太陽能輔助通風(fēng)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(tuán)重慶設(shè)計(jì)研究院綠色建筑技術(shù)中心，重慶400016）

太陽能輔助通風(fēng)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(tuán)重慶設(shè)計(jì)研究院綠色建筑技術(shù)中心，重慶400016）

針對(duì)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(diǎn)，研究太陽能輔助通風(fēng)對(duì)室內(nèi)熱濕環(huán)境的改善效果。該文利用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)對(duì)重慶地區(qū)某綠色建筑項(xiàng)目在采用太陽能輔助通風(fēng)井前后的室內(nèi)熱濕環(huán)境改善效果進(jìn)行了對(duì)比分析，分析結(jié)果表明，在夏季增設(shè)太陽能輔助通風(fēng)井后，能有效提高室內(nèi)風(fēng)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(fēng)；綠色建筑；拔風(fēng)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(fēng)技術(shù)對(duì)于建筑節(jié)能具有重要意義，在建筑中實(shí)現(xiàn)良好的自然通風(fēng)，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(fēng)技術(shù)已在建筑設(shè)計(jì)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(fēng)井、導(dǎo)風(fēng)墻、邊庭、中庭等?！毒G色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50378-2006和《重慶市綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》DBJ/T50-066-2009中均有“建筑設(shè)計(jì)和構(gòu)造設(shè)計(jì)有促進(jìn)自然通風(fēng)的措施”[2]的條文，在具體實(shí)施過程中，對(duì)建筑采用導(dǎo)風(fēng)墻或拔風(fēng)井等促進(jìn)室內(nèi)自然通風(fēng)的技術(shù)均給予了較高的分?jǐn)?shù)，因此，自然通風(fēng)技術(shù)已受到越來越多建筑師的青睞。太陽能輔助通風(fēng)即是采用熱壓通風(fēng)的原理，通過設(shè)置拔風(fēng)井等措施，優(yōu)化室內(nèi)氣流組織，強(qiáng)化室內(nèi)自然通風(fēng)。重慶地區(qū)夏季炎熱，靜風(fēng)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(qiáng)烈，可以充分利用太陽能強(qiáng)化熱壓效果來促進(jìn)自然通風(fēng)。但對(duì)太陽能輔助通風(fēng)效果在建筑設(shè)計(jì)階段如何進(jìn)行評(píng)價(jià)，如何實(shí)現(xiàn)建筑與通風(fēng)技術(shù)的完美結(jié)合，對(duì)目前國內(nèi)建筑師來說仍是一個(gè)較難的問題，本文將采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)，分析重慶地區(qū)夏季拔風(fēng)井對(duì)室內(nèi)熱濕環(huán)境的影響。

1 太陽能輔助通風(fēng)技術(shù)

1.1 自然通風(fēng)及太陽能輔助通風(fēng)原理

自然通風(fēng)是指利用自然的手段來促使空氣流動(dòng)而進(jìn)行的通風(fēng)換氣方式。一般而言，在實(shí)際的自然通風(fēng)過程中，會(huì)同時(shí)受到風(fēng)壓、熱壓的作用。當(dāng)某一建筑同時(shí)受到風(fēng)壓和熱壓作用時(shí)，自然通風(fēng)下的模型分析如圖1所示[3]。

圖1 風(fēng)壓和熱壓同時(shí)作用下的通風(fēng)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(dòng)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(dāng)兩個(gè)窗孔間高差越大時(shí)，由于密度差產(chǎn)生的壓差也越大，而當(dāng)兩窗孔間空氣溫度差別較大時(shí)，兩處的空氣密度差相差也較大，能起到加強(qiáng)通風(fēng)的作用。太陽能輔助通風(fēng)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(jìn)而增大兩窗孔處的內(nèi)外壓差，增強(qiáng)自然通風(fēng)效果。在目前的專利市場上，很多太陽能輔助通風(fēng)的專利是基于此進(jìn)行開發(fā)的。例如重慶大學(xué)丁勇等人開發(fā)的“一種室內(nèi)太陽能輔助通風(fēng)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(dá)43℃，素有“火爐”之稱[5]。在炎熱的夏季，希望能通過自然通風(fēng)以改善室內(nèi)的熱濕環(huán)境，而夏季強(qiáng)烈的太陽輻射又為改善增強(qiáng)自然通風(fēng)提供了良好的動(dòng)力[6]。研究表明，良好的自然通風(fēng)對(duì)建筑節(jié)能的貢獻(xiàn)率可達(dá)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(shí)，室內(nèi)熱舒適對(duì)自然通風(fēng)的需求較大，此時(shí)太陽輻射較強(qiáng)，可以利用太陽能輔助通風(fēng)。

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(fēng)對(duì)建筑能耗的影響，本文結(jié)合重慶地區(qū)某三星級(jí)的綠色建筑項(xiàng)目，針對(duì)其功能房間增設(shè)太陽能輔助通風(fēng)后室內(nèi)的溫濕度場情況進(jìn)行模擬分析。該功能房間的主要功能為活動(dòng)室，活動(dòng)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(shí)，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(jī)（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(fù)荷為1410W，燈具總安裝功率為400W（共計(jì)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(jìn)風(fēng)口的尺寸為2300×2000mm，門的尺寸為1200×2100mm；拔風(fēng)井的尺寸為1200×1500×6000mm，突出屋面的高度為2400mm。由于全年各時(shí)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(fēng)井對(duì)室內(nèi)的溫度場改善狀況。項(xiàng)目所在地夏季室外空氣干球溫度為28.6℃，相對(duì)濕度76%，風(fēng)速為0.8m/s，水平面的平均太陽直射輻射強(qiáng)度為175W/m2，東、西、南、北四個(gè)朝向的平均太陽直射輻射強(qiáng)度分別為90 W/m2，80 W/m2，69 W/m2，57 W/m2[8]。

圖3 無拔風(fēng)井房間平面布局

圖4 有拔風(fēng)井房間平面布局

3 太陽能輔助通風(fēng)效果分析

利用Airpark 3.0軟件對(duì)兩種情況下（無拔風(fēng)井和有拔風(fēng)井）室內(nèi)自然通風(fēng)狀況進(jìn)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(gè)室內(nèi)平均溫度為30.2℃；增設(shè)拔風(fēng)井后，室外風(fēng)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(dá)到30℃，房間內(nèi)部平均溫度維持在29~30℃，此時(shí)室內(nèi)的平均溫度為29.1℃。因此，增設(shè)拔風(fēng)井可使房間內(nèi)平均溫度降低約1.1℃。

圖5 無拔風(fēng)井時(shí)室內(nèi)1.5m高度溫度云圖

圖6 有拔風(fēng)井時(shí)室內(nèi)1.5m高度溫度云圖

3.1 拔風(fēng)井對(duì)室內(nèi)風(fēng)速場的影響研究

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

3.2 拔風(fēng)井對(duì)室內(nèi)空氣齡的影響研究

室內(nèi)無拔風(fēng)井時(shí)，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(gè)房間平均空氣齡約為62.1s。而增設(shè)拔風(fēng)井后，室外空氣可及范圍明顯擴(kuò)大，房間空氣齡最大值為69.8s，整個(gè)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(fēng)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(duì)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(fēng)井時(shí)室內(nèi)1.5m高度風(fēng)速云圖

圖8 無拔風(fēng)井時(shí)室內(nèi)1.5m高度風(fēng)速云圖

圖9 無拔風(fēng)井時(shí)室內(nèi)1.5m高度空氣齡云圖

圖10 有拔風(fēng)井時(shí)室內(nèi)1.5m高度空氣齡云圖

3.3 拔風(fēng)井對(duì)PMV的影響研究

PMV即預(yù)測(cè)平均投票數(shù)，可用于表征室內(nèi)的熱環(huán)境狀況，共計(jì)7級(jí)，通過對(duì)室內(nèi)的PMV值進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)無拔風(fēng)井時(shí)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(fēng)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(fēng)井時(shí)總體降低約0.76，因此可以認(rèn)為拔風(fēng)井對(duì)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(fēng)井時(shí)室內(nèi)1.5m高度PMV云圖

圖12 有拔風(fēng)井時(shí)室內(nèi)1.5m高度PMV云圖

3.4 小結(jié)

房間增設(shè)拔風(fēng)井后，對(duì)室內(nèi)的影響如表1所示。

表1 拔風(fēng)井對(duì)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(fēng)井對(duì)于室內(nèi)的溫度有較好的降低作用，降低值可達(dá)1.1℃，平均風(fēng)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(yùn)行時(shí)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(duì)重慶夏季典型天氣條件下的室內(nèi)溫濕度場進(jìn)行模擬分析后發(fā)現(xiàn)，在室內(nèi)增設(shè)拔風(fēng)井，可使室內(nèi)平均溫度降低1.1℃，室內(nèi)風(fēng)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(shí)間，降低了空調(diào)運(yùn)行能耗。由于在夏季大多時(shí)刻太陽輻射強(qiáng)度較模擬時(shí)要大，因此拔風(fēng)井中形成的熱壓更大，因熱壓形成的通風(fēng)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(jì)中應(yīng)充分利用太陽能輔助通風(fēng)技術(shù)并采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高室內(nèi)通風(fēng)效果。

[1]張莉，任彬彬.淺析自然通風(fēng)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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006.

[3]朱穎心.建筑環(huán)境學(xué):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(fēng)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(shí)測(cè)與分析[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，34(5)：76-80.

[6]蘇醒,劉傳聚,蘇季平.太陽能煙囪的通風(fēng)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(fēng)方案對(duì)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(xué)建筑技術(shù)科學(xué)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(xué)工業(yè)出版社, 2007.

責(zé)任編輯：孫蘇，李紅

災(zāi)后重建

災(zāi)后重建尤需責(zé)任和良心

“4·20”四川雅安蘆山7級(jí)地震中，位于蘆山縣境內(nèi)的寶盛石橋經(jīng)歷兩次強(qiáng)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(yùn)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(jí)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(dá)的今天，建筑材料、設(shè)計(jì)理念、施工技術(shù)等比30年前修建寶盛石橋時(shí)先進(jìn)許多，比清代同治年間更要先進(jìn)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(shí)很多，抗震能力更強(qiáng)，為什么事實(shí)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(dāng)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(shí)之士感言：工程質(zhì)量過不過硬，關(guān)鍵因素還在人。當(dāng)今社會(huì)不缺資金，不缺技術(shù),卻嚴(yán)重缺乏良心與責(zé)任。工程立項(xiàng)時(shí)只考慮政績；項(xiàng)目審批靠“私下疏通”；規(guī)劃設(shè)計(jì)唯領(lǐng)導(dǎo)意志行事；工程招標(biāo)投標(biāo)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(zé)任人良心出了問題，最起碼的責(zé)任意識(shí)喪失了，即使資金投入再多，科技含量再大，機(jī)械裝備再先進(jìn)，都無法避免“豆腐渣”工程。

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

遺憾的是，部分人良心和責(zé)任的缺失，耗費(fèi)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(zé)任。新建的移民安置房垮塌，借口“風(fēng)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃設(shè)計(jì)和高水平建造，更需要參建者、管理者摸著良心做事，需要責(zé)任政府切實(shí)擔(dān)當(dāng)。否則，即使采用最高的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，使用最先進(jìn)的施工技術(shù)，也難以收到實(shí)效。

（選自《建筑》雜志2013年第10期，作者楊明生）

（敬請(qǐng)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(tuán)重慶設(shè)計(jì)研究院青年基金項(xiàng)目“建筑外遮陽設(shè)計(jì)方法研究”（項(xiàng)目編號(hào)：2013QN040）及中煤科工集團(tuán)重慶設(shè)計(jì)研究院面上項(xiàng)目“酚醛板外墻外保溫系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)研究”（項(xiàng)目編號(hào)：2011MS016）資助項(xiàng)目論文之一。

10.3969／j.issn.1671-9107.2013.08.015