王者 劉加根 林波榮 王清平 朱穎心 / WANG Zhe, LIU Jiagen, LIN Borong, WANG Qingping, ZHU Yingxin

地道通風(fēng)技術(shù)在貴安新區(qū)清控人居科技示范樓中的應(yīng)用

王者 劉加根 林波榮 王清平 朱穎心 / WANG Zhe, LIU Jiagen, LIN Borong, WANG Qingping, ZHU Yingxin

1 引言

隨著經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，中國的能耗和CO2排放量大幅上升。其中，建筑能耗和CO2排放量均超過全國總量的1/4。黨的十八大明確提出建設(shè)生態(tài)文明社會的戰(zhàn)略目標(biāo)（2012），而建筑領(lǐng)域的節(jié)能減排則是生態(tài)文明和新型城鎮(zhèn)化建設(shè)的重要組成部分，貴安生態(tài)文明創(chuàng)新園項目即是在該背景下開展的。生態(tài)文明創(chuàng)新園由貴安新區(qū)政府、清控人居建設(shè)（集團）有限公司（以下簡稱“清控人居集團”）和英國建筑研究院（Building Research Establishment，以下簡稱“BRE”）三方共建，以推動生態(tài)、低碳建筑環(huán)境行業(yè)的研究與發(fā)展，以期將該園區(qū)打造成為國際一流的生態(tài)、低碳城鎮(zhèn)化建設(shè)示范區(qū)。

清控人居科技示范樓（Tsinghua Eco-Studio，THE-Studio，以下簡稱“科技示范樓”）是創(chuàng)新園第一棟示范樓宇，建筑面積約700m2，分為上下兩層。基于園區(qū)的背景，該項目能源系統(tǒng)的設(shè)計遵循3個原則：可持續(xù)性、適應(yīng)性、示范性?？沙掷m(xù)性是指采用主動式和被動式相結(jié)合的設(shè)計策略，在滿足使用者基本需求的前提下，減小建筑的環(huán)境影響，實現(xiàn)低能耗、低排放和可持續(xù)的設(shè)計目標(biāo)。適應(yīng)性是指所采用的技術(shù)充分考慮當(dāng)?shù)刈匀粭l件的稟賦與建筑自身需求的特征。同時，考慮到項目的特殊性，科技示范樓在技術(shù)的選擇上有一定的超前性與示范性，目的是將該建筑打造成一個技術(shù)集成的展廳和數(shù)據(jù)采集的實驗平臺。

根據(jù)上述3個原則，該項目的建筑能源系統(tǒng)設(shè)計分為4個步驟。

（1）基于建筑環(huán)境模擬和負(fù)荷模擬，提出建筑隔熱、保溫和遮陽的設(shè)計建議。

（2）根據(jù)當(dāng)?shù)厥彝鈿庀髤?shù)、建筑物逐時負(fù)荷數(shù)據(jù)、當(dāng)?shù)孛窬犹攸c和居民熱舒適需求，結(jié)合動態(tài)熱舒適理論，提出空氣處理參數(shù)、選擇地道通風(fēng)系統(tǒng)、確定室內(nèi)氣流組織設(shè)計方案、使用吊扇的傳統(tǒng)設(shè)計。

（3）按照國家規(guī)范規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)，確定建筑通風(fēng)的技術(shù)方案；依據(jù)建筑物逐時負(fù)荷數(shù)據(jù)，設(shè)計地道通風(fēng)管道的尺寸，以及運行方案，設(shè)計室外空氣通過地下風(fēng)道進入會議室、辦公室等各功能房間的合理路徑。

（4）確定各個進風(fēng)口、排風(fēng)口、風(fēng)道的具體技術(shù)要求，使得室內(nèi)環(huán)境在四季均能滿足環(huán)境控制要求。其中對于地道通風(fēng)系統(tǒng)，國內(nèi)設(shè)計者相對陌生，使用的案例也不多，具有技術(shù)創(chuàng)新性。

因此，本文重點介紹該項目的地道通風(fēng)系統(tǒng)。

2 能源系統(tǒng)設(shè)計

項目首先從當(dāng)?shù)刈匀毁Y源稟賦和建筑負(fù)荷特征出發(fā)，分析適宜該

地區(qū)和該建筑的可持續(xù)建筑技術(shù)，得出能源系統(tǒng)的設(shè)計策略。本小節(jié)中貴陽的氣象數(shù)據(jù)是從中國氣象局氣象信息中心氣象資料室和清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系聯(lián)合編制的《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》（2005）中選取。

圖1 貴陽地區(qū)室外空氣溫度

圖2 貴陽逐月太陽能總輻射量

圖3 全國風(fēng)力資源情況

表1 人員長期逗留區(qū)域空調(diào)室內(nèi)設(shè)計參數(shù)

表2 不同熱舒適度等級對應(yīng)的PMV、PPD值

2.1 當(dāng)?shù)刈匀毁Y源分析

2.1.1 氣候條件研究

貴陽屬溫和地區(qū)，常年受西風(fēng)帶控制，亞熱帶濕潤溫和型氣候特征明顯：全年平均氣溫15.7℃，最熱月7月平均氣溫24.0℃，最冷月1月平均氣溫5.7℃，全年溫度變化平緩，日平均溫度波動范圍在-1.1～27.4℃之間。其氣溫極低年、標(biāo)準(zhǔn)年和極高年的室外空氣溫度情況如圖1所示。

可以看出，貴陽地區(qū)氣象條件比較溫和，夏季溫度很少突破30℃，溫和的氣象條件為自然通風(fēng)、遮陽等被動式室內(nèi)環(huán)境營造技術(shù)提供了廣泛的應(yīng)用空間。冬季最低氣溫在0℃左右，相對寒冷，有一定的建筑采暖負(fù)荷，需要通過溫度調(diào)控手段來提高室內(nèi)舒適度。

2.1.2 太陽能及風(fēng)能資源研究

貴陽全年太陽總輻射量為3 800MJ/m2，夏季太陽能總輻射量較多，冬季相對較少（圖2）。其中，水平面直射輻射量占水平面總輻射量的41%。從各朝向太陽輻射分布看，西向太陽輻射較多，占各朝向總和的41%，其次為南向，占各朝向總和的27%?？傮w而言，貴陽屬于太陽能資源相對貧瘠的地區(qū)。

貴陽地處黔中山原丘陵中部，風(fēng)能密度在50W/m2以下，風(fēng)能資源相對貧瘠（圖3）。

通過上述分析可知，貴陽地區(qū)的太陽能和風(fēng)能資源都相對貧瘠，因而在使用目前流行的可再生能源技術(shù)，如太陽能光伏發(fā)電、太陽能熱水系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電、風(fēng)光互補路燈等技術(shù)時需審慎考慮。

2.2 室內(nèi)舒適度控制

根據(jù)《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》（GB50736-2012）的規(guī)定，人員長期逗留區(qū)域空調(diào)室內(nèi)設(shè)計參數(shù)分為Ⅰ、Ⅱ級，其中，Ⅰ級熱舒適度較高，Ⅱ級熱舒適度一般（表1）。熱舒適度等級劃分按《中等熱環(huán)境PMV和PPD指數(shù)的測定及熱舒適條件的規(guī)定》（GB/T 18049）執(zhí)行，確定采用預(yù)計平均熱感覺指數(shù)（Predicted Mean Vote，PMV）和預(yù)計不滿意者的百分?jǐn)?shù)（Predicted Percentage of Dissatisf ed，PPD）進行評價（表2）。

秦蓉等（2007）的研究表明，辦公建筑提高夏季空調(diào)設(shè)定溫度，對降低建筑能耗有顯著的影響，但提高夏季室內(nèi)設(shè)定溫度，不能以

犧牲室內(nèi)舒適度為代價，在供冷穩(wěn)態(tài)條件下，溫度28℃、相對濕度60%、風(fēng)速≤0.3m/s的室內(nèi)舒適度屬于Ⅱ級，為一般舒適。羅茂輝等（2014）研究發(fā)現(xiàn)，氣流作為動態(tài)熱環(huán)境的重要參數(shù)之一，對人體熱舒適有重要影響，尤其是在偏熱環(huán)境下，適當(dāng)應(yīng)用氣流能有效改善人體熱舒適，通過增加室內(nèi)氣流擾動，能夠?qū)囟?8℃、相對濕度60%條件下的Ⅱ級熱舒適度提高為Ⅰ級（圖4）。

基于該理念，適度提高建筑室內(nèi)控制溫度至28℃，通過吊扇解決室內(nèi)氣流擾動，從而達到將室內(nèi)PMV控制在0～0.5范圍之內(nèi)的目的（圖5）。

圖4 風(fēng)速與溫度對PMV的影響（來源：羅茂輝 等，2014）

圖5 室內(nèi)吊扇設(shè)置

圖6 全年逐時負(fù)荷

圖7 DeST負(fù)荷模擬模型

2.3 建筑負(fù)荷特性分析

通過利用建筑熱環(huán)境及能耗模擬軟件DeST，輸入建筑功能、人員作息、圍護結(jié)構(gòu)熱物理參數(shù)等基本信息，模擬該建筑全年的空調(diào)負(fù)荷情況（圖6、7）。

可以看出，雖然貴陽地區(qū)室外氣象比較溫和，但由于室內(nèi)人員、設(shè)備發(fā)熱等因素，僅僅依靠自然通風(fēng)無法將室內(nèi)溫濕度控制在比較舒適的范圍內(nèi)，需要某些機械的室內(nèi)環(huán)境營造手段輔助。此外，從負(fù)荷的數(shù)值可以看出，無論是峰值還是總量，冬季采暖需求大于夏季空調(diào)需求，但總體而言，冬夏負(fù)荷比較匹配。

2.4 能源系統(tǒng)設(shè)計思路

基于貴陽地區(qū)自然資源和科技示范樓負(fù)荷特性的分析，項目提出“主動式和被動式相結(jié)合，優(yōu)先采用被動式”的能源系統(tǒng)設(shè)計思路。夏季結(jié)合當(dāng)?shù)厥牡鹊胤皆?，適度采用重型圍護結(jié)構(gòu)加強日間遮陽，通過通風(fēng)蓄冷等措施降低夜間空調(diào)負(fù)荷；冬季采用適度厚保溫，增強氣密性，通過減小體型、減少透明圍護結(jié)構(gòu)等措施降低采暖負(fù)荷。

在空調(diào)采暖方式的選擇上，基于貴陽氣候溫和、適宜自然通風(fēng)、冬夏負(fù)荷相對匹配的特點，項目選擇采用地道通風(fēng)技術(shù)。地道通風(fēng)技術(shù)是指室外空氣在送入室內(nèi)之前，先經(jīng)過一段地道。由于大地溫度比較恒定，約等于全年空氣平均溫度，因而，夏季空氣可在地道中被冷卻，冬季空氣可在地道中被加熱。地道通風(fēng)技術(shù)可以看作是自然通風(fēng)技術(shù)的“強化版”，除去風(fēng)機能耗，地道通風(fēng)不再需要其他機械制冷供熱手段，從這個意義上來說，地道通風(fēng)技術(shù)可以大幅度降低空調(diào)采暖能耗。

本質(zhì)上，地道通風(fēng)技術(shù)是將大地作為一個蓄熱的恒溫?zé)嵩矗緩拇蟮刂腥?，夏季向大地中排熱。從這一角度而言，地道通風(fēng)技術(shù)和地源熱泵、地下水源熱泵技術(shù)有異曲同工之處。事實上，近年來不少研究人員和設(shè)計者探索了地源熱泵、地下水源熱泵技術(shù)在貴陽地區(qū)應(yīng)用的可行性。比如，段啟杉等（2013）綜述了貴陽市淺層地溫能開發(fā)利用現(xiàn)狀及發(fā)展前景；李朝佳（2013）針對貴陽特殊的碳酸鹽巖地質(zhì)，進行了熱場地測試；李朝佳等（2014）將地源熱泵技術(shù)應(yīng)用到貴陽地區(qū)的一棟1 650m2的建筑，并驗證了技術(shù)可行性。然而將地道通風(fēng)技術(shù)應(yīng)用于貴陽還沒有先例，從這一角度而言，本項目具有相當(dāng)?shù)膭?chuàng)新性和探索性。

當(dāng)然，地道通風(fēng)在冬季不能完全提供建筑所需的采暖負(fù)荷，其送風(fēng)溫度也會低于室內(nèi)溫度，因此，冬季還需要采用主動能源系統(tǒng)。項目采用低碳的生物質(zhì)顆粒熱水爐系統(tǒng)，末端采用地板采暖，地道風(fēng)在冬季僅作為新風(fēng)預(yù)熱功能使用。

在空調(diào)季節(jié)，地道通風(fēng)主要負(fù)責(zé)顯熱負(fù)荷。結(jié)合地道通風(fēng)除濕能力相對有限的特點，在極端工況下（科技示范樓有較大室內(nèi)濕源，同

時有大容量的人員進入?yún)⒂^），需要輔以輔助的除濕設(shè)備，本項目依托同方人工環(huán)境有限公司（以下簡稱“同方人環(huán)”）開發(fā)的直接蒸發(fā)式地道風(fēng)新風(fēng)熱泵機組ZKW05-HP（圖8），專為地道風(fēng)系統(tǒng)提供大風(fēng)量低揚程，并輔助冷源除濕。其中蒸發(fā)盤管段做了旁通處理，只有在室內(nèi)相對濕度高于70%時才開啟除濕機組，同時為了保證室內(nèi)空氣質(zhì)量，預(yù)留了袋式中效過濾段。

圖8 同方人環(huán)ZKW05-HP機組

圖9 地道通風(fēng)系統(tǒng)模擬計算技術(shù)路線

圖10 地道通風(fēng)模擬結(jié)果

表3 地道風(fēng)運行策略

3 地道通風(fēng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)設(shè)計

貴陽全年平均空氣溫度為15.7℃，夏季可以將新風(fēng)處理到17～20℃，冬季可以將新風(fēng)處理到11～14℃。因此夏季將新風(fēng)送到室內(nèi)，可以帶走室內(nèi)負(fù)荷；而冬季，地道僅能對新風(fēng)預(yù)熱，還需要熱源對新風(fēng)加熱。夏季風(fēng)量根據(jù)所帶走的室內(nèi)負(fù)荷確定，冬季風(fēng)量按照人員最小新風(fēng)量考慮。綜合上述分析，項目最終選擇變風(fēng)量系統(tǒng)，冬季采用最小新風(fēng)，而夏季根據(jù)室內(nèi)負(fù)荷情況改變新風(fēng)量。

地道采用長度為150m、內(nèi)徑為1m的高密度聚乙烯（High Density Polyethylene，HDPE）通風(fēng)圓管，最高風(fēng)量設(shè)計為5 000m3/h，管內(nèi)設(shè)計風(fēng)速為1.77m/s。

關(guān)于地道通風(fēng)系統(tǒng)的運行，冬季采用定風(fēng)量，即最小新風(fēng)量（項目設(shè)計為50人，1 500m3/h），夏季采用3檔變速。夏季的運行策略為：根據(jù)當(dāng)日預(yù)報最高氣溫和前一天地道出風(fēng)溫度進行高、中、低3檔風(fēng)量調(diào)節(jié)。該策略的物理意義在于：當(dāng)日預(yù)報最高氣溫預(yù)測當(dāng)日的負(fù)荷，預(yù)測的最高氣溫越高，當(dāng)日負(fù)荷越大，需要增加新風(fēng)量，從而增加供冷量；前一天地道出風(fēng)溫度描述了地道的制冷能力，前一天地道出風(fēng)溫度越高，說明地道制冷能力越弱，需要增加新風(fēng)量，從而保證項目需要的供冷量。

3.2 模擬思路

本文基于Matlab平臺，編制了地道風(fēng)的仿真程序（圖9），驗證地道風(fēng)的應(yīng)用效果，包括是否能夠?qū)⑹覂?nèi)熱環(huán)境維持在控制要求的范圍，以及地道風(fēng)的供冷能力。

3.3 模擬結(jié)果

根據(jù)模擬結(jié)果，項目確定了具體的運行策略（表3），以及地道通風(fēng)管道的長度和埋深。

從地道風(fēng)夏季出風(fēng)溫度以及處理負(fù)荷情況的模擬結(jié)果可以看出：在一個供冷季，隨著地道風(fēng)運行時間的增加，地道風(fēng)的出風(fēng)溫度逐漸升高，這是因為隨著運行時間的增加，地道的蓄冷量減少，制冷能力

隨之下降（圖10-a）；項目制定的運行策略可以保證地道風(fēng)提供的冷量大于建筑物負(fù)荷，即不再需要機械制冷就可以確保夏季室內(nèi)熱環(huán)境（圖10-b）。

據(jù)此，項目還計算出了地道通風(fēng)的節(jié)能量，以及占總負(fù)荷的比例（表4）。

模擬結(jié)果顯示，該地道通風(fēng)系統(tǒng)可以實現(xiàn)54%的空調(diào)采暖能耗節(jié)省，同時全年的取熱排熱不平衡率為17%，該不平衡率可以通過地道的自然散熱實現(xiàn)平衡。

圖11 地道通風(fēng)室內(nèi)CFD模型

圖12 地道通風(fēng)室內(nèi)CFD模擬結(jié)果

表4 地道通風(fēng)節(jié)能量

3.4 地道送風(fēng)室內(nèi)環(huán)境模擬

為了驗證地道送風(fēng)室內(nèi)溫度場的分布，項目根據(jù)科技示范樓的建筑規(guī)劃方案，利用GAMBIT軟件建立1∶1室內(nèi)外風(fēng)環(huán)境模擬的三維幾何模型（圖11），室內(nèi)結(jié)構(gòu)基本未做簡化，網(wǎng)格數(shù)為200萬。

通過模擬可以發(fā)現(xiàn)：空調(diào)季節(jié)利用地道風(fēng)從室內(nèi)進風(fēng)口送入涼爽的空氣，室內(nèi)出現(xiàn)溫度分層現(xiàn)象，下層溫度較低，熱氣流受到熱浮升力的作用向房間上層移動，從房間的上方排出，地道風(fēng)的送風(fēng)溫度為20℃（圖12）。

由于地道風(fēng)送風(fēng)量較?。? 000m3/h），因此室內(nèi)分層現(xiàn)象明顯，除去人無法到達的屋頂區(qū)域外，人活動區(qū)內(nèi)的溫差在4℃以內(nèi)，可以保證室內(nèi)溫度28℃的設(shè)計目標(biāo)。整體換氣次數(shù)為1.6次/h。

4 地道通風(fēng)實施

4.1 地道通風(fēng)施工

風(fēng)道的材料選擇使用HDPE管。HDPE管具有穩(wěn)定性好、無破壞、無滲漏、施工簡便、傳熱系數(shù)高等優(yōu)點。

風(fēng)道的布置根據(jù)場地特點和建筑機房的進風(fēng)口位置進行設(shè)計（圖

13～15）。

圖13 地道通風(fēng)總平面布置

圖14 地道風(fēng)BIM模型

圖15 地道風(fēng)施工現(xiàn)場

表5 地道通風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)測點布置

4.2 地道通風(fēng)監(jiān)測與后續(xù)研究

為了充分監(jiān)控地道通風(fēng)的實際運行效果，進一步研究目前尚無定論的地道通風(fēng)承擔(dān)潛熱負(fù)荷的除濕能力，進一步認(rèn)識土壤傳熱和蓄熱特性，并將實際運行結(jié)果與模擬結(jié)果進行比對，項目還設(shè)計了比較詳細(xì)的地道通風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)（表5），以期為后續(xù)的科學(xué)研究打下堅實基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

本文基于對貴陽當(dāng)?shù)貧庀髤?shù)、資源稟賦以及科技示范樓負(fù)荷特性的分析，確定了“主動式和被動式相結(jié)合，優(yōu)先采用被動式”的能源系統(tǒng)設(shè)計思路。在具體技術(shù)上，選擇了氣候適宜性和建筑適宜性俱佳且具有相當(dāng)技術(shù)創(chuàng)新性的地道通風(fēng)技術(shù)與生物質(zhì)熱水爐供熱技術(shù)，同時針對地道風(fēng)系統(tǒng)，配合同方人環(huán)開發(fā)了一套輔助冷源除濕的直接蒸發(fā)式地道風(fēng)新風(fēng)熱泵機組。

項目編制了基于Matlab平臺的地道通風(fēng)換熱模擬程序，結(jié)合建筑熱環(huán)境及能耗模擬軟件DeST，完成了地道通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計，模擬了系統(tǒng)運行效果，確定了運行策略，并估計了節(jié)能潛力。在本案例中，地道通風(fēng)系統(tǒng)可以帶來54%的空調(diào)采暖負(fù)荷節(jié)省。

致謝

北京清華同衡規(guī)劃研究院有限公司王朝詢、段然對本文亦有貢獻。

[1]中國共產(chǎn)黨.堅定不移沿著中國特色社會主義道路前進 為全面建成小康社會而奮斗——在中國共產(chǎn)黨第十八次全國代表大會上的報告[EB/OL].（2012-11-8）[2012-11-19]http://www.xj.xinhuanet.com/2012-11/19/c_113722546.htm.

[2]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.

[3]秦蓉，劉燁，燕達，等.辦公建筑提高夏季空調(diào)設(shè)定溫度對建筑能耗的影響[J].暖通空調(diào)，2007，37（8）.

[4]羅茂輝，余娟，楊月婷.等溫工況下分體空調(diào)送風(fēng)動態(tài)化與人體熱舒適試驗研究[J].暖通空調(diào)，2014，44（5）.

[5]段啟杉，孟凡濤，宋小慶，等.貴陽市淺層地溫能開發(fā)利用現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].地下水，2013，35（1）.

[6]李朝佳.貴陽地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用試驗[J].能源與節(jié)能，2013（9）.

[7]李朝佳，李勇剛，何文君.貴陽某地埋管地源熱泵系統(tǒng)項目工程分析[J].土工基礎(chǔ)，2014，27（4）.

王者，清華大學(xué)建筑學(xué)院

劉加根，北京清華同衡規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司工程師

林波榮，清華大學(xué)建筑學(xué)院教授

王清平，同方人工環(huán)境有限公司高級工程師

朱穎心，清華大學(xué)建筑學(xué)院教授

2015-06-01

APPLICATION OF THE TUNNEL VENTILATION TECHNOLOGY IN THE-STUDIO IN GUI'AN NEW AREA

本文介紹了地道通風(fēng)技術(shù)，以及這一綠色建筑技術(shù)在貴安新區(qū)清控人居科技示范樓中的應(yīng)用。文章首先分析了貴陽地區(qū)的自然資源稟賦，討論了技術(shù)適宜性，接著基于建筑冷熱負(fù)荷分析和能耗模擬軟件以及地道通風(fēng)模擬程序，設(shè)計和模擬了該地道通風(fēng)系統(tǒng)的運行效果，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)可以實現(xiàn)54%的空調(diào)采暖負(fù)荷節(jié)省。文章最后介紹了該地道通風(fēng)系統(tǒng)的實施情況。

This paper introduces the application of the tunnel ventilation technology in the THE-STUDIO (Tsinghua Eco-Studio) in Gui'an new area, Guiyang. The paper, f rst of all, analyzes the climate and natural resources of Guiyang, and based on which, it discusses the appropriate green building technology. Then on the basis of the building cooling and heating load analysis, energy simulation software and tunnel ventilation simulation program, the performance of tunnel ventilation system is designed and simulated, revealing that the system can achieve 54% of the air conditioning heating load savings. Finally, it introduces the implementation of the tunnel ventilation system.

地道通風(fēng)技術(shù) 綠色建筑 貴陽 模擬

Tunnel Ventilation Technology, Green Building, Guiyang, Simulation

浙江省科技計劃項目“夏熱冬冷地區(qū)綠色低碳建筑關(guān)鍵和共性技術(shù)研發(fā)及示范”（編號：2012C01030-2）。