牟 宇，吳佳艷，丁 德

(杭州浙大精創(chuàng)建筑節(jié)能科技有限公司,浙江 杭州 310027)

1 背 景

自然通風(fēng)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(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中必不可少的要素。已有研究表明,辦公建筑自然通風(fēng)每年可節(jié)約空調(diào)能耗14～41 kWh/m2[1]。《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50378—2014)》中第8.2.10條規(guī)定公共建筑在過(guò)渡季典型工況下主要功能房間平均自然通風(fēng)換氣次數(shù)不小于2次/h，達(dá)到一定面積比例,可取得相對(duì)應(yīng)的分?jǐn)?shù),最高可得13分[2],權(quán)重較大。由此可見(jiàn)，自然通風(fēng)對(duì)建筑節(jié)能與舒適性的重要性。

自然通風(fēng)技術(shù)具有很強(qiáng)的氣候特性,不同氣候地區(qū)對(duì)應(yīng)用自然通風(fēng)的潛力不盡相同,自然通風(fēng)在當(dāng)?shù)貧夂驐l件下的有效時(shí)數(shù)越長(zhǎng),則說(shuō)明當(dāng)?shù)刈匀煌L(fēng)節(jié)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(qū)。浙江省《居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(DB 33/1015—2015)》將浙江省建筑節(jié)能設(shè)計(jì)分為南、北兩個(gè)氣候分區(qū),南區(qū)歷年逐月平均溫度均要高于北區(qū)。以杭州(氣候北區(qū)城市)和溫州(氣候南區(qū)城市)為例,溫州過(guò)渡季平均溫度較杭州高出1℃～3℃,這就導(dǎo)致針對(duì)上述兩個(gè)城市實(shí)施自然通風(fēng)的適用時(shí)間不一致。

本文針對(duì)浙江省杭州、溫州兩個(gè)城市的氣候特點(diǎn)，分別進(jìn)行動(dòng)態(tài)耦合能耗分析法得出浙江省不同氣候區(qū)域的自然通風(fēng)有效時(shí)數(shù),并通過(guò)全年逐時(shí)模擬計(jì)算對(duì)典型辦公建筑自然通風(fēng)節(jié)能潛力進(jìn)行分析。動(dòng)態(tài)耦合能耗分析法是通過(guò)自然通風(fēng)與熱環(huán)境的耦合計(jì)算得出建筑的全年自然通風(fēng)風(fēng)量和空調(diào)能耗,可以較為精確地分析建筑節(jié)能量[4]。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo),本文選取一棟典型辦公建筑,應(yīng)用eQuest軟件進(jìn)行模擬計(jì)算,eQuest軟件是為數(shù)不多的可將自然通風(fēng)與熱環(huán)境耦合的計(jì)算工具。

2 物理模型及模擬參數(shù)設(shè)置

2.1 物理模型

本文選取一個(gè)典型南北朝向的板式辦公樓作為研究對(duì)象,建筑標(biāo)準(zhǔn)層平面圖見(jiàn)圖1。該項(xiàng)目總建筑面積9 328 m2,地上11層,總高度51.6 m,體形系數(shù)0.21。在不影響自然通風(fēng)節(jié)能分析結(jié)果的前提下,對(duì)模型進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化,由于各層使用功能一致,因此將物理模型各層均簡(jiǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)層,簡(jiǎn)化的物理模型見(jiàn)圖2。

圖1 建筑平面布置圖

2.2 模擬參數(shù)輸入

氣象參數(shù)選取中國(guó)氣象數(shù)據(jù)集中杭州和溫州地區(qū)的典型氣象年數(shù)據(jù)。本項(xiàng)目圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 eQuest物理模型

表1 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)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(guān)參數(shù)見(jiàn)表2。建筑周一至周五運(yùn)行,周六、周日休息,人員、燈光、設(shè)備作息時(shí)間及房間溫度逐時(shí)設(shè)定值均按照《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(GB 50189—2015)》附錄B進(jìn)行設(shè)置,見(jiàn)圖3、圖4?？照{(diào)冷熱源采用多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng),制冷能效比3.4,制熱能效比3.8。

表2 房間參數(shù)設(shè)定

圖3 人員、照明、設(shè)備作息

圖4 室內(nèi)設(shè)定溫度

3 自然通風(fēng)舒適度區(qū)間

余貞貞等[5]總結(jié)了眾多學(xué)者及機(jī)構(gòu)對(duì)自然通風(fēng)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(fēng)條件下,80%人群舒適性滿意(Ⅱ級(jí)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(fēng)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(nèi)干球溫度,℃；

tr為室內(nèi)平均輻射溫度,℃。

根據(jù)Nadine Walikewitz等[6]人研究成果,絕大多數(shù)情況下,建筑室內(nèi)干球溫度與室內(nèi)平均輻射溫度差異不大,因此室內(nèi)干球溫度可近似等于操作溫度。有研究表明當(dāng)過(guò)渡季室外溫度處于14℃～22℃時(shí)[7],自然通風(fēng)較為有效。浙江省《居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(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(qū)間或接近這個(gè)區(qū)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(nèi)干球溫度計(jì)算值。通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比,杭州、溫州兩地區(qū)各月適宜自然通風(fēng)的室內(nèi)溫度區(qū)間基本一致,11月份差異最大,僅為0.8℃。將表3溫度計(jì)算值輸入eQuest軟件,控制自然通風(fēng)的啟動(dòng)條件。以杭州3月份為例,室溫小于17.8℃時(shí),門(mén)窗關(guān)閉, 開(kāi)啟空調(diào)制熱；當(dāng)室溫介于17.8℃～24.8℃之間時(shí)開(kāi)啟門(mén)窗,關(guān)閉空調(diào)； 當(dāng)室溫高于24.8℃時(shí)關(guān)閉門(mén)窗,開(kāi)啟空調(diào)并制冷。

表3 80%人群滿意室內(nèi)逐月干球溫度 ℃

4 建筑自然通風(fēng)有效時(shí)數(shù)

自然通風(fēng)有效時(shí)數(shù)為建筑在某一時(shí)段可利用自然通風(fēng)抵消室內(nèi)冷負(fù)荷的全部小時(shí)數(shù)。由于各層、各朝向的逐時(shí)負(fù)荷特點(diǎn)均不相同,若要分析自然通風(fēng)在某一時(shí)間段是否能抵消冷負(fù)荷,則需要選取某一特定空調(diào)分區(qū)來(lái)研究自然通風(fēng)的節(jié)能量,本文選取標(biāo)準(zhǔn)層北側(cè)辦公空間作為研究對(duì)比對(duì)象。通過(guò)對(duì)該建筑全年動(dòng)態(tài)模擬,總結(jié)出杭州各月份適宜自然通風(fēng)的有效時(shí)數(shù)和各月有效時(shí)數(shù)占建筑運(yùn)行時(shí)間的百分比,見(jiàn)表4。杭州過(guò)渡季自然通風(fēng)有效時(shí)數(shù)比溫州地區(qū)高100 h左右。各月份有效時(shí)數(shù)差異也較大,春季,杭州3月份僅有29%的時(shí)間適宜自然通風(fēng),而溫州地區(qū)比例達(dá)到68%,溫州較杭州自然通風(fēng)可略早介入；從5月、6月數(shù)據(jù)看,由于溫州較杭州氣溫高,因此可利用的時(shí)間也比杭州少一些。秋季杭州10月較適宜自然通風(fēng),有效通風(fēng)時(shí)間百分比達(dá)到85%,而溫州則是在11月較為適宜,比例高達(dá)89%。杭州在4月、5月、10月自然通風(fēng)最為有效,而溫州則是在3月、4月、11月,兩地區(qū)自然通風(fēng)適宜月份有明顯差異。

表4 自然通風(fēng)有效時(shí)數(shù)及其百分比

5 建筑自然通風(fēng)節(jié)能量分析

表5給出了建筑在非自然通風(fēng)和自然通風(fēng)兩種工況下,杭州和溫州兩種氣候條件下空調(diào)制冷能耗對(duì)比。由表中數(shù)據(jù)可知,該建筑在溫州地區(qū)年制冷能耗為181×103kWh/年；杭州地區(qū)年制冷能耗為162×103kWh/年。利用自然通風(fēng)手段,溫州地區(qū)可節(jié)約22×103kWh/年,折合電費(fèi)約2萬(wàn)元,占總制冷能耗比重約12%；杭州地區(qū)可節(jié)約32×103kWh/年,折合電費(fèi)約3萬(wàn)元,占總制冷能耗比重約20%。以上分析表明,針對(duì)辦公建筑杭州地區(qū)過(guò)渡季利用自然通風(fēng)對(duì)降低制冷能耗更為有效,而溫州由于地處浙江南區(qū),過(guò)渡季溫度較高,因此利用自然通風(fēng)帶來(lái)的節(jié)能效果不如浙江省北區(qū)明顯。

表5 建筑自然通風(fēng)與非自然通風(fēng)工況制冷能耗比較 kWh×103

6 結(jié) 語(yǔ)

本文以一幢板式辦公樓為例,針對(duì)自然通風(fēng)和非自然通風(fēng)兩種工況,利用能耗模擬軟件eQuest,對(duì)浙江省北區(qū)(杭州為例)和浙江省南區(qū)(溫州為例)兩種氣候條件下進(jìn)行了全年動(dòng)態(tài)能耗模擬,得出以下結(jié)論：

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

2) 杭州地區(qū)年自然通風(fēng)有效時(shí)數(shù)比溫州地區(qū)高100 h左右,杭州在4月、5月、10月自然通風(fēng)最為有效,而溫州則是在3月、4月、11月,兩地區(qū)自然通風(fēng)適宜月份有明顯差異。

3) 辦公建筑利用自然通風(fēng)在杭州地區(qū)年可節(jié)約20%的空調(diào)制冷能耗,在溫州地區(qū)年可節(jié)約12%的空調(diào)制冷能耗。節(jié)能效果在兩個(gè)地區(qū)均比較可觀,浙江省北區(qū)自然通風(fēng)節(jié)能量更高,更適宜利用自然通風(fēng)來(lái)降低室內(nèi)冷負(fù)荷。