從建筑熱工與通風(fēng)來(lái)實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能目標(biāo)的現(xiàn)狀分析

(中國(guó)建筑第二工程局 河南 鄭州 450000)

前言

目前，民用建筑能耗已經(jīng)占到我國(guó)總能耗的30%以上，而建筑能耗中又以采暖耗能及空調(diào)耗能所占的比例最大，占比60%以上，據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó) 97%的建筑都屬于高能耗建筑，高耗能集中表現(xiàn)在建筑物保溫性差和供熱系統(tǒng)性能差這兩個(gè)主要方面。作為我國(guó)的國(guó)策，研究如何有效地降低建筑物內(nèi)采暖和空調(diào)系統(tǒng)的耗能已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能總體目標(biāo)的關(guān)鍵因素[1]。而優(yōu)化建筑熱工及通風(fēng)系統(tǒng)可以很大程度上降低建筑能耗。

自2005年2月16日起170多個(gè)國(guó)家批準(zhǔn)加入的《京都議定書》正式生效，協(xié)議中明確規(guī)定通過(guò)提高保溫標(biāo)準(zhǔn)來(lái)減少建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的換熱量，這是能夠有效地在工業(yè)國(guó)家和發(fā)展中國(guó)家同時(shí)推行的一項(xiàng)重大舉措；部分國(guó)家是通過(guò)立法和政府補(bǔ)貼來(lái)共同推動(dòng)這一重大舉措，用來(lái)解決政府機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)推動(dòng)力不夠的問(wèn)題。建筑節(jié)能理念在建筑熱工方面的優(yōu)化研究主要集中在：加強(qiáng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱能力。據(jù)統(tǒng)計(jì)，將近30%的熱量從窗戶損失掉，但是若是選擇雙層玻璃，中間充注入惰性氣體，就可以有效的阻斷熱量的損失；還有將近35%的熱量是從墻體通過(guò)導(dǎo)熱、對(duì)流、輻射換熱方式損失掉的，但是若是在外墻增設(shè)由良好隔熱材料組成的保溫層，可以達(dá)到良好的節(jié)能效果[2]。目前各國(guó)追求的智能建筑就是為了達(dá)到節(jié)能和良好的居住舒適度的雙層標(biāo)準(zhǔn)，低能耗是指在合理的房屋結(jié)構(gòu)，實(shí)用的功能、簡(jiǎn)潔的外觀基礎(chǔ)上達(dá)到最大的節(jié)能。

在過(guò)去的四十多年間，商業(yè)CFD軟件的應(yīng)用以及專門用于解決房間空氣運(yùn)動(dòng)的程序開(kāi)發(fā)逐步增多，CFD的應(yīng)用范圍包括空氣射流擴(kuò)散的預(yù)測(cè)、房間內(nèi)空氣流速與溫度的分布、空間內(nèi)污染物的傳播、自然通風(fēng)的評(píng)價(jià)與建筑內(nèi)火災(zāi)和煙氣傳播的預(yù)測(cè)等。據(jù)大量學(xué)者實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，大部分情況下預(yù)測(cè)結(jié)果與已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相符合[3]?，F(xiàn)如今，建立建筑通風(fēng)數(shù)值模型方面已取得巨大的成果，但是為了使CFD能夠成為設(shè)計(jì)和研究的可靠工具，還有很多的研究開(kāi)發(fā)工作需要進(jìn)行，比如：魯棒性更強(qiáng)的計(jì)算格式，不規(guī)則網(wǎng)格建立技術(shù)，湍流模型的改進(jìn)、普遍性更強(qiáng)的壁面函數(shù)的建立等[4]。

一、建筑熱工與通風(fēng)對(duì)建筑節(jié)能的影響

還有一方面熱量損失是：隨著建筑物保溫材料的改進(jìn)，保溫性能隨之提高，能耗大幅降低，但是通過(guò)建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的空氣滲透引起的能耗比例不斷上升，有時(shí)甚至達(dá)到了總能耗的一半。一方面是由于盡管現(xiàn)在已經(jīng)有了許多針對(duì)建筑保溫材料的標(biāo)準(zhǔn)，但針對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)氣密性目前只有少部分北歐國(guó)家有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。另一方面則是由于所有建筑物或大或小均存在著滲透風(fēng)的緣故，通過(guò)建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的滲透風(fēng)是由于建筑結(jié)構(gòu)的不完善或者建筑材料的多孔特性造成的，而滲透量則是由建筑物的設(shè)計(jì)、幾何形狀、具體的結(jié)構(gòu)、建筑材料及建筑物的質(zhì)量決定的。滲透風(fēng)是最難控制的通風(fēng)形式，相關(guān)研究報(bào)告還比較少，至今還沒(méi)有較完備的解決方式，它會(huì)產(chǎn)生一些不良的影響，如增加熱負(fù)荷、冷負(fù)荷、在寒冷天氣產(chǎn)生的吹風(fēng)感等。通過(guò)使用密閉的施工工藝和防漏風(fēng)措施可以將滲透風(fēng)量降至很低，從能量守恒的角度來(lái)看，這種方法是有利的，但是對(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)和建筑結(jié)構(gòu)而言則是有害的，通風(fēng)量較低會(huì)導(dǎo)致建筑物內(nèi)的污染物濃度和濕度增加，并且在寒冷季節(jié)會(huì)導(dǎo)致水蒸氣的凝結(jié)。因此，從新風(fēng)量的角度、建筑結(jié)構(gòu)、空氣品質(zhì)、避免水蒸氣凝結(jié)等要素來(lái)看，如何科學(xué)地控制滲透風(fēng)，與建筑通風(fēng)相結(jié)合，達(dá)到節(jié)能與高水平室內(nèi)品質(zhì)共贏的目的。

Togari和Hayakawa[5]課題組通過(guò)對(duì)一個(gè)比例模型和全尺度模型進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，得到了一座相撲館內(nèi)的空氣運(yùn)動(dòng)和溫度分布情況，將這些模擬數(shù)據(jù)應(yīng)用于優(yōu)化氣流組織，為實(shí)際建筑內(nèi)部的熱環(huán)境提供比較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)；Jackman[6]開(kāi)發(fā)了一個(gè)基于圖表和諾謨圖的設(shè)計(jì)步驟用于估算送風(fēng)量、送風(fēng)溫差和送風(fēng)口尺寸。依據(jù)該設(shè)計(jì)程序，能在高處側(cè)墻送風(fēng)的房間內(nèi)，可避免出現(xiàn)不可接受的過(guò)高的氣流速度，設(shè)計(jì)出一個(gè)滿意的室內(nèi)空氣分布環(huán)境。

綜上所述，在對(duì)房屋結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與建設(shè)施工的過(guò)程中，必須充分考慮玻璃幕墻以及房間門窗之間的密封性問(wèn)題，在合理范圍內(nèi)最大限度的降低冷風(fēng)滲透的能耗，達(dá)到提高房屋的供暖效果和節(jié)能效率的目的[7]?；诖丝梢越⒁环N根據(jù)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)縫隙滲透風(fēng)動(dòng)態(tài)變化特性來(lái)評(píng)價(jià)建筑物供暖效果和節(jié)能效率的模型進(jìn)行研究分析。

二、建筑熱工與通風(fēng)對(duì)室內(nèi)品質(zhì)的影響

在過(guò)去的四十多年間，建筑節(jié)能理念在建筑通風(fēng)上的應(yīng)用已經(jīng)經(jīng)歷了很大的變化。在這個(gè)階段的第一個(gè)十年間，人們將大量的精力集中在建筑中空氣滲透的機(jī)理研究上，從而最大程度的控制和減少無(wú)組織通風(fēng)達(dá)到節(jié)約能源的目的。但是隨之產(chǎn)生了“病態(tài)建筑綜合癥”這個(gè)新的問(wèn)題，這是由于滲透空氣的減少所導(dǎo)致的室內(nèi)空氣品質(zhì)下降的原因；第二個(gè)十年間，學(xué)者們根據(jù)掌握的病態(tài)建筑的形成原因，引進(jìn)新風(fēng)這個(gè)概念，根據(jù)空氣齡、新空氣質(zhì)量等單位對(duì)新風(fēng)量進(jìn)行控制及研究；在第三個(gè)十年間，專家學(xué)者將重點(diǎn)放在節(jié)能和保護(hù)環(huán)境上面，從對(duì)自然通風(fēng)的節(jié)能潛力、局部環(huán)境的個(gè)性化控制等多方面進(jìn)行調(diào)控，以達(dá)到建筑節(jié)能的目的；在最近的十年里，最新的研究成果表明室內(nèi)污染物的稀釋效果不僅受送入建筑物室內(nèi)的空氣數(shù)量和質(zhì)量影響，而且受送入建筑物室內(nèi)的氣流分布形式的影響。多個(gè)國(guó)家均制定了新的通風(fēng)準(zhǔn)則和導(dǎo)則來(lái)保障室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量以及達(dá)到建筑節(jié)能的目的[3]。達(dá)到設(shè)計(jì)出節(jié)能與室內(nèi)空氣品質(zhì)(IAQ)并重的通風(fēng)系統(tǒng)的目的。

Kurabuchi[8]課題組模擬分析了建筑物內(nèi)部和周圍環(huán)境的空氣流動(dòng)，使用四種湍流模型對(duì)一棟有兩個(gè)相對(duì)開(kāi)口的建筑物(空氣對(duì)流)周圍的氣流和壓力進(jìn)行了預(yù)測(cè)并將其與實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，得出了較好的吻合結(jié)果。Schaelin[9]課題組研究了浮生力驅(qū)動(dòng)而通過(guò)風(fēng)口的氣流組織，并在二維和三維模擬條件下對(duì)比了僅有浮生力驅(qū)動(dòng)和浮生力、風(fēng)力共同驅(qū)動(dòng)下的模擬結(jié)果，結(jié)果顯示吻合很好。

因此，為了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)在動(dòng)態(tài)縫隙通風(fēng)條件下對(duì)建筑物室內(nèi)空氣品質(zhì)與節(jié)能效果的影響規(guī)律及其滲透通風(fēng)特性，可以建立基于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)縫隙滲透通風(fēng)(建筑外門窗關(guān)閉、無(wú)機(jī)械通風(fēng))、室內(nèi)無(wú)污染源條件下在某地區(qū)室內(nèi)外污染物質(zhì)量濃度水平、室外氣象參數(shù)(如：空氣干球溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速等)等的動(dòng)態(tài)變化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)平臺(tái)。采用文獻(xiàn)歸納、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整理、模擬計(jì)算、數(shù)據(jù)分析等方法，提出一種根據(jù)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)縫隙滲透風(fēng)動(dòng)態(tài)變化特性來(lái)評(píng)價(jià)建筑物空氣品質(zhì)的模型[10]。

三、結(jié)論

綜上所述，結(jié)合學(xué)科發(fā)展前沿，在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合建筑熱工和建筑通風(fēng)兩方面，我們可以知道從對(duì)建筑物滲透風(fēng)進(jìn)行控制的同時(shí)分析室內(nèi)氣流分布形式，對(duì)兩者耦合關(guān)系進(jìn)行分析模擬及實(shí)驗(yàn)研究，可以在實(shí)現(xiàn)最優(yōu)節(jié)能效果的同時(shí)保證室內(nèi)高水平空氣品質(zhì)的目的。滲透風(fēng)是風(fēng)壓、熱壓以及建筑物周圍氣候條件共同作用下形成的，由于建筑物周圍氣候條件是動(dòng)態(tài)變化的，并且相對(duì)城鎮(zhèn)地區(qū)，農(nóng)村地區(qū)的房屋結(jié)構(gòu)在滲透風(fēng)及通風(fēng)控制處理方面存在較大不足，未來(lái)擬建立一個(gè)針對(duì)某一地區(qū)農(nóng)村住宅的能夠合理控制滲透風(fēng)以同時(shí)達(dá)到節(jié)能效果和高空氣品質(zhì)的房屋結(jié)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行理論分析、模擬及實(shí)驗(yàn)研究，找到三者之間的最佳耦合關(guān)系，給出滲透風(fēng)控制策略、目標(biāo)節(jié)能效果、目標(biāo)空氣品質(zhì)三者之間的協(xié)同控制措施。