基于室內舒適度的教學建筑被動技術評價方法★

楊 帆，劉盛楠，尚佳豪

(1.石家莊鐵道大學建筑與藝術學院,河北 石家莊 050043; 2.河北醫科大學第一醫院,河北 石家莊 050011)

0 引言

大學校園人員密集,一直以來都是能耗較大的公共建筑。截至2020年,我國共有2 000余所高校,據統計其耗能量占了社會總能耗的大約8%左右[1]。可見,校園建筑的節能潛力巨大,在我國大力發展節能減排的背景下,對其制定有效的節能措施具有重大的意義。

獲得舒適又節能的建筑是建筑設計主要目標,因此建筑師主導的節能設計成為了備受關注的重點。其中,關于人體舒適度的研究是建筑領域開展較早的課題,隨著高校建筑節能話題的進行,大學教室的研究數量驟增[2-3],并且前期筆者課題組通過實地測試與調研建立了適用于該類特殊建筑的全年舒適區間[4-5]。同時,需要注意的一點是,與國外很多建筑的運行方式不同,我國寒冷氣候區的高校教室通常采用混合運行模式,即建筑全年部分時段處于空調運行、部分時段處于自由運行,也就是室內人員可以通過開關空調、開關門窗進行通風等方式對室內熱環境進行調控。這種做法可以最大程度地利用當地有利的氣候資源使用被動技術改善室內的舒適環境,在被動措施不足以維持舒適的室內環境時開始暖通空調設備。可見,正確利用建筑被動技術可以減少空調等耗能設備的運行時長,從而有效降低能耗。

大部分地區的室外氣候與室內環境以及室內熱舒適環境之間都存在著偏差,采取合理的建筑自身調控技術縮小人體熱舒適需求與室外氣候的差異,盡可能擴大建筑被動式技術可調節和控制的氣候區間,從而降低建筑對人工環境設備的需求成了被動設計的目標[6]。針對人-建筑-氣候3個復雜系統的科學難題,楊柳教授團隊在中國西部進行了開創性應用與實踐,形成了黃土高原、西北旱區和四川震區等多種低能耗鄉村建筑設計模式,成為中國地域建筑更新設計的典范[7]。

綜上,本文針對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間的小時數作為評價標準對被動技術的氣候適應性進行定量評價的方法。通過建立室外氣候條件、室內自然室溫、室內舒適環境三者之間映射關系,重點分析被動設計手法對建筑非空調舒適時長的影響,從而對被動技術的適用性進行定量評價,為建筑師在方案階段被動技術選擇提供依據。

1 研究方法

1.1 寒冷氣候區高校建筑室內全年舒適區間

本文之所以使用自然室溫落入全年舒適區間的小時數作為評價標準,是因為該指標既能代表人體熱舒適情況,又與建筑能耗息息相關。對此,首先需要明確的就是全年的舒適區間。課題組的前期工作查明了混合運行建筑中使用者對熱環境的評價與存在顯著差異,適應性理論可以更好地解釋混合式運行建筑的舒適區間[8]。

根據GB/T 50785—2012民用建筑室內熱環境評價標準中給出的適應性平均熱感覺指標(APMV),平均熱感覺指標(APMV)應按下式計算：

APMV=PMV/(1+λ·PMV)。其中,APMV為預計適應性平均熱感覺指標;PMV為預計平均熱感覺指標;λ為自適應系數,按規范要求分別取0.21(PMV≥0)和-0.29(PMV<0)。

根據教室建筑的實際使用情況,在確定室內可接受熱濕區間時,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,室內平均空氣流速取0.03 m/s,室內平均輻射溫度采用與室內空氣溫度近似相等的原則處理。隨后,以《民用建筑室內熱環境評價標準》中Ⅰ級評價等級(即-0.5≤APMV≤0.5)為標準計算舒適區間的物理環境條件,結果見表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適應性模型計算了天津地區的全年的舒適區間,將舒適區范圍繪制在溫濕圖上,見圖1。其中黑色線包圍的區域是冬季舒適區域,深灰色包圍區域為夏季舒適區,灰色實線包圍區域為全年舒適區。

1.2 基準建筑模擬參數設定

本文首先需要確定基準建筑(未設置被動技術)的自然舒適時長,并以此為例,對被動技術進行評價。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+內長廊)、E型、L型、天井型與不規則型[8]。本文選用寒冷氣候區常見的E型教學樓為例,在EnergyPlus中對建筑物進行合理簡化,構建模型進行計算,如圖2所示。

將基準建筑的相關計算參數分為圍護結構參數以及運行參數,將其分別設定如下：

1)圍護結構參數設定：根據建筑實際情況設置,其中外墻傳熱系數0.6 W/(m2·K);屋面傳熱系數0.55 W/(m2·K);外窗傳熱系數3 W/(m2·K)。

2)運行參數設定：參考《暖通空調設計手冊》要求,房間時換氣次數設定1/4次/h;參考《建筑設計資料集》,并結合教學安排以及實地調研情況確定將人員密度設定為4 m2/人,人員密度;參考GB 50034—2013建筑照明設計標準中對學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;教室電器設備種類偏少,參考GB 50189—2015公共建筑節能設計標準,將其確定為5 W/m2。

2 被動技術對舒適時長的影響

此部分以寒冷氣候區高校建筑的全年的舒適區間作為定量評價被動技術的指標,對不同被動技術的有效性進行分析計算。首先采用EnergyPlus軟件模擬計算基準建筑的全年自然室溫分布,統計落入舒適的小時數作為評價基準,隨后模擬計算加入不同被動技術之后落入全年舒適區間的小時數,并與基準小時數進行對比。

2.1 基準建筑的自然室溫

對模擬結果進行統計,圖3顯示了基準建筑全年8 760 h的室內自然室溫分布情況,通過統計可知室內環境落入全年舒適區范圍的氣象點有2 263個,占全年時間的25.8%,其余74.18%的時間處于不舒適的環境中,舒適時間比無建筑室外環境延長了377 h。

2.2 自然通風技術的適用性評價

自然通風技術是目前使用較為廣泛的一項被動措施[9-11],該技術可以在不消耗能源的條件下有效降低室內溫度,并且在一定程度上可以補償環境溫度升高帶來的不舒適[12],有學者提出在偏熱環境下,在風速作用下可接受溫度上限可達32 ℃[13-14]。對通風降溫效果影響最大因素是：室內通風換氣次數、通風運行時刻表。參考GB 50736—2012民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范中對于教室高密人群建筑最小通風量的規定,通風換氣次數設置為1次/h～5次/h,步長設定為1。對于通風運行時刻表的確定,根據上一步對基準建筑模擬結果,在非供暖時段,當室外空氣焓值低于室內空氣焓值時可以進行開窗通風。

分別計算不同換氣次數下的室內熱環境,結果如表3所示。當換氣次數達到為1次/h時,室內環境落入全年舒適區范圍的氣象點有2 529個,占全年時間的28.9%,其余時間71.1%的時間處于不舒適的環境中,比基準建筑的舒適時間延長了266 h;當換氣次數達到2次/h時,室內環境落入全年舒適區范圍的氣象點有2 659個,占全年時間的30.3%,其余時間69.7%的時間處于不舒適的環境中,比無建筑的情況下舒適時間延長396 h;換氣次數為3次/h條件下,室內環境落入全年舒適區范圍的氣象點有2 747個,占全年時間的31.4%,其余時間68.6 %的時間處于不舒適的環境中,比無建筑的情況下舒適時間延長484 h;當換氣次數為4次/h條件下,室內環境落入全年舒適區范圍的氣象點有2 747個,占全年時間的31.4%,其余時間68.6 %的時間處于不舒適的環境中,比無建筑的情況下舒適時間延長484 h;當換氣次數為5次/h條件下,室內環境落入全年舒適區范圍的氣象點有2 819個,占全年時間的32.2%,其余時間67.8%的時間處于不舒適的環境中,比無建筑的情況下舒適時間延長556 h。

表3 通風次數與全年舒適時長的關系

可見,當通風次數達到5次/h時,全年自然室溫處于舒適區的時長為2 819 h約為4個月,比基準建筑的舒適時長增長了556 h,約23 d,可以使非空調時長延長近一個月,具有良好的節能效果。因此,在合理范圍內隨著通風量的增大全年自然室溫處于舒適區間的時長不斷增大,但需要注意過大室內風速會給人帶來吹風的煩擾感、壓力感、黏膜的不適感[15],對此ASHRA E55標準中規定風速上限為0.8 m/s。因此,在進行模擬計算之前,首先需要對室內風速進行簡單計算。本文利用Airpak軟件對室內平均風速進行了模擬,確定不同換氣次數對應的室內平均風速,結果見表4。

表4 不同換氣次數下室內平均風速

2.3 建筑遮陽技術的適用性

遮陽設施作為圍護結構的一部分可以在夏季阻止直射陽光透過玻璃進入室內,防止陽光過分照射和加熱圍護結構。對效果影響最大的因素是遮陽系數,根據JG/T 277—2010建筑遮陽熱舒適、視覺舒適性能與分級中的定義,遮陽系數為玻璃窗和遮陽裝置綜合的太陽能總透射比gtot與相同條件、相同面積下的玻璃窗太陽能總透射比g的比值,可見理論上遮陽系數越小,夏季防熱效果越好,進入室內的輻射熱量減小越小,相應地室內平均輻射溫度也會減小[16]。

假定南向窗口采用固定遮陽措施,模擬計算不同綜合遮陽系數下室內舒適時長的變化,變化范圍設定為0.4～0.7,步長為0.1。表5統計了南向窗口固定遮陽系數下的全年舒適時長,結果發現在全年固定遮陽系數的條件下,隨著遮陽系數的減小全年舒適時長雖有所增加,但對非空調時段舒適時長的增大效果并不明顯,遮陽系數從0.4提高到0.7僅增加了63 h。

表5 南向窗口遮陽系數與全年舒適時長統計

2.4 蒸發降溫的適用性

蒸發降溫目前主要有兩種形式,分別為直接蒸發降溫和間接蒸發降溫,直接蒸發降溫是指干熱的室外空氣經過流水構件之后,由于水的蒸發吸熱作用,濕空氣溫度降低進入室內,間接蒸發降溫指淋水屋面、蓄水屋面等構件利用太陽輻射使水分蒸發從而既可以降低室內溫度又不會增加室內濕度[17]。以天津地區為例,夏季室外計算日平均干球溫度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,深灰區間表示蒸發冷卻的有效降溫區間,即當自然室溫落入深灰色區間范圍內時可以通過蒸發降溫的方式使室內環境達到舒適區間。

從表6的統計數據中可以看出,使用了蒸發冷卻降溫技術后,舒適時長得到了延長,相比于未采用蒸發降溫措施的基準建筑,舒適時長延長了591 h,約為25 d,有效減少了空調的開啟時間。當冷卻降溫達到6 ℃后,即使再降低溫度而舒適時長卻不再增大,這是因為受到了含濕量的限制。

表6 蒸發冷卻全年有效時長

3 結論

本文采用EnergyPlus軟件分別計算了自然通風、建筑遮陽以及蒸發降溫三項被動技術對建筑室內熱環境的影響,并且從舒適度的角度出發,利用自然室溫落入舒適區間的小時數作為評價標準,對不同被動技術的效果進行了評價。具體結果如下：

1)在非供暖時段,當室外空氣焓值低于室內空氣焓值時可以進行開窗通風,隨著通風量的增大全年自然室溫處于舒適區間的時長增大。當通風次數達到5次/h時全年自然室溫處于舒適區的時長為2 819 h約為4個月,比基準建筑的舒適時長增長了556 h,約23 d。所以,建議采用適當通風措施使增加室內換氣次數,具有較好的節能效果,但要注意室內風速不宜過大。

2)全年固定遮陽系數對整體舒適時長的影響并不顯著,因此,建議使用可調遮陽系數的遮陽系統,并根據當地的氣候條件適時調整遮陽系數。

3)蒸發冷卻降溫可以有效延長舒適時長,減少空調的開啟時間,但在使用時要注意蒸發降溫方式會造成空氣的含濕量增大,舒適時長并不會一直隨著降溫程度的增大而增大。