冬季北方地區住宅建筑通風方式對比研究

王國建 李慶平 陳 辰 胡頤蘅

北京市住宅建筑設計研究院有限公司

冬季北方地區住宅建筑通風方式對比研究

王國建 李慶平 陳 辰 胡頤蘅

北京市住宅建筑設計研究院有限公司

隨著住宅節能技術的廣泛推行，對窗戶的氣密性要求越來越高，冬季冷風滲透遠遠不能滿足室內人員對新風的最低需求。為了尋找節能、舒適的通風方式，本研究利用FLUENT對工程中較為常見的通風方式：自然通風方式、自然進機械排通風方式、帶熱交換的墻式通風器方式、帶熱交換的通風換氣機組方式在氣流組織、舒適性能、能耗特性及初投資方面進行了應用效果評價。最終得出：對于層高和裝修標準較高的高級住宅中使用帶熱交換的通風換氣機組，可以使通風系統在滿足熱舒適性和空氣品質的基礎上，更加節能，而對于一般住宅建筑，自然進機械排通風方式是相對最優選擇。

住宅通風方式住宅節能熱舒適性CFD數值模擬技術

0 引言

隨著住宅節能技術的廣泛推行，對墻體的保溫性能和窗戶的氣密性要求越來越高，窗戶的高氣密性意味著最大限度地減少房間與外界的空氣交換量，減少供暖時房間因冷風滲透而形成的熱損失。在常用的塑鋼窗的檢測報告中，測試壓力為10 Pa條件下其冷風滲透量已經小到0.7m3/(m·h)，幾近封閉[1]。可見，冬季冷風滲透遠遠不能滿足室內人員對新風的最低需求，室內污染物無法及時排除，由此造成的室內空氣品質不合格問題也越來越突出。維持良好的室內空氣品質是“健康住宅”的基本要求，而保持良好的室內空氣品質最基本也最有效的手段就是通風。住宅節能與通風是一對矛盾，在此情況下，采取何種通風方式，使其既能確保住宅室內良好的空氣品質，又使采暖能源消耗處在一個最佳水平，已成為當前較為突出、急需解決的問題[2]。

為此，本研究從舒適性能、能耗特性以及初投資三個方面比較分析了住宅建筑自然通風、自然進機械排、帶熱交換的墻式通風器、帶熱交換的通風換氣機組四種通風方式的優缺點，以期找出某種通風系統能夠在滿足熱舒適性和空氣品質的基礎上，更加節能。

1 評價方法

1.1 熱舒適性指標

熱舒適指標是指人體對熱環境各項因素的綜合反應。熱舒適指數的評價指標有有效溫度、熱應力指標和預測平均熱感覺指標（Predicted Mean Vote，PMV）等幾種，在ISO7730標準中，用PMV和PPD指標來描述和評價熱環境[3]。本文利用FLUENT軟件模擬出房間的溫度和風速，然后根據PMV定義式計算出房間PMV分布，再根據PMV值計算出PPD，最終選取PPD來評價室內熱舒適性。

1.2 能耗特性指標及初投資

冬季，新風形成熱負荷為顯熱負荷，根據室內外空氣的溫度差可以計算冬季新風熱負荷。結合負荷計算軟件對建筑總負荷進行計算分析，最終本文重點對比采用熱回收與不采用熱回收通風方式時，新風負荷的變化對建筑總負荷的影響。本文除了對四種通風方式的新風負荷做了對比外，還對四種通風方式的初投資進行了分析說明。

2 物理模型及邊界條件

本文研究對象為120m2的住宅建筑（如圖1所示）。

圖1 戶型平面圖

為了使四種通風方式在同一層面進行對比分析，因此在邊界條件設定中，四種通風方式房間的風量設定保持一致，風速大小根據實際風口面積計算確定，且溫度邊界條件一致，具體選取原則如下：

1）速度邊界條件的選取

①風量的確定：按照《室內空氣質量標準》[4]新風量規定為30m3/(h·人)計算，室內人數取3.5人，共需新風量105m3/h；按照《嚴寒和寒冷地區居住建筑節能設計標準》[5]冬季采暖計算換氣次數應取0.5h-1計算，共需新風量168m3/h；按照《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》GB 50736-2012[6]規定：當人均居住面積為20～50m2，換氣次數取0.5h-1計算，共需新風量168m3/h。因此本研究中，通風量按照室內換氣次數0.5h-1選定。

②面積的選定：自然通風的進風口面積按照窗戶的可開啟面積確定，自然進機械排、帶熱交換的墻式通風器以及帶熱交換的通風換氣機的風口面積按照實際尺寸確定。

③風速的計算：根據①、②計算進風口風速的大小。其中，自然通風中風向的確定參考《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》GB 50736-2012冬季頻率最大風向。

2）溫度邊界條件的選取

①外墻的溫度確定：房屋墻壁在冬季的散熱過程為，首先熱由室內空氣以對流換熱的形式傳給墻體內表面；再由墻內表面以固體導熱方式傳遞到墻外表面；最后由墻外表面以空氣對流換熱的方式把熱傳到室外環境[7]。根據室內向室外的傳熱量與室內到外墻內表面的傳熱量相等，可計算出外墻內表面溫度t，其溫度值作為第一類邊界條件賦給外墻。內墻的溫度值同室內設計溫度。

②外窗內表面溫度的確定與外墻的確定方法一致，唯一不同就是外窗的傳熱系數與外墻不同。

③不帶熱回收的通風方式的進風口空氣溫度取供暖室外計算溫度，帶熱回收的通風方式的進風口溫度根據熱回收效率60%計算確定。

3 通風方式對比分析

3.1 舒適性對比

利用FLUENT軟件模擬出房間的溫度和風速，然后根據PPD定義式計算出室內PPD分布，室內距地1.5m平面上PPD數值散點分布如圖2～圖5所示。

圖2 自然通風PPD分布圖

圖3 自然進機械排PPD分布圖

圖4 帶熱交換的墻式通風器PPD分布圖

圖5 帶熱交換的通風換氣機組PPD分布圖

通過圖2～5的PPD計算結果可以看出，自然通風以及帶熱交換的墻式通風器兩種通風方式中PPD超過10%（圖中直線所示）的測點較多，甚至有超過30%以上，超出《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》要求。而自然進機械排與帶熱交換的通風換氣機組PPD都在10%以內，可見舒適度較高。

3.2 能耗特性對比

建筑總負荷包括室內負荷（即圖6、圖7中室內采暖負荷）與新風負荷，本文把四種通風方式分成采用熱回收與不采用熱回收兩種方式進行對比，其中室內采暖負荷保持不變，主要考慮新風熱回收與否對能耗的影響。

圖6 新風負荷與室內采暖負荷所占比例分布

圖7 考慮熱回收后的新風負荷與室內采暖負荷所占比例

通過圖6和圖7可以計算得出，采用熱回收方式（帶熱交換的墻式通風器、帶熱交換的通風換氣機組）比不采用熱回收方式（自然通風、自然進機械排通風方式）節能4%左右。

3.3 初投資對比

四種通風方式所需設備的初投資如表1所示。

表1 四種方式的經濟性對比

4 結論

通過四種通風方式的能耗對比、人體舒適性指標的對比以及經濟性分析比較，對四種方式的綜合評價指標如表2所示。針對綜合性能指標本研究對不同類型住宅推薦通風方式如表3所示。

表2 四種通風方式性能比較

表3 不同住宅類型推薦通風方式

[1]歐陽沁,朱穎心.北方地區住宅冬季通風換氣方案研究[J].技術交流,2004,(6):26-28

[2]王智超.住宅通風設計及評價[M].北京:中國建筑工業出版社, 2011

[3]薛殿華.空氣調節[M].北京:清華大學出版社,1991

[4]室內空氣質量標準(GB/T 18883-2002)[S]

[5]嚴寒和寒冷地區居住建筑節能設計標準(JGJ26-2010)[S]

[6]民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范(GB 50736-2012)[S]

[7]章熙民,任澤霈,梅飛鳴.傳熱學(第四版)[M].北京:中國建筑工業出版社,2001

Com pa ra tive Stud y on the Ven tila tion M od e o f the Res iden tia l Bu ild ing in No rth A rea in W in te r

WANGGuo-jian,LIQing-ping,CHEN Chen,HU Yi-heng
Beijing Instituteof Residential Building Design&Research Co.,Ltd.

With the development of residential energy conservation technology,the air tightness requirement of the w indow ishigherand higher.So inw inter the cold penetrationw ind cannotsatisfy the requirementof indoor personnel to fresh air.The common ventilation mode includes natural ventilation,natural inlet and mechanical exhaust,wall type ventilator w ith heat exchange,ventilation unit w ith heat exchange.Looking for energy saving,com fortable way of ventilation,the application effectof theway of ventilation is evaluated in air distribution and com fortperformance and theenergy consumption featuresby using FLUENT software.Resultsshow thatventilation unitw ith heatexchangemode is the best ventilation mode in the senior residential,which can satisfy the ventilation system in thermal com fort,air quality andmore energy efficient.For general residential building,the natural inletand mechanical exhaust ventilation mode is theoptimalchoice.

residentialventilationmode,residentialenergy-saving,thermalcom fort,numericalsimulation technology

1003-0344（2014）02-087-3

2013-4-25

李慶平（1969～），男，本科，高工；北京市東城區東總布胡同5號（100005）；E-mail:lqp13611154321@163.com