葉劍軍（1.上海市建筑科學(xué)研究院有限公司， 上海 200218；2.重慶市斯勵(lì)博工程咨詢有限公司， 重慶 401147）

我國(guó)于 2020年在聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論會(huì)上首次提出碳達(dá)峰、碳中和（“雙碳”）目標(biāo)，自此“雙碳”目標(biāo)已成為國(guó)家生態(tài)發(fā)展戰(zhàn)略的主要行動(dòng)目標(biāo)。建筑行業(yè)發(fā)展超低能耗建筑，作為“十四五”期間助力“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)實(shí)施路徑的重要舉措之一，已成為行業(yè)共識(shí)。自然通風(fēng)策略是建筑被動(dòng)式設(shè)計(jì)中的重要組成環(huán)節(jié)。相關(guān)熱壓風(fēng)壓驅(qū)動(dòng)的自然通風(fēng)設(shè)計(jì)方法也被廣泛地采用，并制定了相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，如 DBJ50/T-372—2020《大型公共建筑自然通風(fēng)應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》。

在實(shí)際的工程實(shí)踐中常常面臨幾個(gè)問題：①建筑方案形成中并未引入自然通風(fēng)理念，而在方案基本確定后，引入自然通風(fēng)設(shè)計(jì)策略，往往會(huì)對(duì)前期建筑方案產(chǎn)生較大影響，有時(shí)是顛覆性的；②場(chǎng)館類公共建筑往往是由以大空間分布為主的主體功能區(qū)和以小空間隔斷的輔助辦公區(qū)的組合而成的多功能區(qū)域建筑，其中小空間辦公區(qū)往往需要視覺和聽覺的私密性，無法應(yīng)用通透的設(shè)計(jì)策略；③當(dāng)?shù)爻Ｄ隁夂蛳拗?，風(fēng)速不大，可利用風(fēng)壓全年時(shí)長(zhǎng)不高。這些問題均制約了自然通風(fēng)技術(shù)在實(shí)際工程的應(yīng)用。因此，需要一套適合于共性條件的普適的自然通風(fēng)設(shè)計(jì)與控制策略。

1 自然通風(fēng)與室內(nèi)熱環(huán)境關(guān)系

1.1 自然通風(fēng)狀態(tài)下的熱舒適要求

根據(jù) ANSI/ASHRAE 55a—2011《人類居住的熱環(huán)境條件標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定：“人的熱舒適區(qū)間上限為 26.0 ℃，濕球溫度上限為 20.0 ℃?！痹诳紤]緯度因素的影響后，可修正舒適上限為 26.8 ℃。在考慮室內(nèi)風(fēng)速的影響后，舒適性區(qū)間可再次進(jìn)行修正：如果室內(nèi)風(fēng)速流場(chǎng)為 0.2、0.5、1.0 m/s 時(shí)，舒適上限可分別增加 1.1、2.3、3.3 K，進(jìn)而得出本次分析過程中室外舒適性溫度區(qū)域。

1.2 全年自然通風(fēng)的可利用小時(shí)數(shù)潛力分析

由于室內(nèi)存在內(nèi)熱源，假定室內(nèi)外溫差為 0.5 K，那么對(duì)于全年室外氣候條件下，根據(jù)項(xiàng)目當(dāng)?shù)貧夂蛑饡r(shí)室外溫度的變化，以及自然通風(fēng)條件下，熱舒適條件在干球溫度 14～28 ℃，濕球溫度≤20 ℃ ，可以統(tǒng)計(jì)出全年各月滿足使用自然通風(fēng)策略的小時(shí)數(shù)。各月自然通風(fēng)潛力小時(shí)數(shù)分析見表 1。

表1 某地各月自然通風(fēng)潛力小時(shí)數(shù)分析

1.3 自然通風(fēng)策略

根據(jù)上述自然通風(fēng)條件下熱舒適度的范圍模型，自然通風(fēng)對(duì)于提高室內(nèi)熱舒適度的作用在于既可以及時(shí)排除室內(nèi)余熱，降低室內(nèi)相對(duì)于室外的溫升，又可以在室內(nèi)人活動(dòng)區(qū)域形成一定的風(fēng)速，提高室內(nèi)人員的熱舒適度。

1.3.1 自然通風(fēng)策略基本方法

自然通風(fēng)是在壓差推動(dòng)下的空氣流動(dòng)。根據(jù)壓差形成的機(jī)理，自然通風(fēng)可以分為風(fēng)壓作用下的通風(fēng)和熱壓作用下的自然通風(fēng)。在建筑的自然通風(fēng)設(shè)計(jì)中,風(fēng)壓通風(fēng)與熱壓通風(fēng)往往是互為補(bǔ)充、密不可分的。一般來說，在建筑進(jìn)深較小的部位多利用風(fēng)壓來直接通風(fēng)，而進(jìn)深較大的部位則多利用熱壓來達(dá)到通風(fēng)效果。

1.3.2 大空間區(qū)域自然通風(fēng)設(shè)計(jì)

在實(shí)際工程項(xiàng)目中，根據(jù) DBJ 50/T-372—2020 的要求，自然通風(fēng)的設(shè)計(jì)任務(wù)即是在建筑室內(nèi)選擇項(xiàng)目中對(duì)層高高于 7 m 的室內(nèi)區(qū)域，合理的設(shè)計(jì)建筑上下部開口方位（根據(jù)風(fēng)向，盡量導(dǎo)入室外氣流）、高度以及開口大?。ㄐ纬勺銐虻臒釅汉屯L(fēng)量）。并在可能的情況下，在合理位置設(shè)置一定尺寸的通風(fēng)井、排風(fēng)帽和利用局部太陽能加熱，強(qiáng)化熱壓作用的拔風(fēng)效果。

1.3.3 其余區(qū)域自然通風(fēng)設(shè)計(jì)

實(shí)際公共場(chǎng)館建筑除了存在有利于熱壓風(fēng)壓作用的高大空間之外，還有較多區(qū)域作為附屬的空間。這些空間往往高度較低，進(jìn)深較大，數(shù)量較多，分布較為集中，在自然通風(fēng)設(shè)計(jì)中往往容易忽視。針對(duì)這些低空間、進(jìn)深大、數(shù)量較多且集中的區(qū)域，無法利用自然的動(dòng)力達(dá)到通風(fēng)的效果，可以考慮采用機(jī)械通風(fēng)的方式引入外部溫度適宜的空氣，在滿足一定新風(fēng)量的條件下，及時(shí)排除室內(nèi)余熱，使室內(nèi)空氣溫度滿足舒適條件；同時(shí)，建議設(shè)置吊扇等室內(nèi)機(jī)械裝置，增加室內(nèi)人體活動(dòng)區(qū)域的風(fēng)速，以滿足室內(nèi)溫度落在 26～28 ℃ 的臨界區(qū)間內(nèi)的舒適度要求，如圖 1 所示。

圖1 多區(qū)域場(chǎng)館建筑的自然通風(fēng)設(shè)計(jì)策略流程

1.3.4 自然通風(fēng)控制策略

由于自然通風(fēng)模式下，各開口狀態(tài)、排風(fēng)風(fēng)機(jī)狀態(tài)、新風(fēng)系統(tǒng)狀態(tài)與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)均有所不同，因此需要通過一套控制邏輯，根據(jù)室內(nèi)外溫濕度狀態(tài)的不同，通過對(duì)自然通風(fēng)模式進(jìn)行控制，將室內(nèi)余熱排出室外，降低室內(nèi)溫度，增加人體活動(dòng)區(qū)域的風(fēng)速，拓寬舒適區(qū)溫度范圍。自然通風(fēng)控制邏輯如圖 2 所示。

圖2 多區(qū)域場(chǎng)館建筑的自然通風(fēng)控制邏輯流程

2 節(jié)能量評(píng)估方法

進(jìn)行自然通風(fēng)設(shè)計(jì)，強(qiáng)化自然通風(fēng)效果，目的是增加非空調(diào)運(yùn)行的時(shí)間，減少因空調(diào)開啟導(dǎo)致的能源消耗。自然通風(fēng)節(jié)能效益預(yù)測(cè)方法的基本思想，是利用能耗模擬軟件，先對(duì)建筑在基本工況下的全年能耗進(jìn)行模擬，獲得全年累計(jì)能耗值，再對(duì)建筑在自然通風(fēng)控制邏輯下的全年能耗進(jìn)行模擬，兩者之差即為自然通風(fēng)的全年節(jié)能量。

（1）基準(zhǔn)能耗計(jì)算方法。假定全年室外氣溫狀態(tài)下，建筑不存在任何開窗通風(fēng)措施，室內(nèi)余熱僅由圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱的方式達(dá)到整體平衡。因此，室內(nèi)外經(jīng)常存在 5 K 左右的溫差（視具體建筑有所不同）。當(dāng)室內(nèi)溫度超過 26 ℃ 時(shí)，即室外溫度超過 21 ℃ 時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)開啟，模擬計(jì)算每個(gè)空調(diào)小時(shí)內(nèi)的能耗，并進(jìn)行全年累計(jì)計(jì)算。

（2）自然通風(fēng)因素情況下的計(jì)算方法。當(dāng)建筑允許通過開啟上下開口、排風(fēng)裝置以及新風(fēng)系統(tǒng)的方式，利用自然室外冷源排除室內(nèi)余熱，使得室外溫度在 16～28 ℃，均不需開啟空調(diào)。同樣當(dāng)室外溫度超過 28 ℃ 之后，空調(diào)系統(tǒng)開啟，模擬計(jì)算每個(gè)空調(diào)小時(shí)內(nèi)的能耗，并進(jìn)行全年累計(jì)計(jì)算。

（3）其他應(yīng)考慮的因素。在進(jìn)行能耗模擬的時(shí)候，需要結(jié)合公共建筑的運(yùn)行特點(diǎn)，選擇符合實(shí)際且對(duì)比模型一致的空調(diào)開啟時(shí)間，設(shè)置與實(shí)際相符的冷水機(jī)組在部分負(fù)荷下的能效曲線參數(shù)。

3 案例分析

重慶某展示館項(xiàng)目，建筑主要功能分區(qū)包括科普展覽區(qū)、科普影廳、公共區(qū)、辦公區(qū)、后勤服務(wù)區(qū)等。總用地面積 22450.32 m2，總建筑面積 28460.00 m2（地上建筑面積 21763.00 m2，地下建筑面積 6697.00 m2）。本項(xiàng)目平面圖如圖 3 所示，具體功能分布見表 2。

圖3 重慶某展示館平面圖

表2 重慶某展示館主要功能房間及所在位置樓層

因建筑自身?xiàng)l件所限，完全依靠自然通風(fēng)來實(shí)現(xiàn)過渡季不通過空調(diào)系統(tǒng)從而獲得熱舒適的狀態(tài)非常困難，在無法通過開足夠面積的窗洞或者以拔風(fēng)井等形式誘導(dǎo)自然通風(fēng)的情況下，本自然通風(fēng)方案為在一層（＋夾層）展廳和二層（＋三層）綜合大廳盡可能多地開窗，實(shí)現(xiàn)部分自然通風(fēng)，達(dá)到節(jié)約能耗的目的。一層（＋夾層）展廳是上下兩層連通的一個(gè)大空間，設(shè)置幕墻上下有窗，依靠熱壓進(jìn)行單側(cè)自然通風(fēng)。二層（＋三層）綜合大廳同樣是上下連通的一個(gè)大空間，在西向同樣設(shè)置幕墻上下有窗，另外在建筑的東側(cè)也有位置可開窗，因此綜合大廳部分可依靠熱壓進(jìn)行單側(cè)自然通風(fēng)，部分可利用穿堂風(fēng)風(fēng)壓實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)通過軟件模擬計(jì)算。對(duì)于其他區(qū)域的空間，目前自然通風(fēng)的效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求，需配合機(jī)械通風(fēng)方式。本項(xiàng)目設(shè)置了雙風(fēng)機(jī)全空氣空調(diào)機(jī)組或單風(fēng)機(jī)全空氣空調(diào)機(jī)組＋排風(fēng)機(jī)，過渡季節(jié)可以通過焓值控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)可變新風(fēng)比直至全新風(fēng)工況。

大空間熱壓驅(qū)動(dòng)的自然通風(fēng)以及其他局部區(qū)域的機(jī)械輔助通風(fēng)方式的組合通風(fēng)模式，使項(xiàng)目最大可能的利用自然通風(fēng)的節(jié)能潛力。依據(jù)模擬計(jì)算的結(jié)果，全年通過自然通風(fēng)節(jié)能（電）約 2.8 萬 kWh/a，占項(xiàng)目空調(diào)能耗的 4%。

4 結(jié)語

針對(duì)目前自然通風(fēng)設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用面臨諸多建筑內(nèi)外部空間限制條件的局限性，尤其對(duì)于場(chǎng)館建筑多功能區(qū)域、大進(jìn)深等特點(diǎn)，自然通風(fēng)理念無法落地的現(xiàn)狀，本文在分析了自然通風(fēng)條件下人體熱舒適區(qū)模型的基礎(chǔ)上，提出了在該類多區(qū)域場(chǎng)館建筑內(nèi)，針對(duì)高大空間進(jìn)行自然通風(fēng)建筑設(shè)計(jì)，針對(duì)小空間采取設(shè)置機(jī)械輔助通風(fēng)裝置達(dá)到自然通風(fēng)效果的分類設(shè)計(jì)策略以及根據(jù) 2 種空間進(jìn)行分類控制的自然通風(fēng)自動(dòng)控制邏輯。繼而提出了建筑全域內(nèi)自然通風(fēng)的全年節(jié)能量計(jì)算方法。該方法可為超低能耗建筑能耗的綜合計(jì)算，以及節(jié)能率的計(jì)算提供支撐。