基于室內(nèi)舒適度的教學(xué)建筑被動(dòng)技術(shù)評(píng)價(jià)方法★

楊 帆，劉盛楠，尚佳豪

(1.石家莊鐵道大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)院,河北 石家莊 050043; 2.河北醫(yī)科大學(xué)第一醫(yī)院,河北 石家莊 050011)

0 引言

大學(xué)校園人員密集,一直以來都是能耗較大的公共建筑。截至2020年,我國(guó)共有2 000余所高校,據(jù)統(tǒng)計(jì)其耗能量占了社會(huì)總能耗的大約8%左右[1]?？梢?校園建筑的節(jié)能潛力巨大,在我國(guó)大力發(fā)展節(jié)能減排的背景下,對(duì)其制定有效的節(jié)能措施具有重大的意義。

獲得舒適又節(jié)能的建筑是建筑設(shè)計(jì)主要目標(biāo),因此建筑師主導(dǎo)的節(jié)能設(shè)計(jì)成為了備受關(guān)注的重點(diǎn)。其中,關(guān)于人體舒適度的研究是建筑領(lǐng)域開展較早的課題,隨著高校建筑節(jié)能話題的進(jìn)行,大學(xué)教室的研究數(shù)量驟增[2-3],并且前期筆者課題組通過實(shí)地測(cè)試與調(diào)研建立了適用于該類特殊建筑的全年舒適區(qū)間[4-5]。同時(shí),需要注意的一點(diǎn)是,與國(guó)外很多建筑的運(yùn)行方式不同,我國(guó)寒冷氣候區(qū)的高校教室通常采用混合運(yùn)行模式,即建筑全年部分時(shí)段處于空調(diào)運(yùn)行、部分時(shí)段處于自由運(yùn)行,也就是室內(nèi)人員可以通過開關(guān)空調(diào)、開關(guān)門窗進(jìn)行通風(fēng)等方式對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行調(diào)控。這種做法可以最大程度地利用當(dāng)?shù)赜欣臍夂蛸Y源使用被動(dòng)技術(shù)改善室內(nèi)的舒適環(huán)境,在被動(dòng)措施不足以維持舒適的室內(nèi)環(huán)境時(shí)開始暖通空調(diào)設(shè)備?？梢?正確利用建筑被動(dòng)技術(shù)可以減少空調(diào)等耗能設(shè)備的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng),從而有效降低能耗。

大部分地區(qū)的室外氣候與室內(nèi)環(huán)境以及室內(nèi)熱舒適環(huán)境之間都存在著偏差,采取合理的建筑自身調(diào)控技術(shù)縮小人體熱舒適需求與室外氣候的差異,盡可能擴(kuò)大建筑被動(dòng)式技術(shù)可調(diào)節(jié)和控制的氣候區(qū)間,從而降低建筑對(duì)人工環(huán)境設(shè)備的需求成了被動(dòng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)[6]。針對(duì)人-建筑-氣候3個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的科學(xué)難題,楊柳教授團(tuán)隊(duì)在中國(guó)西部進(jìn)行了開創(chuàng)性應(yīng)用與實(shí)踐,形成了黃土高原、西北旱區(qū)和四川震區(qū)等多種低能耗鄉(xiāng)村建筑設(shè)計(jì)模式,成為中國(guó)地域建筑更新設(shè)計(jì)的典范[7]。

綜上,本文針對(duì)特殊的建筑類型高校教室提出使用自然室溫落入全年舒適區(qū)間的小時(shí)數(shù)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)被動(dòng)技術(shù)的氣候適應(yīng)性進(jìn)行定量評(píng)價(jià)的方法。通過建立室外氣候條件、室內(nèi)自然室溫、室內(nèi)舒適環(huán)境三者之間映射關(guān)系,重點(diǎn)分析被動(dòng)設(shè)計(jì)手法對(duì)建筑非空調(diào)舒適時(shí)長(zhǎng)的影響,從而對(duì)被動(dòng)技術(shù)的適用性進(jìn)行定量評(píng)價(jià),為建筑師在方案階段被動(dòng)技術(shù)選擇提供依據(jù)。

1 研究方法

1.1 寒冷氣候區(qū)高校建筑室內(nèi)全年舒適區(qū)間

本文之所以使用自然室溫落入全年舒適區(qū)間的小時(shí)數(shù)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),是因?yàn)樵撝笜?biāo)既能代表人體熱舒適情況,又與建筑能耗息息相關(guān)。對(duì)此,首先需要明確的就是全年的舒適區(qū)間。課題組的前期工作查明了混合運(yùn)行建筑中使用者對(duì)熱環(huán)境的評(píng)價(jià)與存在顯著差異,適應(yīng)性理論可以更好地解釋混合式運(yùn)行建筑的舒適區(qū)間[8]。

根據(jù)GB/T 50785—2012民用建筑室內(nèi)熱環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中給出的適應(yīng)性平均熱感覺指標(biāo)(APMV),平均熱感覺指標(biāo)(APMV)應(yīng)按下式計(jì)算：

APMV=PMV/(1+λ·PMV)。其中,APMV為預(yù)計(jì)適應(yīng)性平均熱感覺指標(biāo);PMV為預(yù)計(jì)平均熱感覺指標(biāo);λ為自適應(yīng)系數(shù),按規(guī)范要求分別取0.21(PMV≥0)和-0.29(PMV<0)。

根據(jù)教室建筑的實(shí)際使用情況,在確定室內(nèi)可接受熱濕區(qū)間時(shí),人員新陳代謝率取1.2 met,服裝熱阻冬季取1.5 clo,夏季取0.3 clo,室內(nèi)平均空氣流速取0.03 m/s,室內(nèi)平均輻射溫度采用與室內(nèi)空氣溫度近似相等的原則處理。隨后,以《民用建筑室內(nèi)熱環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅰ級(jí)評(píng)價(jià)等級(jí)(即-0.5≤APMV≤0.5)為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算舒適區(qū)間的物理環(huán)境條件,結(jié)果見表1,表2。

表1 夏季可接受的操作溫度范圍邊界

表2 冬季可接受的操作溫度范圍邊界

基于APMV適應(yīng)性模型計(jì)算了天津地區(qū)的全年的舒適區(qū)間,將舒適區(qū)范圍繪制在溫濕圖上,見圖1。其中黑色線包圍的區(qū)域是冬季舒適區(qū)域,深灰色包圍區(qū)域?yàn)橄募臼孢m區(qū),灰色實(shí)線包圍區(qū)域?yàn)槿晔孢m區(qū)。

1.2 基準(zhǔn)建筑模擬參數(shù)設(shè)定

本文首先需要確定基準(zhǔn)建筑(未設(shè)置被動(dòng)技術(shù))的自然舒適時(shí)長(zhǎng),并以此為例,對(duì)被動(dòng)技術(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。目前高校公共建筑常見的平面形式總體上可以分為：一字型(雙面教室+內(nèi)長(zhǎng)廊)、E型、L型、天井型與不規(guī)則型[8]。本文選用寒冷氣候區(qū)常見的E型教學(xué)樓為例,在EnergyPlus中對(duì)建筑物進(jìn)行合理簡(jiǎn)化,構(gòu)建模型進(jìn)行計(jì)算,如圖2所示。

將基準(zhǔn)建筑的相關(guān)計(jì)算參數(shù)分為圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)以及運(yùn)行參數(shù),將其分別設(shè)定如下：

1)圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)定：根據(jù)建筑實(shí)際情況設(shè)置,其中外墻傳熱系數(shù)0.6 W/(m2·K);屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)0.55 W/(m2·K);外窗傳熱系數(shù)3 W/(m2·K)。

2)運(yùn)行參數(shù)設(shè)定：參考《暖通空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》要求,房間時(shí)換氣次數(shù)設(shè)定1/4次/h;參考《建筑設(shè)計(jì)資料集》,并結(jié)合教學(xué)安排以及實(shí)地調(diào)研情況確定將人員密度設(shè)定為4 m2/人,人員密度;參考GB 50034—2013建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)學(xué)校建筑普通教室照明功率密度值的要求,將照明功率密度確定為11 W/m2;教室電器設(shè)備種類偏少,參考GB 50189—2015公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),將其確定為5 W/m2。

2 被動(dòng)技術(shù)對(duì)舒適時(shí)長(zhǎng)的影響

此部分以寒冷氣候區(qū)高校建筑的全年的舒適區(qū)間作為定量評(píng)價(jià)被動(dòng)技術(shù)的指標(biāo),對(duì)不同被動(dòng)技術(shù)的有效性進(jìn)行分析計(jì)算。首先采用EnergyPlus軟件模擬計(jì)算基準(zhǔn)建筑的全年自然室溫分布,統(tǒng)計(jì)落入舒適的小時(shí)數(shù)作為評(píng)價(jià)基準(zhǔn),隨后模擬計(jì)算加入不同被動(dòng)技術(shù)之后落入全年舒適區(qū)間的小時(shí)數(shù),并與基準(zhǔn)小時(shí)數(shù)進(jìn)行對(duì)比。

2.1 基準(zhǔn)建筑的自然室溫

對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì),圖3顯示了基準(zhǔn)建筑全年8 760 h的室內(nèi)自然室溫分布情況,通過統(tǒng)計(jì)可知室內(nèi)環(huán)境落入全年舒適區(qū)范圍的氣象點(diǎn)有2 263個(gè),占全年時(shí)間的25.8%,其余74.18%的時(shí)間處于不舒適的環(huán)境中,舒適時(shí)間比無(wú)建筑室外環(huán)境延長(zhǎng)了377 h。

2.2 自然通風(fēng)技術(shù)的適用性評(píng)價(jià)

自然通風(fēng)技術(shù)是目前使用較為廣泛的一項(xiàng)被動(dòng)措施[9-11],該技術(shù)可以在不消耗能源的條件下有效降低室內(nèi)溫度,并且在一定程度上可以補(bǔ)償環(huán)境溫度升高帶來的不舒適[12],有學(xué)者提出在偏熱環(huán)境下,在風(fēng)速作用下可接受溫度上限可達(dá)32 ℃[13-14]。對(duì)通風(fēng)降溫效果影響最大因素是：室內(nèi)通風(fēng)換氣次數(shù)、通風(fēng)運(yùn)行時(shí)刻表。參考GB 50736—2012民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)于教室高密人群建筑最小通風(fēng)量的規(guī)定,通風(fēng)換氣次數(shù)設(shè)置為1次/h～5次/h,步長(zhǎng)設(shè)定為1。對(duì)于通風(fēng)運(yùn)行時(shí)刻表的確定,根據(jù)上一步對(duì)基準(zhǔn)建筑模擬結(jié)果,在非供暖時(shí)段,當(dāng)室外空氣焓值低于室內(nèi)空氣焓值時(shí)可以進(jìn)行開窗通風(fēng)。

分別計(jì)算不同換氣次數(shù)下的室內(nèi)熱環(huán)境,結(jié)果如表3所示。當(dāng)換氣次數(shù)達(dá)到為1次/h時(shí),室內(nèi)環(huán)境落入全年舒適區(qū)范圍的氣象點(diǎn)有2 529個(gè),占全年時(shí)間的28.9%,其余時(shí)間71.1%的時(shí)間處于不舒適的環(huán)境中,比基準(zhǔn)建筑的舒適時(shí)間延長(zhǎng)了266 h;當(dāng)換氣次數(shù)達(dá)到2次/h時(shí),室內(nèi)環(huán)境落入全年舒適區(qū)范圍的氣象點(diǎn)有2 659個(gè),占全年時(shí)間的30.3%,其余時(shí)間69.7%的時(shí)間處于不舒適的環(huán)境中,比無(wú)建筑的情況下舒適時(shí)間延長(zhǎng)396 h;換氣次數(shù)為3次/h條件下,室內(nèi)環(huán)境落入全年舒適區(qū)范圍的氣象點(diǎn)有2 747個(gè),占全年時(shí)間的31.4%,其余時(shí)間68.6 %的時(shí)間處于不舒適的環(huán)境中,比無(wú)建筑的情況下舒適時(shí)間延長(zhǎng)484 h;當(dāng)換氣次數(shù)為4次/h條件下,室內(nèi)環(huán)境落入全年舒適區(qū)范圍的氣象點(diǎn)有2 747個(gè),占全年時(shí)間的31.4%,其余時(shí)間68.6 %的時(shí)間處于不舒適的環(huán)境中,比無(wú)建筑的情況下舒適時(shí)間延長(zhǎng)484 h;當(dāng)換氣次數(shù)為5次/h條件下,室內(nèi)環(huán)境落入全年舒適區(qū)范圍的氣象點(diǎn)有2 819個(gè),占全年時(shí)間的32.2%,其余時(shí)間67.8%的時(shí)間處于不舒適的環(huán)境中,比無(wú)建筑的情況下舒適時(shí)間延長(zhǎng)556 h。

表3 通風(fēng)次數(shù)與全年舒適時(shí)長(zhǎng)的關(guān)系

可見,當(dāng)通風(fēng)次數(shù)達(dá)到5次/h時(shí),全年自然室溫處于舒適區(qū)的時(shí)長(zhǎng)為2 819 h約為4個(gè)月,比基準(zhǔn)建筑的舒適時(shí)長(zhǎng)增長(zhǎng)了556 h,約23 d,可以使非空調(diào)時(shí)長(zhǎng)延長(zhǎng)近一個(gè)月,具有良好的節(jié)能效果。因此,在合理范圍內(nèi)隨著通風(fēng)量的增大全年自然室溫處于舒適區(qū)間的時(shí)長(zhǎng)不斷增大,但需要注意過大室內(nèi)風(fēng)速會(huì)給人帶來吹風(fēng)的煩擾感、壓力感、黏膜的不適感[15],對(duì)此ASHRA E55標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定風(fēng)速上限為0.8 m/s。因此,在進(jìn)行模擬計(jì)算之前,首先需要對(duì)室內(nèi)風(fēng)速進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算。本文利用Airpak軟件對(duì)室內(nèi)平均風(fēng)速進(jìn)行了模擬,確定不同換氣次數(shù)對(duì)應(yīng)的室內(nèi)平均風(fēng)速,結(jié)果見表4。

表4 不同換氣次數(shù)下室內(nèi)平均風(fēng)速

2.3 建筑遮陽(yáng)技術(shù)的適用性

遮陽(yáng)設(shè)施作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的一部分可以在夏季阻止直射陽(yáng)光透過玻璃進(jìn)入室內(nèi),防止陽(yáng)光過分照射和加熱圍護(hù)結(jié)構(gòu)。對(duì)效果影響最大的因素是遮陽(yáng)系數(shù),根據(jù)JG/T 277—2010建筑遮陽(yáng)熱舒適、視覺舒適性能與分級(jí)中的定義,遮陽(yáng)系數(shù)為玻璃窗和遮陽(yáng)裝置綜合的太陽(yáng)能總透射比gtot與相同條件、相同面積下的玻璃窗太陽(yáng)能總透射比g的比值,可見理論上遮陽(yáng)系數(shù)越小,夏季防熱效果越好,進(jìn)入室內(nèi)的輻射熱量減小越小,相應(yīng)地室內(nèi)平均輻射溫度也會(huì)減小[16]。

假定南向窗口采用固定遮陽(yáng)措施,模擬計(jì)算不同綜合遮陽(yáng)系數(shù)下室內(nèi)舒適時(shí)長(zhǎng)的變化,變化范圍設(shè)定為0.4～0.7,步長(zhǎng)為0.1。表5統(tǒng)計(jì)了南向窗口固定遮陽(yáng)系數(shù)下的全年舒適時(shí)長(zhǎng),結(jié)果發(fā)現(xiàn)在全年固定遮陽(yáng)系數(shù)的條件下,隨著遮陽(yáng)系數(shù)的減小全年舒適時(shí)長(zhǎng)雖有所增加,但對(duì)非空調(diào)時(shí)段舒適時(shí)長(zhǎng)的增大效果并不明顯,遮陽(yáng)系數(shù)從0.4提高到0.7僅增加了63 h。

表5 南向窗口遮陽(yáng)系數(shù)與全年舒適時(shí)長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)

2.4 蒸發(fā)降溫的適用性

蒸發(fā)降溫目前主要有兩種形式,分別為直接蒸發(fā)降溫和間接蒸發(fā)降溫,直接蒸發(fā)降溫是指干熱的室外空氣經(jīng)過流水構(gòu)件之后,由于水的蒸發(fā)吸熱作用,濕空氣溫度降低進(jìn)入室內(nèi),間接蒸發(fā)降溫指淋水屋面、蓄水屋面等構(gòu)件利用太陽(yáng)輻射使水分蒸發(fā)從而既可以降低室內(nèi)溫度又不會(huì)增加室內(nèi)濕度[17]。以天津地區(qū)為例,夏季室外計(jì)算日平均干球溫度33.9 ℃,濕球溫度為26.9 ℃,干濕球溫度差為7 ℃,故最大降溫潛力小于7 ℃,如圖4所示,深灰區(qū)間表示蒸發(fā)冷卻的有效降溫區(qū)間,即當(dāng)自然室溫落入深灰色區(qū)間范圍內(nèi)時(shí)可以通過蒸發(fā)降溫的方式使室內(nèi)環(huán)境達(dá)到舒適區(qū)間。

從表6的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中可以看出,使用了蒸發(fā)冷卻降溫技術(shù)后,舒適時(shí)長(zhǎng)得到了延長(zhǎng),相比于未采用蒸發(fā)降溫措施的基準(zhǔn)建筑,舒適時(shí)長(zhǎng)延長(zhǎng)了591 h,約為25 d,有效減少了空調(diào)的開啟時(shí)間。當(dāng)冷卻降溫達(dá)到6 ℃后,即使再降低溫度而舒適時(shí)長(zhǎng)卻不再增大,這是因?yàn)槭艿搅撕瑵窳康南拗啤?/p>

表6 蒸發(fā)冷卻全年有效時(shí)長(zhǎng)

3 結(jié)論

本文采用EnergyPlus軟件分別計(jì)算了自然通風(fēng)、建筑遮陽(yáng)以及蒸發(fā)降溫三項(xiàng)被動(dòng)技術(shù)對(duì)建筑室內(nèi)熱環(huán)境的影響,并且從舒適度的角度出發(fā),利用自然室溫落入舒適區(qū)間的小時(shí)數(shù)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)不同被動(dòng)技術(shù)的效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。具體結(jié)果如下：

1)在非供暖時(shí)段,當(dāng)室外空氣焓值低于室內(nèi)空氣焓值時(shí)可以進(jìn)行開窗通風(fēng),隨著通風(fēng)量的增大全年自然室溫處于舒適區(qū)間的時(shí)長(zhǎng)增大。當(dāng)通風(fēng)次數(shù)達(dá)到5次/h時(shí)全年自然室溫處于舒適區(qū)的時(shí)長(zhǎng)為2 819 h約為4個(gè)月,比基準(zhǔn)建筑的舒適時(shí)長(zhǎng)增長(zhǎng)了556 h,約23 d。所以,建議采用適當(dāng)通風(fēng)措施使增加室內(nèi)換氣次數(shù),具有較好的節(jié)能效果,但要注意室內(nèi)風(fēng)速不宜過大。

2)全年固定遮陽(yáng)系數(shù)對(duì)整體舒適時(shí)長(zhǎng)的影響并不顯著,因此,建議使用可調(diào)遮陽(yáng)系數(shù)的遮陽(yáng)系統(tǒng),并根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件適時(shí)調(diào)整遮陽(yáng)系數(shù)。

3)蒸發(fā)冷卻降溫可以有效延長(zhǎng)舒適時(shí)長(zhǎng),減少空調(diào)的開啟時(shí)間,但在使用時(shí)要注意蒸發(fā)降溫方式會(huì)造成空氣的含濕量增大,舒適時(shí)長(zhǎng)并不會(huì)一直隨著降溫程度的增大而增大。