衛(wèi)軍鋒 趙興 張少良 董巧慧

中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計研究院有限公司

隨著人們對物質(zhì)生活要求的不斷提高，大量娛樂性建筑異軍突起，比如可在室內(nèi)享受陽光沙灘、水上漂流、溫泉等設(shè)施的室內(nèi)水樂園。為了達(dá)到美觀等建筑外在形體要求，室內(nèi)水樂園多采用大面積玻璃幕墻，因此高能耗、高運行費用成為其一大特點。被動式節(jié)能技術(shù)是實現(xiàn)綠色建筑的第一手段。與主動式節(jié)能技術(shù)相比，被動式節(jié)能技術(shù)可從根本上降低建筑物的全年能耗，且應(yīng)用成本低，節(jié)能效果明顯。對于嚴(yán)寒地區(qū)來說，被動式節(jié)能措施還包括增大外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱阻、加強(qiáng)窗戶的遮陽與自然通風(fēng)效果等。

本文以長春市某室內(nèi)水樂園為例，在建筑整體方案和外立面效果均已確定的前提下，在嚴(yán)寒地區(qū)室內(nèi)水樂園采用屋面玻璃天窗的內(nèi)遮陽和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的自然通風(fēng)這兩種被動式節(jié)能技術(shù)，通過CFD模擬不同工況下水樂園室內(nèi)氣流組織和溫度場分布情況，在滿足人體舒適度前提下探討被動式節(jié)能的實際效果。

1 工程概況

1.1 項目概況

項目位于吉林省長春市，北面緊鄰溫泉酒店。水樂園長161m、寬92m，屋面最高點距地面35m，功能以戲水為主，包含造浪池、過山車、水寨及漂流河等設(shè)施。外墻采用加氣混凝土砌塊加保溫，K=0.31W/（m2·K），外窗采用Low-E+白玻中空4+9A+4Low-E和斷橋鋁5+12A+5Low-E，K分別為2.06W/（m2·K）和2.4W/（m2·K）；屋頂為弧形屋面，透明部分為雙銀Low-E中空玻璃，氬氣層12mm，K=1.86W/（m2·K），透明部分面積占屋面面積的28%。

1.2 氣象條件

長春市的建筑氣候區(qū)劃屬于嚴(yán)寒C區(qū)，冬季寒冷而漫長，夏季涼爽而短促，全年溫差高達(dá)60℃。從長春市全年逐時干球溫度可以看出長春市夏季及過渡季干球溫度基本在30℃以下，僅有52h干球溫度超過了30℃，為自然通風(fēng)提供了絕佳的條件。同時，通過觀察長春市全年逐時水平面上太陽直射輻射強(qiáng)度，我們發(fā)現(xiàn)該地太陽輻射強(qiáng)度較強(qiáng)，有972h太陽直射輻射強(qiáng)度大于500W/（m2·h）。

2 屋面玻璃天窗的內(nèi)遮陽

從長春市的氣象參數(shù)可以看出，全年逐時水平面上太陽直射輻射強(qiáng)度較高，尤其是夏季太陽輻射熱占室內(nèi)得熱量比重較大，在屋面玻璃天窗內(nèi)設(shè)置內(nèi)遮陽成為節(jié)能的重要措施。水樂園屋頂天窗采用內(nèi)含12mm氬氣層的雙銀Low-E中空玻璃與PA斷橋鋁合金，K=1.86W/（m2·K），太陽得熱系數(shù)為0.47。考慮到水樂園室內(nèi)的裝飾效果，在玻璃天窗的內(nèi)表面設(shè)置白色織物面料用于內(nèi)遮陽，遮陽系數(shù)為0.5。

2.1 模型設(shè)置

首先對該水樂園進(jìn)行三維建模，由于水樂園內(nèi)水面形狀不規(guī)則，建模時我們將其簡化為等面積的矩形組合，其他尺寸與實際尺寸一致，用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。太陽光照射到玻璃天窗上時有反射、吸收、透射三種方式，玻璃天窗吸收太陽光后形成潛熱負(fù)荷，通過玻璃天窗透射到室內(nèi)的太陽光形成顯熱負(fù)荷。為簡化模擬，本文將通過玻璃天窗的太陽輻射負(fù)荷折合到地面上作為熱源進(jìn)行模擬。

1 水樂園室內(nèi)場景

2 水樂園總平面圖

業(yè)主：長春復(fù)華文化旅游發(fā)展有限公司

建設(shè)地點：吉林省長春市

建筑設(shè)計：中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計研究院建筑設(shè)計二所

項目負(fù)責(zé)人：張林振、狄明

設(shè)計團(tuán)隊：尹靈、涂欣（設(shè)計主持人）；吳冰（建筑）；邢萬里（結(jié)構(gòu)）；

王巖（給排水）；黃凌潔（電氣）；衛(wèi)軍鋒、趙興、張少良、董巧慧（暖通）

總建筑面積：16 973.05m2

項目狀態(tài)：施工中

設(shè)計時間：2017.04

圖片版權(quán)：中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計研究院建筑設(shè)計二所

2.2 遮陽前后模擬結(jié)果分析

長春市夏季室外通風(fēng)計算溫度為26.6℃，將此溫度作為水樂園進(jìn)風(fēng)口的進(jìn)風(fēng)溫度進(jìn)行模擬，可以得到玻璃天窗采用內(nèi)遮陽前后水樂園的空氣溫度分布圖，可以看出：

（1）水樂園屬于高大空間建筑，空氣溫度分層效果明顯。玻璃天窗遮陽前，進(jìn)風(fēng)口下部空氣溫度為30～34℃，上部空氣溫度可達(dá)36℃；玻璃天窗遮陽后，進(jìn)風(fēng)口下部空氣溫度為28～30℃，上部空氣溫度為30～31℃。

（2）人員活動區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)風(fēng)口附近溫度低，北側(cè)氣流盲區(qū)溫度較高。玻璃天窗遮陽前，人員活動區(qū)溫度在32～35℃范圍內(nèi)，北側(cè)最高溫度可達(dá)37℃；玻璃天窗遮陽后，人員活動區(qū)溫度在29～30℃范圍內(nèi)，北側(cè)局部溫度高于31℃。

因此，相較于玻璃天窗無遮陽的工況，水樂園內(nèi)人員活動區(qū)的溫度有明顯降低，降低幅度約3～5℃。數(shù)據(jù)表明，玻璃窗遮陽對減少建筑物冷負(fù)荷、降低建筑物內(nèi)溫度值有非常明顯的作用，是一種有效的綠色節(jié)能方式。

3 長春市全年逐時干球溫度和逐時水平面上太陽直射輻射強(qiáng)度

4 某水樂園x=0m 處溫度分布

5 某水樂園據(jù)地面1.8m 處溫度分布

6 水樂園屋頂天窗效果圖

7 水樂園南立面處網(wǎng)格示意圖

8 水樂園北立面處網(wǎng)格示意圖

9 窗戶全開時，某水樂園據(jù)地面1.8m 處溫度分布

10 窗戶全開時，某水樂園x=0m 處溫度分布

11 室外溫度為9℃窗戶部分開時，某水樂園溫度分布

3 自然通風(fēng)

長春市夏季室外通風(fēng)計算溫度為26.6℃，較為涼爽，因此可通過自然通風(fēng)解決室內(nèi)的余熱問題。依據(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），長春市夏季主導(dǎo)風(fēng)向為西南偏西風(fēng)，為充分利用自然通風(fēng)，在水樂園南立面設(shè)置低窗作為進(jìn)風(fēng)口，進(jìn)風(fēng)口尺寸136.7m×1.5m，底距地面4m（南側(cè)為附屬用房及設(shè)備機(jī)房，高度為4m），在北立面設(shè)置高窗作為出風(fēng)口，風(fēng)口尺寸121.5m×1.5m，底距地面27.2m，外窗戶均為平開窗，可以完全開啟，利用風(fēng)壓及熱壓作用完成自然通風(fēng)。為研究一年內(nèi)自然通風(fēng)的使用時長，我們選取了兩個極限工況進(jìn)行模擬研究。工況一為水樂園所有窗戶都打開，室外溫度達(dá)到多少時，水樂園內(nèi)人員活動區(qū)的溫度可滿足舒適度要求；工況二為僅部分窗戶打開，室外溫度達(dá)到多少時，水樂園內(nèi)人員活動區(qū)的溫度可滿足舒適度要求且符合衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)下人員所需新風(fēng)量。

3.1 模型設(shè)置

對水樂園外輪廓建模（與遮陽模型一致），特別在進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口和水面附近進(jìn)行加密處理，得到水樂園南北立面處網(wǎng)格示意圖。

3.2 窗戶全部打開

在窗戶全開的情況下，首先用長春市夏季室外通風(fēng)計算溫度26.6℃進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)室內(nèi)溫度略微偏高，因此將進(jìn)風(fēng)口溫度降低后重新進(jìn)行模擬，得到水樂園室內(nèi)空氣溫度分布圖。

當(dāng)室外溫度為25℃時，人員活動區(qū)的溫度大部分在27～29.5℃，北部局部溫度高于30℃；水樂園進(jìn)風(fēng)口下部空氣溫度較低，約為27～29℃，隨著高度的增加空氣溫度不斷上升，水樂園上部溫度為29～30℃。

因此，當(dāng)室外溫度為25℃時，人員活動區(qū)溫度滿足自然通風(fēng)狀態(tài)下室內(nèi)設(shè)計溫度為25～29℃的要求。即室外溫度為25℃及以下時，可以通過自然通風(fēng)帶走水樂園內(nèi)多余的熱量而不用開啟空調(diào)。

3.3 窗戶部分開啟

過渡季節(jié)室外溫度較低，若將所有窗戶都打開，室內(nèi)溫度也隨之降低，戲水的游客會有明顯的吹風(fēng)感，不符合人體的舒適度要求。因此隨著室外溫度的降低，窗戶也要隨之部分關(guān)閉，但最終窗戶開啟面積需滿足水樂園內(nèi)按衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的人員最小新風(fēng)量。經(jīng)過多次不同工況下的模擬實驗，我們假設(shè)進(jìn)風(fēng)口的溫度是9℃，窗戶的開啟面積為總面積的九分之一，通過模擬得到了該工況下水樂園的空氣溫度分布圖。

可以看出：1）人員活動區(qū)的溫度大部分在28～29℃，北部局部點溫度高于29℃；2）水樂園進(jìn)風(fēng)口下部空氣溫度較低，約為22～28℃，隨著高度的增加空氣溫度不斷上升，水樂園上部溫度為29℃。需注意的是，由于過渡季室外溫度低，進(jìn)風(fēng)口附近溫度也較低，其數(shù)值約等于室外溫度，但該水樂園進(jìn)風(fēng)口底部標(biāo)高4m，因而不會直接受到室外冷空氣的侵襲。觀察模擬結(jié)果還可發(fā)現(xiàn)，該工況下進(jìn)/排風(fēng)口的新風(fēng)量為17.91m3/s，當(dāng)水樂園人數(shù)為2 000人時，人均新風(fēng)量為32.23m3/h，滿足人員衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)新風(fēng)量的要求。

綜上，該工況下人員活動區(qū)溫度滿足自然通風(fēng)狀態(tài)下室內(nèi)設(shè)計溫度為25～29℃的要求。

12 室內(nèi)沙灘效果圖

4 運行費用

假設(shè)水樂園的營業(yè)時間為8:00～22:00，每天營業(yè)14h。長春市空調(diào)季為6月1日～8月31日，共92天，夏季工作時長為1 288h。長春市過渡季為4月11日～5月31日和9月1日～10月19日，共100天，過渡季工作時長為1 400h。

根據(jù)上文模擬分析可知，當(dāng)室外空氣溫度tw≤25℃時，即可采用自然通風(fēng)降低夏季室內(nèi)溫度；當(dāng)室外空氣溫度tw≥9℃時，可采用自然通風(fēng)降低過渡季室內(nèi)的溫度。由圖3可知，室外空氣溫度tw≤25℃時，夏季工作時長為864h，占夏季總工作時長的67.1%；室外空氣溫度tw≥9℃時，過渡季工作時長為1 265h，占過渡季總工作時長的90.4%。

自然通風(fēng)可減少夏季空調(diào)和新風(fēng)的運行，以及過渡季時新風(fēng)機(jī)組的使用。因此，我們可以計算夏季和過渡季自然通風(fēng)狀態(tài)下節(jié)省的運行費用。表1列出了采用非人工冷熱源時需要運行的設(shè)備及其功率。假設(shè)長春市商業(yè)用電價格為0.92元/（kW·h），由此可計算出夏季和過渡季節(jié)省的運行費用為139.53萬元，占夏季過渡季總運行費用的67.85%。

表1 夏季非人工冷源設(shè)備表

13 水樂園剖面圖

14 水上娛樂效果圖

5 結(jié)論

通過對長春市某水樂園的模擬及數(shù)據(jù)分析，綠色室內(nèi)水樂園被動式節(jié)能設(shè)計結(jié)果如下：

（1）對長春市某水樂園進(jìn)行有無遮陽的模擬分析，結(jié)果表明：有遮陽的工況比未遮陽的工況人員活動區(qū)的溫度降低3～5℃。

（2）模擬長春市某水樂園的開窗百分比及室外溫度的變化來觀察水樂園內(nèi)部溫度場的分布，結(jié)果表明：當(dāng)室外空氣溫度在9℃≤tw≤25℃時，通過調(diào)節(jié)外窗的開啟面積，可完全通過自然通風(fēng)的方式達(dá)到舒適的室內(nèi)溫度。

（3）通過屋面透明部分的內(nèi)遮陽以及外窗的自然通風(fēng)兩項被動式節(jié)能設(shè)計，可節(jié)約運行費用139.53萬元，占夏季和過渡季總運行費用的67.85%。