風(fēng)降溫潛力評(píng)價(jià)研究

楊玉蘭 張 隼 張曉武 郝景濤

1浙江工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院

2溫州市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院

建筑自然通風(fēng)降溫潛力評(píng)價(jià)研究

楊玉蘭1張 隼2張曉武2郝景濤2

1浙江工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院

2溫州市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院

建筑自然通風(fēng)降溫潛力評(píng)價(jià)是建筑節(jié)能設(shè)計(jì)及開窗行為節(jié)能的關(guān)鍵性基礎(chǔ)問題。本文以建筑是否運(yùn)行自然通風(fēng)策略情況下的基礎(chǔ)室溫差別為基礎(chǔ)，提出“相對(duì)自然通風(fēng)降溫潛力RNVCP”評(píng)價(jià)指標(biāo)。采用Fluent Airpak和DeST軟件分別計(jì)算風(fēng)壓系數(shù)和基礎(chǔ)室溫，對(duì)案例建筑進(jìn)行自然通風(fēng)降溫潛力評(píng)價(jià)。RNVCP評(píng)價(jià)指標(biāo)的有效性在以下三方面得到驗(yàn)證：RNVCP與當(dāng)?shù)貧夂蛱匦缘囊恢滦苑治?；RNVCP與風(fēng)壓系數(shù)的一致性分析；RNVCP與NVCP評(píng)價(jià)結(jié)果比較分析。

自然通風(fēng) 降溫潛力 建筑節(jié)能

0 引言

自然通風(fēng)作為一種被動(dòng)式建筑節(jié)能手段具有許多優(yōu)點(diǎn)，建筑自然通風(fēng)降溫潛力評(píng)價(jià)是建筑節(jié)能設(shè)計(jì)以及開窗行為節(jié)能的關(guān)鍵性基礎(chǔ)問題。本文在分析比較文獻(xiàn)中的建筑自然通風(fēng)降溫潛力評(píng)價(jià)方法的基礎(chǔ)上，以建筑是否運(yùn)行自然通風(fēng)策略情況下的基礎(chǔ)室溫差別為核心，提出“相對(duì)自然通風(fēng)降溫潛力RNVCP（Relative Natural Ventilation Cooling Potential）”評(píng)價(jià)指標(biāo)。采用“自然通風(fēng)降溫潛力 NVCP（Natural Ventilation Cooling Potential）”[1]指標(biāo)和RNVCP兩個(gè)指標(biāo)相結(jié)合的方法，以杭州市某辦公建筑為例，進(jìn)行建筑自然通風(fēng)降溫潛力評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)過程采用計(jì)算機(jī)輔助流體力學(xué)軟件Fluent Airpak計(jì)算案例建筑在16個(gè)來流風(fēng)向下的風(fēng)壓系數(shù)，采用建筑能耗及環(huán)境模擬軟件DeST計(jì)算案例建筑基礎(chǔ)室溫。本文研究結(jié)果表明，將NVCP和RNVCP相結(jié)合對(duì)建筑自然通風(fēng)降溫潛力進(jìn)行評(píng)價(jià)能為建筑節(jié)能設(shè)計(jì)及開窗行為節(jié)能提供重要參考。

1 建筑自然通風(fēng)降溫潛力評(píng)價(jià)指標(biāo)分析

國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究提出了一些建筑自然通風(fēng)降溫潛力評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)，這些評(píng)價(jià)方法主要在風(fēng)壓差、空調(diào)負(fù)荷、室內(nèi)溫度這三個(gè)參數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行評(píng)價(jià)。張國(guó)強(qiáng)等[1～2]基于風(fēng)壓差提出“自然通風(fēng)壓差帕?xí)r數(shù)PDPH（Pressure Difference Pascal Hours）”指標(biāo)。PDPH指標(biāo)被定義為：建筑可提供自然通風(fēng)有效壓差高于所需最小壓差的壓差數(shù)與具有此壓差數(shù)的小時(shí)數(shù)的乘積之和。李娜等[3]采用溫頻法對(duì)建筑自然通風(fēng)節(jié)省的建筑冷負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算，對(duì)建筑自然通風(fēng)降溫節(jié)能潛力進(jìn)行評(píng)價(jià)。黃河等[4]提出“全年冷負(fù)荷節(jié)約率ACSR（Annual Cooling-load Saving Ratio）”作為自然通風(fēng)效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)。Runming Yao[5]等采用NVCP指標(biāo)評(píng)價(jià)建筑自然通風(fēng)降溫潛力，NVCP被定義為建筑自然通風(fēng)條件下達(dá)到舒適區(qū)的小時(shí)數(shù)與評(píng)價(jià)時(shí)段的總小時(shí)數(shù)的比值。王怡等[6～7]將“自然通風(fēng)降溫有效時(shí)數(shù)”作為建筑自然通風(fēng)降溫潛力評(píng)價(jià)指標(biāo)，該指標(biāo)被定義為：某地區(qū)通過自然通風(fēng)能保證室內(nèi)熱舒適要求的時(shí)間總和。王新林等[8]采用ESP-r軟件模擬了南京某車站自然通風(fēng)情況下的全年動(dòng)態(tài)自然室溫狀況，得出建筑可利用自然通風(fēng)的時(shí)段。

本文以建筑是否運(yùn)行自然通風(fēng)策略情況下的自然室溫差別為核心，提出RNVCP評(píng)價(jià)指標(biāo)，該指標(biāo)定義如式（1）所示，RNVCP值越大，建筑在某一時(shí)段利用自然通風(fēng)降溫潛力越大。RNVCP指標(biāo)以建筑是否運(yùn)行自然通風(fēng)策略下的自然室溫差別為評(píng)價(jià)基礎(chǔ)，其核心思想是凸顯自然通風(fēng)運(yùn)行對(duì)建筑自然室溫的影響，評(píng)價(jià)的有效性和針對(duì)性非常明確。

式中：Hnv為建筑運(yùn)行自然通風(fēng)策略情況下某時(shí)間段自然室溫達(dá)到舒適范圍要求的小時(shí)數(shù)；Hno為建筑沒有運(yùn)行自然通風(fēng)策略情況下同時(shí)段自然室溫達(dá)到舒適范圍要求的小時(shí)數(shù)；H為同時(shí)段小時(shí)總數(shù)。

2 自然通風(fēng)條件下建筑室內(nèi)舒適區(qū)確定

建筑室內(nèi)舒適溫度范圍確定是建筑自然通風(fēng)降溫潛力評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。根據(jù)美國(guó)《人居熱環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)》（ASHRAE 55-2013），本文采用80%可接受率確定自然通風(fēng)條件下的室內(nèi)舒適溫度范圍，舒適區(qū)溫度上下限值分別采用式（2）和式（3）計(jì)算。

式中：tU0為自然通風(fēng)條件下室內(nèi)舒適區(qū)溫度上限值，℃；tL0為自然通風(fēng)條件下室內(nèi)舒適區(qū)溫度下限值，℃；tpma(out)為評(píng)價(jià)日前室外平滑平均溫度，℃。本文采用ASHRAE 55-2013允許的簡(jiǎn)化方式，即采用典型年各月平均溫度。

3 基于案例建筑的自然通風(fēng)降溫潛力評(píng)價(jià)

3.1 案例建筑概況

案例建筑是位于杭州市某高校內(nèi)的辦公建筑，建筑平面如圖1所示，層高3.6m，南北朝向，磚混結(jié)構(gòu)，建于20世紀(jì)90年代。外墻為普通24磚墻，外窗為普通3毫米厚玻璃單層鋼窗?？照{(diào)房間如圖1中R1-N1、R1-S1、R1-S2、R1-S3、R1-S4、R1-S5、R1-E1所示?？照{(diào)房間室內(nèi)熱源及空調(diào)作息參照《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50189-2005）附錄B關(guān)于室內(nèi)熱源的規(guī)定：最大照明功率密度為11W/m2、最大人均占有使用面積4m2/人、最大電器設(shè)備功率按20m2/人。工作日照明、人員、電器使用率分時(shí)段設(shè)置，7:00時(shí)的使用率為0.10，8:00~17:00時(shí)為1.00，17:00時(shí)為0.50，18:00時(shí)為0.10。

圖1 案例建筑平面圖示意圖（PS1～PS11、PN1～PS4為窗戶編號(hào)）

3.2 室內(nèi)舒適溫度范圍

按照式（2）和式（3）計(jì)算出該地區(qū)自然通風(fēng)條件下3月到11月的室內(nèi)舒適區(qū)溫度上下限值如表1所示。

表1 杭州市自然通風(fēng)條件下各月室內(nèi)舒適區(qū)溫度范圍（℃）

3.3 案例建筑窗戶風(fēng)壓系數(shù)

本文風(fēng)壓系數(shù)按照式（4）計(jì)算。

式中：p為建筑物表面測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓，Pa；v為建筑最高點(diǎn)處自由風(fēng)的來流風(fēng)速，m/s；ρ為空氣密度，kg/m3。

相對(duì)于實(shí)地測(cè)量和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)方式，計(jì)算機(jī)模擬方式獲得建筑表面風(fēng)壓系數(shù)的方法具有成本低周期短等優(yōu)勢(shì)。本文采用Fluent Airpak對(duì)案例建筑的風(fēng)壓系數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算，案例建筑空調(diào)房間通風(fēng)窗戶采樣點(diǎn)在16個(gè)風(fēng)向下的風(fēng)壓系數(shù)如表2所示。

表2 案例建筑窗戶全風(fēng)向下的風(fēng)壓系數(shù)

3.4 案例建筑窗戶流量系數(shù)計(jì)算

根據(jù)DeST用戶使用手冊(cè)中關(guān)于窗戶冪指阻力模型的說明，流量系數(shù)CQ的計(jì)算按照式（5）計(jì)算。案例建筑窗戶流量系數(shù)如表3顯示。

式中：cd為孔口流量系數(shù)，無(wú)量綱，根據(jù)《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》第二版[9]，cd=0.74～0.82，本文取0.78；A為通風(fēng)開口面積，m2；ρ為空氣密度，kg/m3，標(biāo)準(zhǔn)工況ρ= 1.2kg/m3。

表3 案例建筑窗戶流量系數(shù)

3.5 案例建筑自然通風(fēng)降溫潛力評(píng)價(jià)

自然通風(fēng)的合理使用可以降低空調(diào)能耗，改善室內(nèi)熱環(huán)境和空氣品質(zhì)。然而當(dāng)室外空氣溫濕度超出一定范圍時(shí)，自然通風(fēng)不僅不能改善室內(nèi)環(huán)境，而且還會(huì)增加建筑能耗。本文中建筑自然通風(fēng)室外空氣適宜溫度上限設(shè)為25℃，下限設(shè)為18℃，相對(duì)濕度上限為80%。由于DeST具有能實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)與熱耦合計(jì)算、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，所以本文采用DeST進(jìn)行建筑自然室溫計(jì)算。

根據(jù)案例建筑平面布置，選擇R1-N1和R1-S3作為代表房間進(jìn)行自然通風(fēng)降溫潛力評(píng)價(jià)分析，以上兩個(gè)代表房間的NVCP和RNVCP指標(biāo)值如圖2和圖3所示。

圖2 R1-N1房間各月自然通風(fēng)降溫潛力指標(biāo)值

圖3 R1-S3房間各月自然通風(fēng)降溫潛力評(píng)價(jià)指標(biāo)值

由圖2（a）和圖3（a）中R1-N1房間和R1-S3房間各月建筑自然通風(fēng)降溫潛力NVCP評(píng)價(jià)指標(biāo)值可知，兩個(gè)房間均在5月、10月具有很大的建筑自然通風(fēng)降溫潛力，兩個(gè)房間4月、6月、9月、11月有較大的建筑自然通風(fēng)降溫潛力。本文建筑自然通風(fēng)策略中將室外空氣適宜溫度范圍設(shè)置為18～25℃，杭州市典型年各月室外氣溫處于該范圍的小時(shí)數(shù)與同月小時(shí)總數(shù)比值如圖4所示。由圖4可知，5月和10月杭州市室外溫度適合通風(fēng)時(shí)間最多，6月和9月杭州市室外溫度適合通風(fēng)時(shí)間較多。上述比較說明，R1-N1房間和R1-S3兩個(gè)房間各月的NVCP值與杭州市各月適合通風(fēng)時(shí)段比值表現(xiàn)出明顯一致性，所以，本文采用的建筑自然室溫計(jì)算結(jié)果具有明顯的可參考性。

圖4 杭州市典型年室外氣溫處于適宜通風(fēng)區(qū)間的百分?jǐn)?shù)

由圖2（b）和圖3（b）中R1-N1房間和R1-S3房間各月建筑相對(duì)自然通風(fēng)降溫潛力RNVCP評(píng)價(jià)指標(biāo)值可知，窗戶朝向不同的兩個(gè)房間的建筑自然通風(fēng)降溫潛力差別很大。朝向不同的兩個(gè)房間建筑自然通風(fēng)降溫潛力差別最大出現(xiàn)在5月、10月和11月，南向R1-S3房間5月、10月和11月均有相當(dāng)可觀的建筑自然通風(fēng)降溫潛力，然而，北向房間的5月的建筑自然通風(fēng)降溫潛力很小，10月和11月的RNVCP值還出現(xiàn)了負(fù)值。杭州市典型年5月、10月和11月的風(fēng)向頻率如圖5、圖6和圖7所示，可見，NNW和NW風(fēng)向是上述時(shí)段的主導(dǎo)風(fēng)向。來流風(fēng)向?yàn)镹NW和NW時(shí)R1-N1和R1-S3窗戶采樣點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù)可在表2中查到，當(dāng)來流風(fēng)向?yàn)镹NW和NW時(shí)，R1-S3房間的窗戶風(fēng)壓系數(shù)為負(fù)值，而R1-N1房間窗戶風(fēng)壓系數(shù)為正且數(shù)值較大，風(fēng)壓系數(shù)為負(fù)，則有利于排除室內(nèi)熱風(fēng)，風(fēng)壓系數(shù)為正，不利于排除室內(nèi)熱空氣。可見，這是導(dǎo)致5月、10月、11月南向R1-S3房間的建筑自然通風(fēng)降溫潛力遠(yuǎn)大于北向房間的主要原因。分析結(jié)果表明：RNVCP計(jì)算結(jié)果與風(fēng)壓系數(shù)計(jì)算結(jié)果具有一致性，從而驗(yàn)證RNVCP作為自然通風(fēng)降溫潛力評(píng)價(jià)的有效性。

圖6 杭州市典型年10月風(fēng)向頻率

圖7 杭州市典型年11月風(fēng)向頻率

圖2和圖3顯示同一房間相同時(shí)段的RVCP和RNVCP差別很大。建筑室內(nèi)溫度是諸多因素共同作用的結(jié)果，RNVCP以建筑是否運(yùn)行自然通風(fēng)策略情況下的自然室溫差別為核心，凸現(xiàn)自然通風(fēng)運(yùn)行對(duì)室內(nèi)溫度的影響。朝向不同的R1-N1和R1-S3房間的RNVCP結(jié)果差別很大，這表明建筑開窗朝向?qū)Ψ块g自然通風(fēng)的影響已經(jīng)在RNVCP中得到明顯的反映。然而，朝向不同的R1-N1和R1-S3房間的NVCP結(jié)果卻相差無(wú)幾，這說明開窗朝向?qū)ㄖ匀煌L(fēng)降溫潛力影響沒有在NVCP指標(biāo)中得到應(yīng)有的體現(xiàn)?？梢?，NVCP比較適合用來對(duì)自然通風(fēng)降溫潛力做綜合評(píng)價(jià)，而RNVCP在建筑自然通風(fēng)降溫潛力評(píng)價(jià)中的針對(duì)性則更強(qiáng)。所以，二者相結(jié)合能為建筑自然通風(fēng)降溫潛力評(píng)價(jià)提供更為全面的參考。

4 結(jié)論

本文在分析比較文獻(xiàn)中已有的建筑自然通風(fēng)降溫潛力評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)的基礎(chǔ)上，以建筑是否運(yùn)行自然通風(fēng)策略情況下的基礎(chǔ)室溫差別為核心，提出“相對(duì)自然通風(fēng)降溫潛力RNVCP”評(píng)價(jià)指標(biāo)。采用“自然通風(fēng)降溫潛力NVCP”指標(biāo)和RNVCP兩個(gè)指標(biāo)相結(jié)合的方法，以杭州市某辦公建筑為例，對(duì)案例建筑自然通風(fēng)降溫潛力進(jìn)行評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)過程采用計(jì)算機(jī)輔助流體力學(xué)軟件Fluent Airpak對(duì)案例建筑在16個(gè)來流風(fēng)向下的風(fēng)壓系數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算，采用建筑能耗及環(huán)境模擬軟件DeST對(duì)案例建筑基礎(chǔ)室溫進(jìn)行計(jì)算。RNVCP評(píng)價(jià)指標(biāo)的有效性在以下三方面得到驗(yàn)證：案例建筑的RNVCP評(píng)價(jià)結(jié)果與當(dāng)?shù)禺?dāng)月主導(dǎo)風(fēng)向作用結(jié)果具有一致性；案例建筑的RNVCP評(píng)價(jià)結(jié)果與風(fēng)壓系數(shù)計(jì)算結(jié)果具有一致性；RNVCP與NVCP對(duì)比分析顯示RNVCP能凸現(xiàn)自然通風(fēng)對(duì)室內(nèi)溫度地改善，主要表現(xiàn)在RNVCP能有效反映窗戶朝向等因素對(duì)自然通風(fēng)降溫效果的明顯影響，而NVCP則未能明顯反映朝向?qū)ㄖ匀煌L(fēng)的影響。本文研究結(jié)果表明，將NVCP和RNVCP相結(jié)合對(duì)建筑自然通風(fēng)降溫潛力進(jìn)行評(píng)價(jià)能為建筑節(jié)能設(shè)計(jì)及開窗行為節(jié)能提供更為全面的參考。

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Study of Building Natural Ventilation Cooling Potential Assessment

YANG Yu-lan1,ZHANG Sun2,ZHANG Xiao-wu2,HAO Jin-tao2

1 College of Civil Engineering and Architecture,Zhejiang University of Technology
2 Wenzhou Urban Planning&Design Institute

Assessing building natural ventilation cooling potential lay the foundations for building energy efficiency design.RNVCP (Relative Natural Ventilation Cooling Potential)is proposed as an indicator to evaluate building natural ventilation cooling potential based on the difference between the nature ventilation strategy is operated on and off.Fluent Airpak and DeST is used to simulate the wind pressure coefficient and base indoor temperature respectly,the natural ventilation cooling potential of a case building is assessed.RNVCP is validated by the following three consistency analysis:RNVCP and the local climate;RNVCP and the wind pressure coefficient;RNVCP and NVCP.

natural ventilation,cooling potential,building energy efficiency

1003-0344（2015）04-022-5

2014-5-15

楊玉蘭（1974～），女，博士，副教授；浙江省杭州市下城區(qū)浙江工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院（310014）；E-mail:gzyyl@126.com

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（No.51308500）；浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（LQ12E08012）；溫州市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院與浙江工業(yè)大學(xué)協(xié)同研究基金（JG-[2013]060）