浙江省南北氣候區辦公建筑自然通風節能量研究

牟 宇，吳佳艷，丁 德

(杭州浙大精創建筑節能科技有限公司,浙江 杭州 310027)

1 背 景

自然通風作為建筑有效地降低能耗，提高舒適性的手段,已成為建筑設計環節中必不可少的要素。已有研究表明,辦公建筑自然通風每年可節約空調能耗14～41 kWh/m2[1]?！毒G色建筑評價標準(GB/T 50378—2014)》中第8.2.10條規定公共建筑在過渡季典型工況下主要功能房間平均自然通風換氣次數不小于2次/h，達到一定面積比例,可取得相對應的分數,最高可得13分[2],權重較大。由此可見，自然通風對建筑節能與舒適性的重要性。

自然通風技術具有很強的氣候特性,不同氣候地區對應用自然通風的潛力不盡相同,自然通風在當地氣候條件下的有效時數越長,則說明當地自然通風節能的潛力越大[3]。浙江省介于北緯27度12分至31度31分之間,緯度跨度不大,但仍然有較為明顯的氣候分區。浙江省《居住建筑節能設計標準(DB 33/1015—2015)》將浙江省建筑節能設計分為南、北兩個氣候分區,南區歷年逐月平均溫度均要高于北區。以杭州(氣候北區城市)和溫州(氣候南區城市)為例,溫州過渡季平均溫度較杭州高出1℃～3℃,這就導致針對上述兩個城市實施自然通風的適用時間不一致。

本文針對浙江省杭州、溫州兩個城市的氣候特點，分別進行動態耦合能耗分析法得出浙江省不同氣候區域的自然通風有效時數,并通過全年逐時模擬計算對典型辦公建筑自然通風節能潛力進行分析。動態耦合能耗分析法是通過自然通風與熱環境的耦合計算得出建筑的全年自然通風風量和空調能耗,可以較為精確地分析建筑節能量[4]。為實現上述目標,本文選取一棟典型辦公建筑,應用eQuest軟件進行模擬計算,eQuest軟件是為數不多的可將自然通風與熱環境耦合的計算工具。

2 物理模型及模擬參數設置

2.1 物理模型

本文選取一個典型南北朝向的板式辦公樓作為研究對象,建筑標準層平面圖見圖1。該項目總建筑面積9 328 m2,地上11層,總高度51.6 m,體形系數0.21。在不影響自然通風節能分析結果的前提下,對模型進行了適當簡化,由于各層使用功能一致,因此將物理模型各層均簡化為標準層,簡化的物理模型見圖2。

圖1 建筑平面布置圖

2.2 模擬參數輸入

氣象參數選取中國氣象數據集中杭州和溫州地區的典型氣象年數據。本項目圍護結構熱工參數見表1。

圖2 eQuest物理模型

表1 建筑圍護結構熱工參數表

該建筑主要包括辦公室和走廊兩種主要房間功能,功能房間相關參數見表2。建筑周一至周五運行,周六、周日休息,人員、燈光、設備作息時間及房間溫度逐時設定值均按照《公共建筑節能設計標準(GB 50189—2015)》附錄B進行設置,見圖3、圖4?？照{冷熱源采用多聯式空調系統,制冷能效比3.4,制熱能效比3.8。

表2 房間參數設定

圖3 人員、照明、設備作息

圖4 室內設定溫度

3 自然通風舒適度區間

余貞貞等[5]總結了眾多學者及機構對自然通風條件下建筑熱舒適性模型的研究成果,以ASHRAE55—2013為例,自然通風條件下,80%人群舒適性滿意(Ⅱ級舒適度)情況下,可接受的操作溫度的上、下限為公式(1)～(2)：

toupper=0.31tout+21.3

(1)

tolower=0.31tout+14.3

(2)

式中：toupper為上限操作溫度,℃；

tolower為下限操作溫度,℃;

tout為室外月平均干球溫度,℃。

在風速不高,靜坐辦公前提下,操作溫度又可以表示為公式(3)：

to=(ta+tr)/2

(3)

式中：to為操作溫度,℃；

ta為室內干球溫度,℃；

tr為室內平均輻射溫度,℃。

根據Nadine Walikewitz等[6]人研究成果,絕大多數情況下,建筑室內干球溫度與室內平均輻射溫度差異不大,因此室內干球溫度可近似等于操作溫度。有研究表明當過渡季室外溫度處于14℃～22℃時[7],自然通風較為有效。浙江省《居住建筑節能設計標準(DB 33/1015—2015)》附錄D給出了浙江省各地逐月平均溫度,杭州、溫州兩地逐月平均溫度在14℃～22℃區間或接近這個區間的月份為3—6月和10—11月。表3列出了杭州、溫州兩地上述月份逐月室外平均溫度與80%人群舒適性滿意情況下的室內干球溫度計算值。通過數據對比,杭州、溫州兩地區各月適宜自然通風的室內溫度區間基本一致,11月份差異最大,僅為0.8℃。將表3溫度計算值輸入eQuest軟件,控制自然通風的啟動條件。以杭州3月份為例,室溫小于17.8℃時,門窗關閉, 開啟空調制熱；當室溫介于17.8℃～24.8℃之間時開啟門窗,關閉空調； 當室溫高于24.8℃時關閉門窗,開啟空調并制冷。

表3 80%人群滿意室內逐月干球溫度 ℃

4 建筑自然通風有效時數

自然通風有效時數為建筑在某一時段可利用自然通風抵消室內冷負荷的全部小時數。由于各層、各朝向的逐時負荷特點均不相同,若要分析自然通風在某一時間段是否能抵消冷負荷,則需要選取某一特定空調分區來研究自然通風的節能量,本文選取標準層北側辦公空間作為研究對比對象。通過對該建筑全年動態模擬,總結出杭州各月份適宜自然通風的有效時數和各月有效時數占建筑運行時間的百分比,見表4。杭州過渡季自然通風有效時數比溫州地區高100 h左右。各月份有效時數差異也較大,春季,杭州3月份僅有29%的時間適宜自然通風,而溫州地區比例達到68%,溫州較杭州自然通風可略早介入；從5月、6月數據看,由于溫州較杭州氣溫高,因此可利用的時間也比杭州少一些。秋季杭州10月較適宜自然通風,有效通風時間百分比達到85%,而溫州則是在11月較為適宜,比例高達89%。杭州在4月、5月、10月自然通風最為有效,而溫州則是在3月、4月、11月,兩地區自然通風適宜月份有明顯差異。

表4 自然通風有效時數及其百分比

5 建筑自然通風節能量分析

表5給出了建筑在非自然通風和自然通風兩種工況下,杭州和溫州兩種氣候條件下空調制冷能耗對比。由表中數據可知,該建筑在溫州地區年制冷能耗為181×103kWh/年；杭州地區年制冷能耗為162×103kWh/年。利用自然通風手段,溫州地區可節約22×103kWh/年,折合電費約2萬元,占總制冷能耗比重約12%；杭州地區可節約32×103kWh/年,折合電費約3萬元,占總制冷能耗比重約20%。以上分析表明,針對辦公建筑杭州地區過渡季利用自然通風對降低制冷能耗更為有效,而溫州由于地處浙江南區,過渡季溫度較高,因此利用自然通風帶來的節能效果不如浙江省北區明顯。

表5 建筑自然通風與非自然通風工況制冷能耗比較 kWh×103

6 結 語

本文以一幢板式辦公樓為例,針對自然通風和非自然通風兩種工況,利用能耗模擬軟件eQuest,對浙江省北區(杭州為例)和浙江省南區(溫州為例)兩種氣候條件下進行了全年動態能耗模擬,得出以下結論：

1)溫州地區月平均溫度高于杭州地區1℃～3℃,但適宜自然通風的室內溫度區間基本一致,11月份差異最大,僅為0.8℃。

2) 杭州地區年自然通風有效時數比溫州地區高100 h左右,杭州在4月、5月、10月自然通風最為有效,而溫州則是在3月、4月、11月,兩地區自然通風適宜月份有明顯差異。

3) 辦公建筑利用自然通風在杭州地區年可節約20%的空調制冷能耗,在溫州地區年可節約12%的空調制冷能耗。節能效果在兩個地區均比較可觀,浙江省北區自然通風節能量更高,更適宜利用自然通風來降低室內冷負荷。