夜間通風(fēng)建筑關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化分析

朱新榮，楊 雯，楊 柳，劉加平

（西安建筑科技大學(xué)建筑學(xué)院，陜西 西安 710055）

在過去的幾十年間，關(guān)于夜間通風(fēng)及其相關(guān)領(lǐng)域已經(jīng)有了一定程度的研究.研究方法從簡(jiǎn)單的、定性的研究像更精確、系統(tǒng)的研究邁進(jìn),夜間通風(fēng)氣候潛力的確定、自然通風(fēng)換氣量的獲得、蓄熱對(duì)建筑的作用以及夜間通風(fēng)影響參數(shù)分析也都已經(jīng)取得了顯著的成果[1-4].這些成果為夜間通風(fēng)的設(shè)計(jì)使用提供了指導(dǎo).但是，在一些問題的處理上還存在薄弱的環(huán)節(jié)，例如：缺乏簡(jiǎn)單有效的研究方法和研究結(jié)果，用于建筑設(shè)計(jì)階段的指導(dǎo)；關(guān)于內(nèi)部附加蓄熱體的考慮方法相比外部蓄熱體之下仍然是比較粗略的；目前國內(nèi)研究范圍比較窄，主要集中在夏熱冬冷地區(qū)的長江流域，北方地區(qū)的研究很少涉及；涉及的建筑類型很單一，主要包括辦公和商場(chǎng)類建筑，其他類型的公共建筑或者是居住建筑并沒有定量的研究等.

為了研究夜間通風(fēng)在實(shí)際建筑中的降溫效果，在西安市一棟辦公建筑中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.文獻(xiàn)[5]詳細(xì)的介紹了實(shí)驗(yàn)過程.通過不同運(yùn)行工況，包括全天自然通風(fēng)、夜間自然通風(fēng)、夜間混合通風(fēng)以及夜間混合通風(fēng)（附加蓄熱體）之間的比較分析說明不同控制方法對(duì)室內(nèi)環(huán)境的影響程度.通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析，獲得了一些參數(shù)與夜間通風(fēng)降溫效果的相關(guān)性，為數(shù)值分析奠定了基礎(chǔ).

然而，從實(shí)驗(yàn)過程中可以看出，由于受到天氣狀況、控制調(diào)節(jié)方法等方面的限制，通過實(shí)驗(yàn)的方法獲得這些關(guān)鍵參數(shù)與降溫效果之間的規(guī)律性關(guān)系是非常困難的.一種比較有效的方法就是建立建筑的數(shù)值模型，通過數(shù)值模擬的方法來對(duì)問題進(jìn)行分析.本文將以實(shí)驗(yàn)建筑為原型，運(yùn)用能耗模擬軟件Energyplus建立建筑的數(shù)值模型[6]，通過大量的模擬分析，探討房間的開口面積、通風(fēng)量和蓄熱量與降溫效果之間的關(guān)系，以期為夜間通風(fēng)建筑的設(shè)計(jì)利用提供參考.

1 數(shù)值模擬模型的建立

1.1 數(shù)值模型建立

以一棟實(shí)驗(yàn)房間為原型，在數(shù)值模擬軟件中建立的建筑模型如圖1所示.關(guān)于模型的一些主要設(shè)置包括：

(1)模型的構(gòu)造做法按照實(shí)際建筑構(gòu)造的做法設(shè)置.

(2)室外氣象數(shù)據(jù)按照實(shí)驗(yàn)期間的測(cè)試結(jié)果為準(zhǔn).實(shí)驗(yàn)過程中的測(cè)試參數(shù)包括太陽輻射、風(fēng)速、風(fēng)向、室外干球溫度、相對(duì)濕度以及大氣壓力等項(xiàng)目，按照內(nèi)嵌數(shù)據(jù)的格式進(jìn)行了處理，取代了原有數(shù)據(jù)用于模擬分析.

圖1 實(shí)驗(yàn)房建筑模型Fig.1 Experimental room building model

(3)模型的東西墻、南墻以及樓板在實(shí)際建筑中是內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)，將這幾個(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的外表面設(shè)置為“絕熱”狀態(tài).也即，通過這個(gè)表面沒有與外界之間的熱量傳遞.但是構(gòu)件的內(nèi)表面與室內(nèi)空氣之間是有熱作用的，墻體的蓄熱作用仍然可以發(fā)揮[7].

(4)實(shí)驗(yàn)房處于模擬軟件中的“自由通風(fēng)”模式，以考慮由風(fēng)壓和熱壓作用形成的通風(fēng)換氣效果.在實(shí)驗(yàn)房中加入了排風(fēng)扇，用于模擬實(shí)驗(yàn)過程中的排風(fēng)機(jī).根據(jù)實(shí)際測(cè)得的通風(fēng)量，換氣次數(shù)設(shè)置為10次/h.

1.2 數(shù)值模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證

圖2為實(shí)驗(yàn)房室內(nèi)空氣溫度實(shí)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比分析圖.從圖中可以看出：首先，實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬結(jié)果變化規(guī)律基本一致，溫度最高值、最低值及其出現(xiàn)的時(shí)間十分吻合.其次，在低溫陰雨天氣狀況下，實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果有一些出入，這主要是因?yàn)椋跀?shù)值模擬過程中，加入了夜間的機(jī)械通風(fēng)輔助，引入了更多的室外低溫空氣，而實(shí)測(cè)建筑在陰雨低溫天氣狀況下沒有開啟機(jī)械通風(fēng)，所以房間溫度模擬結(jié)果比實(shí)測(cè)值低一些.

為了進(jìn)一步比較實(shí)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果之間的差異，將室內(nèi)空氣干球溫度劃分成7個(gè)區(qū)間，統(tǒng)計(jì)每個(gè)區(qū)間內(nèi)溫度值的小時(shí)數(shù)，并將每個(gè)區(qū)間的小時(shí)數(shù)與總時(shí)數(shù)相比，獲得相應(yīng)溫度區(qū)間的時(shí)間百分比.其中定義溫度低于28 ℃的時(shí)間百分比為舒適時(shí)間百分比，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示.

圖2 實(shí)驗(yàn)房干球溫度實(shí)測(cè)與模擬結(jié)果對(duì)比圖Fig.2 The comparison chart of measured and simulated dry bulb temperature in experimental room

表1 實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果溫度區(qū)間統(tǒng)計(jì)分析Tab.1 Experimental and simulative results of the temperature range of statistical analysis

可以看出，實(shí)驗(yàn)房數(shù)值模擬結(jié)果中溫度低于28 ℃的時(shí)間百分比為98 %，實(shí)測(cè)情況下為95 %，相差僅為3 %.總體來說，實(shí)測(cè)和模擬結(jié)果是非常接近的，這說明了數(shù)值模型基本能夠反映房間的熱力與通風(fēng)狀況，模擬結(jié)果可信，可用于進(jìn)一步的分析.

2 工況設(shè)計(jì)

在Energyplus軟件中，內(nèi)部附加蓄熱體是通過建立一個(gè)虛擬平板的方法實(shí)現(xiàn)的.當(dāng)平板的厚度和材料確定的情況下，可以通過變化蓄熱平板的面積來調(diào)整房間內(nèi)部附加蓄熱體的量.本文選擇的蓄熱材料為重質(zhì)混凝土，厚度100 mm，密度2 400 kg·m-3，導(dǎo)熱系數(shù)2.0 W/(m·K).在模擬分析過程中，內(nèi)部附加蓄熱體的面積以地板面積為基礎(chǔ)增加，變化級(jí)別從沒有內(nèi)部蓄熱體到1倍地板面積，并逐步增加到2倍地板面積、3倍地板面積、4倍地板面積和6倍地板面積.

在自然通風(fēng)狀況下，通風(fēng)所需要的壓力由風(fēng)壓和熱壓控制，在一定的壓差下，通過門窗洞口進(jìn)入到室內(nèi)的空氣量與門窗洞口的面積大小有密切的關(guān)系.這里首先設(shè)定門窗洞口的面積大小，探討開口大小與通風(fēng)量的關(guān)系，進(jìn)而探討通風(fēng)量與蓄熱體之間的關(guān)系.采用窗墻面積比（Ratio of window to wall，簡(jiǎn)稱WWR）表示表針門窗洞口的大小，設(shè)定窗墻面積以10 %的間隔從10 %變化到80 %.

為了使結(jié)果更有參考價(jià)值，這里進(jìn)行了整個(gè)夏季6月、7月和8月三個(gè)月共2 208 h的模擬分析.

3 結(jié)果與討論

3.1 通風(fēng)開口面積的影響

將蓄熱量一定，變化窗墻面積比的值，不同窗墻面積比情況下房間的逐時(shí)通風(fēng)換氣次數(shù)以及室內(nèi)熱環(huán)境變化規(guī)律，模擬得出：窗口大小對(duì)通風(fēng)換氣量有顯著影響，窗口越大，通風(fēng)換氣量也越大.窗墻面積比為10%時(shí)，通風(fēng)換氣次數(shù)一般低于5 次/h，但是當(dāng)窗墻面積比為80%時(shí)，通風(fēng)換氣次數(shù)可達(dá)30次/h以上；窗口大小對(duì)通風(fēng)的時(shí)間也有影響.窗墻面積比越大，通風(fēng)開始的時(shí)間越早，結(jié)束的時(shí)間越晚，即通風(fēng)的時(shí)間越長.通風(fēng)量近似與窗墻面積比成正比.也就是說，當(dāng)窗墻面積比按一定步長等量增加時(shí)，通風(fēng)換氣次數(shù)也接近等量增加，如圖3所示.這說明，對(duì)于本研究的建筑模型，窗口面積和通風(fēng)量可以按線性關(guān)系處理.

圖3 不同窗墻面積比下室內(nèi)總通風(fēng)量和平均通風(fēng)量統(tǒng)計(jì)圖Fig.3 Indoor total and average ventilation with different WWR

模擬分析窗口大小對(duì)室內(nèi)空氣溫度的影響為：在不通風(fēng)時(shí)段（一般為白天高溫時(shí)段），窗墻面積比不同對(duì)室溫的影響明顯.窗墻面積比越大，室溫波動(dòng)越大，室內(nèi)最高溫度值也越大；在自然通風(fēng)時(shí)段，窗墻面積比越大，室溫溫度值越低，窗墻面積比越小，室內(nèi)溫度值越高.也就是說，增大窗墻面積比對(duì)房間的作用有利有弊，有利的一方面在于窗口面積越大，通風(fēng)量越大，室內(nèi)可以得到更有效的冷卻.不利的一面在于，窗墻面積比增大意味著外圍護(hù)結(jié)構(gòu)上大面積的玻璃窗，而玻璃窗的蓄熱性能很差，抵抗室外高溫的能力要比實(shí)體墻壁弱很多.將房間操作溫度的“舒適時(shí)間百分比”進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖4所示.從圖中可以發(fā)現(xiàn)，操作溫度的舒適時(shí)間百分比與窗口面積大小有密切關(guān)系.當(dāng)窗口面積從一個(gè)很小的值，如10 %開始增加時(shí)，舒適百分比開始迅速增加，在20 %增加開始變慢，到30 %時(shí)，達(dá)到最大值.當(dāng)繼續(xù)增大窗墻面積比時(shí)，舒適百分比開始逐步下降.因?yàn)椴僮鳒囟纫欢ǔ潭壬戏从沉朔块g的總體熱舒適狀況，所以這個(gè)圖說明，為了使室內(nèi)環(huán)境達(dá)到最佳的舒適狀況，需要合理控制窗墻面積比.而對(duì)于本文的建筑模型，由于窗墻面積比和通風(fēng)量之間接近線性關(guān)系，所以可以這樣說，在蓄熱量一定的情況下，存在一個(gè)最佳的通風(fēng)量，這時(shí)的室內(nèi)熱環(huán)境是最舒適的.

圖4 不同窗墻面積比情況下舒適時(shí)間百分比Fig.4 Percentage of comfort hours with different WWR

3.2 內(nèi)部附加蓄熱體的影響

在窗墻面積比一定時(shí)，變化內(nèi)部附加蓄熱體的量可以得出內(nèi)部蓄熱體對(duì)室內(nèi)環(huán)境的影響情況，模擬得出，隨著附加蓄熱體面積的增加，室內(nèi)空氣溫度波動(dòng)越來越小，并且溫度越來越低.當(dāng)室內(nèi)沒有內(nèi)部蓄熱體時(shí)，室內(nèi)溫度波動(dòng)較大，最大值可以超過30 ℃，而對(duì)于最后一種工況，即6倍地板面積的情況下，室內(nèi)溫度基本在25 ℃左右，溫度波動(dòng)平均不超過3 ℃.這種溫度在夏季是非常舒適的，能達(dá)到類似于空調(diào)控制的效果.雖然6倍地板面積的量不容易實(shí)現(xiàn)，但是這說明了內(nèi)部蓄熱體的降溫潛力.不同附加蓄熱體面積下，室內(nèi)最高溫度的差值可達(dá)4 ℃左右，平均值差值可達(dá)3.38 ℃，日波動(dòng)差值可達(dá)3.54 ℃.這些數(shù)據(jù)都表明，內(nèi)部蓄熱體的量對(duì)室內(nèi)環(huán)境影響非常顯著.

將這個(gè)表繪制成圖并進(jìn)行回歸分析發(fā)現(xiàn)，附加蓄熱面積與舒適百分比之間有良好的相關(guān)性，兩者成對(duì)數(shù)關(guān)系，如圖5所示.兩者的相關(guān)性達(dá)到了99.1%.回歸關(guān)系式式1所示.

將不同蓄熱體面積下，夏季三個(gè)月室內(nèi)空氣操作溫度的舒適時(shí)間百分比進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其結(jié)果如表2所示.

表2 不同蓄熱體面積下室內(nèi)空氣操作溫度的舒適時(shí)間百分比Tab.2 Percentage of comfort hours of indoor air operating temperature with different thermal mass area

圖5 內(nèi)部附加蓄熱體面積與舒適時(shí)間百分比的關(guān)系Fig.5 The relations between internal additional thermal mass area and percentage of comfort hours

3.3 蓄熱量與通風(fēng)量的匹配關(guān)系

本文將內(nèi)部附加蓄熱體作為研究對(duì)象，可以發(fā)現(xiàn)，在一定的蓄熱量情況下，存在一個(gè)最佳的通風(fēng)開口面積，如果模擬不同蓄熱量時(shí)不同通風(fēng)開口面積情況下的室內(nèi)熱環(huán)境狀況，有可能可以獲得通風(fēng)量和開口面積之間的匹配關(guān)系.本文利用進(jìn)行了大量的數(shù)值模擬分析，得到的結(jié)果如圖6和圖7所示.

從圖6可以看出，對(duì)應(yīng)每個(gè)蓄熱量，均存在一個(gè)最佳的窗口面積.然而，實(shí)際建筑的開口形式差異較大，獲得窗口面積和室內(nèi)環(huán)境參數(shù)之間的匹配關(guān)系用處不大，獲得通風(fēng)量與蓄熱量之間的關(guān)系才具有更實(shí)際的意義.其次，從模擬不同工況下通風(fēng)量的變化情況來看，在不同蓄熱量情況下，通風(fēng)量與窗口面積基本成正比關(guān)系，即窗口面積越大，通風(fēng)量也越大.隨著窗墻面積比的增加，不同面積蓄熱體之間的差別增大.當(dāng)窗墻面積比為10 %時(shí)，無論多大的蓄熱體，通風(fēng)量都是一樣的.當(dāng)窗墻面積比增大時(shí)，不同蓄熱面積下通風(fēng)量會(huì)有一定的差別.但是總體看，不同蓄熱量情況下，通風(fēng)量變化不大，可以考慮用其中的一條曲線代替其他蓄熱量情況下的通風(fēng)量曲線，如果取中間一條線，即蓄熱面積為3倍地板面積的值進(jìn)行線性回歸，可以得到通風(fēng)量yave（這里換算為通風(fēng)換氣次數(shù)，單位為次/h）與窗墻面積比WWR之間的關(guān)系，如下式所示：

圖6 蓄熱面積和窗墻面積比下的舒適時(shí)間百分比Fig.6 Percentage of comfort hours of thermal mass area and WWR

這里以蓄熱面積為3倍地板面積時(shí)的回歸式進(jìn)行作圖就可以得到通風(fēng)量和蓄熱量之間的關(guān)系圖，如圖7所示.

圖7 通風(fēng)換氣和蓄熱面積下的舒適時(shí)間百分比Fig.7 Percentage of comfort hours of ventilation and thermal mass area

從圖7可以看出：

(1)不同內(nèi)部附加蓄熱級(jí)別下，室內(nèi)的舒適度有較大的差異.蓄熱量越大，室內(nèi)舒適溫度的時(shí)間比越高，蓄熱體對(duì)室內(nèi)環(huán)境的調(diào)節(jié)具有明顯的作用；隨著蓄熱體面積的等量增加，帶來的降溫效果逐步減弱，這應(yīng)證了圖6所示的對(duì)數(shù)關(guān)系.

(2)在每種蓄熱體量下，室內(nèi)環(huán)境狀況與通風(fēng)量有密切的關(guān)系，當(dāng)通風(fēng)量從2 次/h變化到16 次/h時(shí)，室內(nèi)環(huán)境舒適度先是提高，當(dāng)窗墻面積比增加到一定程度以后，舒適度呈下降趨勢(shì).都存在一個(gè)室內(nèi)環(huán)境最為舒適的點(diǎn)，這時(shí)的通風(fēng)量即為最佳通風(fēng)量.隨著蓄熱體數(shù)量的增加，這個(gè)最佳值從小到大逐步變化.在附加蓄熱體面積為1倍地板面積時(shí)，最佳通風(fēng)量約為5 次/h，當(dāng)蓄熱體面積為2倍地板面積時(shí)，這個(gè)值約為7 次/h，當(dāng)蓄熱體面積達(dá)到4～6倍地板面積時(shí)，這個(gè)值增加到8 次/h以上.將這個(gè)規(guī)律繪制出來如圖8所示.同時(shí)也可以看出，隨蓄熱體量的增加，曲線變得越來越平緩.也就是說，當(dāng)蓄熱體的量足夠大的時(shí)候，通風(fēng)量不會(huì)對(duì)室內(nèi)環(huán)境產(chǎn)生很大的影響，這是一個(gè)值得進(jìn)一步探討的問題，這里不做深入分析.

圖8 蓄熱面積與通風(fēng)量關(guān)系圖Fig.8 The relations between thermal mass area and the ventilation

4 結(jié)論

本文運(yùn)用數(shù)值模擬的方法對(duì)通風(fēng)量與蓄熱量之間的關(guān)系進(jìn)行了探討.以實(shí)驗(yàn)建筑為原型，利用能耗模擬軟件Energyplus建立了建筑的數(shù)值模型，通過室內(nèi)空氣環(huán)境實(shí)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果的比較驗(yàn)證了數(shù)值模型的準(zhǔn)確性.隨后，運(yùn)用該模型模擬分析了通風(fēng)開口面積、通風(fēng)量和蓄熱量對(duì)室內(nèi)環(huán)境的影響，本文得到的主要結(jié)論包括：

(1)對(duì)于本論文的模型，窗口面積和通風(fēng)量近似呈線性關(guān)系.

(2)在一定的蓄熱量情況下，窗口面積并非越大越好，存在一個(gè)最佳的窗墻面積比，這時(shí)室內(nèi)操作溫度最低，室內(nèi)環(huán)境最舒適.

(3)內(nèi)部蓄熱量對(duì)室內(nèi)環(huán)境有非常明顯的影響.隨著蓄熱量的增加，室內(nèi)空氣溫度波動(dòng)越來越小，并且溫度越來越低.蓄熱量與室內(nèi)舒適百分比之間有良好的相關(guān)性，兩者成對(duì)數(shù)關(guān)系.

(4)如果認(rèn)為通風(fēng)量與窗口面積成線性關(guān)系，可以得到通風(fēng)量和蓄熱量匹配關(guān)系圖以及蓄熱量與最佳蓄熱量關(guān)系圖，本文的圖線和回歸關(guān)系式可為夜間通風(fēng)的設(shè)計(jì)利用提供一定的幫助和參考.

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