夏熱冬暖地區某辦公建筑自然通風節能潛力

王亮

上海市計量測試技術研究院

0 引言

自然通風是一種有效的通風方式，相對機械通風具有降低建筑能耗的優點。在全社會節能減排的背景下，建筑中的自然通風技術受到熱點關注。目前國內對于自然通風的研究還處于初級階段，缺乏相關的標準和法規，對于自然通風的節能潛力尚未形成明確的預測方法。對自然通風的適用性分析，不同學者從不同角度出發，提出不同方法[1]，其基本原理為從舒適性角度出發采用熱平衡理論結合換氣次數的方法對單體簡單空間自然通風潛力進行分析，從而忽略了不同外界風速邊界條件及建筑空間結構對通風效果的影響。大部分辦公建筑使用空間分散，結構靈活多變，因此采用常規的通風理論對辦公建筑通風效果及節能潛力難以做出準確的預測。

隨著計算機技術的迅速發展，CFD技術逐漸應用于建筑室內外流場的預測分析。CFD技術能夠較為細致的研究建筑自然通風效果。本研究采用CFD技術結合當地氣象數據，對夏熱冬冷地區某辦公建筑自然通風的節能潛力進行了研究。

1 氣象條件分析

由于建筑自然通風受到當地氣象條件影響，因此本研究對當地氣象條件進行了考察，逐月室外氣溫見圖1，風速風向聯合分布見圖2。

由圖1和圖2可見，當地全年最熱的月份為7月和8月，月平均溫度約為27℃。當地頻率較高風向為東北風及西南風(分別為27.5%和13.1%)。鑒于自然通風使用時受到室外溫度及風速風向條件的影響，因此本研究對不同溫度區間風速風向進行了統計分析(根據舒適性要求，結合建筑空調負荷特性，選取12℃～24℃，按照4℃分段，并取每段平均溫度值作為CFD模擬室外溫度條件)[2]。

圖1 逐月室外氣溫

圖2 風速風向聯合分布

2 計算模型及邊界條件

本研究選取夏熱冬冷地區某典型辦公建筑為研究對象，該建筑朝向西南，建筑占地面積為456m2(38m×12m)，建筑模型如圖3所示。該建筑的熱工參數及建筑得熱如表1所示[3](根據建筑自然通風室外氣溫特征，忽略圍護結構傳熱)。

圖3 典型辦公建筑計算模型

表1 圍護結構熱工參數及建筑得熱

根據當地氣象條件分析及建筑辦公區域空間結構特點，設定計算工況如表2所示。

表2 工況設置表

3 計算結果及分析

由于辦公建筑使用功能需要，設定辦公室門為關閉狀態，主要依靠開窗進行單側自然通風。各工況的計算結果如圖4所示。

由圖4可見，迎風側室內通風效果優于背風側，室外溫度為14℃時，迎風側部分辦公區域溫度過低(低于18℃)不能滿足人體熱舒適性要求；室外溫度為22℃時，背風側辦公區域除頂層外，平均溫度高于28℃，溫度過高而不能滿足人體舒適性要求詳見圖5。

圖4 各工況計算結果匯總

圖5 各工況不同樓層溫度

由圖5可見，迎風側辦公區域通風效果較好，室內外溫差為0.3℃～3.7℃；背風側辦公區域通風效果差異性較大；頂層通風效果較好，室內外溫差為2℃；底層較差，與室外溫差達11℃。鑒于迎風側室內外溫差低于1℃(底層除外)，且不同溫度下，建筑內部流場差異較小，結合人體舒適性要求，對該辦公建筑適宜自然通風的室外溫度設定為12℃～28℃。由于不同樓層、迎風及背風的影響，建筑內部溫度分布均勻性較差，因此本研究采用適宜自然通風的辦公區域面積作為節能潛力預測的基準，不同室外溫度下自然通風適用的辦公區域面積如圖6所示；根據人體舒適性要求，按照4℃分段，12℃～28℃各段累積小時數如圖7所示(橫坐標為每段的平均溫度，統計時段為8:00～18:00)。

圖6 不同溫度下適宜自然通風的辦公區域面積

圖7 不同溫度分段累積小時數

根據以上分析結果，結合建筑空調負荷計算值，可得該辦公建筑自然通風適用累計小時數為2 401h，節能潛力為41.5MWh.a-1(根據空調新能效標準，COP取3.2，下同)。

本研究進一步將該節能潛力預測方法與常規預測方法進行了對比研究。常規自然通風節能潛力評價方法基于建筑熱平衡原理的計算方法。

根據建筑熱平衡原理，建筑蓄熱量為建筑凈得熱量[4]。對于某層建筑忽略樓層間傳熱并假定建筑物內溫度相同，可得下式：

建筑溫度變化及室內外溫差較小時，忽略房間蓄熱量及維護結構傳熱，式(1)簡化為式(2)。

本文假設建筑采用自然通風，室內可接受的溫度范圍為18℃～28℃，當溫度低于室內最低設定溫度時進行采暖；高于室內最高設置溫度時進行供冷。按平均風速，主導風向的風速工程計算方法(全年平均風速為1.0m/s，主導風向為東北風)，可得自然通風室內外溫差為2.6℃。則適用于自然通風的室外溫度范圍為15.4℃～25.4℃，經統計得此溫度范圍內累積時間為1 973h，根據熱負荷計算值，可得自然通風節能潛力為52.7MWh·a-1(自然通風節能潛力預測結果對比如圖8所示，方法1為本研究使用方法，方法2為常規預測方法)。

圖8 a 不同預測方法自然通風適用小時數

圖8 b 不同預測方法自然通風適用節能量

由圖8a和圖8b可見，本研究所使用的預測方法，基于辦公區域自然通風效果差異性(不同樓層、迎風側及背風側)考慮了部分辦公區域自然通風適用性，自然通風節能量及適用小時數計算按適用辦公區域面積計算，因此自然通風適用室外溫度范圍大于常規預測方法，而節能潛力預測值低于常規方法。

4 結論

自然通風作為有效改善建筑室內環境的節能技術，本研究采用CFD數值模擬方法結合當地氣象條件對其應用于夏熱冬暖地區典型辦公建筑的節能潛力進行預測，并與常規預測方法進行了對比，通過研究分析得到以下結論：

1）由于當地氣象條件及辦公建筑自身結構特征的影響，辦公區域通風效果差異性較大，迎風側辦公區通風效果較好，室內外溫差低于1℃(底層除外)；背風側辦公區通風效果差異較大，其中底層通風效果較差，室內外溫差高于10℃，頂層通風效果較好，室內外溫差為2℃。

2）該節能潛力預測方法基于辦公區域通風效果的差異性考慮，結合當地氣象條件對自然通風適用時間及不同室外溫度下自然通風適用的辦公面積進行統計分析，進一步對節能量進行了預測，預測結果為自然通風全年適用時間為2 401h，節能量為 41.5MWh·a-1。

3）通過與常規預測方法對比表明，該預測方法考慮部分辦公區域自然通風的適用性，因此適用室外溫度范圍更寬為12℃～28℃，常規方法為15℃～25℃。由于考慮了辦公區域通風效果的差異性，該預測方法得到的節能量預測值低于常規方法(常規方法節能預測量52.7MWh·a-1)。