自然通風(fēng)在夏熱冬冷地區(qū)的應(yīng)用

自然通風(fēng)在夏熱冬冷地區(qū)的應(yīng)用

0有利于改善室內(nèi)環(huán)境長(zhǎng)期以來，夏熱冬冷地區(qū)居民主要采用自然通風(fēng)改善室內(nèi)熱環(huán)境的生活方式。無論是在過渡季節(jié)還是在冬季和夏季，人們通常都會(huì)打開窗戶以增加房間的通風(fēng)。在20世紀(jì)90年代，隨著空調(diào)的普及，居民們總是打開家里可以打開的所有窗戶。秋天和夏天的晚上，人們會(huì)在外面度過寒冷，其他人則在外面度過。這一方面說明人們樂于接受自然通風(fēng)的生活方式;另一方面也說明夏熱冬冷地區(qū)的室外熱環(huán)境、空氣品質(zhì)往往長(zhǎng)時(shí)間優(yōu)于室內(nèi),引進(jìn)室外新風(fēng)有利于改善室內(nèi)環(huán)境。伴隨著人們生活水平的提高,越來越多的家庭購(gòu)置了采暖空調(diào)設(shè)備,以消耗能源的方式營(yíng)造室內(nèi)恒定的熱環(huán)境,一時(shí)間大江南北的人們關(guān)緊了門窗,縮短了在室外的活動(dòng)時(shí)間,建筑門窗的可開啟度也大幅減小,只能開啟一半的推拉窗取代了平開窗,甚至有些窗戶玻璃面很大,可開啟的窗戶卻非常小(如圖1),似乎要盡最大可能將室內(nèi)的人工環(huán)境與室外環(huán)境隔絕開。以采暖空調(diào)設(shè)備取代自然通風(fēng),在很大程度上提高了人們掌控室內(nèi)環(huán)境的能力,但也帶來了以下兩方面的問題:(1)居住建筑采暖空調(diào)能耗迅速增加,一般家庭,采暖空調(diào)一項(xiàng)的耗電就超過了所有家用電器用電量的總和,給國(guó)家的能源供給造成的壓力越來越大;(2)長(zhǎng)時(shí)間在空調(diào)環(huán)境下,空氣不流暢、干燥,沒有新風(fēng),很多人患上了“空調(diào)病”,出現(xiàn)頭暈、乏力、記憶力減退、耳鳴等癥狀,尤其是老人、小孩身體的抵抗力下降。本文擬結(jié)合數(shù)值模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法,研究分析夏熱冬冷地區(qū)自然通風(fēng)對(duì)居住建筑熱環(huán)境和能耗的影響。1建筑采暖空調(diào)設(shè)備的應(yīng)用自然通風(fēng)就是利用室外舒適的新風(fēng),帶走室內(nèi)余熱和積蓄的冷量,能夠減少采暖空調(diào)設(shè)備的啟用時(shí)間,降低建筑能耗,也有利于人的生理和心理健康;另外,夏熱冬冷地區(qū)梅雨季節(jié)長(zhǎng)達(dá)1個(gè)月,室內(nèi)悶熱潮濕、發(fā)霉,自然通風(fēng)或者輔助性機(jī)械通風(fēng)是最有效和廉價(jià)的處理手段。將冬季以18℃以上視為舒適溫度,夏季和過渡季節(jié)以26℃以下視為舒適溫度,以南京地區(qū)典型氣象年的氣候數(shù)據(jù)為例,統(tǒng)計(jì)全年8760h的逐時(shí)溫度,見圖2。經(jīng)統(tǒng)計(jì),全年室外氣溫處于舒適溫度范圍的小時(shí)數(shù)有2401h,比例27.41%。因此,可以認(rèn)為,全年有27.41%的時(shí)間室外環(huán)境實(shí)際上是滿足熱舒適要求,具備用自然通風(fēng)替代采暖空調(diào)設(shè)備的條件,有利于降低建筑能耗。自然通風(fēng)的實(shí)現(xiàn)途徑,通常有利用風(fēng)壓、利用熱壓、風(fēng)壓和熱壓相結(jié)合、機(jī)械輔助通風(fēng)等。夏熱冬冷地區(qū)的許多傳統(tǒng)民居,結(jié)合自然地形、總體局部、天井、天窗、冷巷、廊道等方面的精心設(shè)計(jì),充分引導(dǎo)自然通風(fēng),營(yíng)造出了舒適的居住環(huán)境和生態(tài)微氣候。近年來興起的綠色建筑,也格外強(qiáng)調(diào)自然通風(fēng)的作用,要求利用場(chǎng)地自然條件,合理規(guī)劃建筑的總平面布局、優(yōu)化建筑體形、朝向、樓距和窗墻比,以有利于自然通風(fēng)。2數(shù)值模擬計(jì)算2.1圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本文選取南京地區(qū)某小區(qū)1棟12層住宅為基準(zhǔn)建筑(如圖3),建筑層高2.9m,總建筑面積9660m2,總空調(diào)面積5667m2,體形系數(shù)0.27,朝向?yàn)檎?南向窗墻比0.3;其余朝向窗墻比均為0.15。圍護(hù)結(jié)構(gòu)按照50%節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)置,外墻傳熱系數(shù)1.2W/(m2·K),熱惰性3.5,外窗傳熱系數(shù)3W/(m2·K),夏季遮陽系數(shù)0.5,內(nèi)墻傳熱系數(shù)1.515W/(m2·K),樓板傳熱系數(shù)3.055W/(m2·K)。采用清華大學(xué)開發(fā)的動(dòng)態(tài)建筑能耗及自然室溫模擬軟件DeST,建立數(shù)值模擬計(jì)算模型(如圖4所示)。2.2基本參數(shù)設(shè)置2.2.1ast模型的參數(shù)配置DeST模型參數(shù)設(shè)置見表1。2.2.2自然通風(fēng)氣力次數(shù)房間與外界的自然通風(fēng)換氣次數(shù)按以下原則設(shè)置:(1)自然通風(fēng)工況,當(dāng)日最高溫度低于32℃時(shí),全天自然通風(fēng)換氣次數(shù)設(shè)為20。當(dāng)日最高溫度高于32℃時(shí),1d中的凌晨及上午(0:00-8:00),自然通風(fēng)換氣次數(shù)設(shè)為20,其余時(shí)刻設(shè)為1.0。(2)不通風(fēng)工況,全天換氣次數(shù)設(shè)為1.0。3建筑氣溫度與自然通風(fēng)當(dāng)建筑物沒有強(qiáng)化通風(fēng)、采暖或空調(diào)時(shí),在室外氣象條件和室內(nèi)各種發(fā)熱量的聯(lián)合作用下,房間內(nèi)形成的室內(nèi)空氣溫度,稱之為自然室溫。自然室溫全面反映了建筑本身的性能和各種被動(dòng)性熱擾動(dòng)(室外氣象參數(shù)、室內(nèi)發(fā)熱量、自然通風(fēng)狀況等)對(duì)房間熱環(huán)境狀況的影響。據(jù)前述,自然通風(fēng)主要在夏季和過渡季節(jié)發(fā)揮改善室內(nèi)熱環(huán)境的作用;本文擇取4月1日~11月10日基準(zhǔn)建筑的室內(nèi)自然室溫為研究對(duì)象,分析自然通風(fēng)對(duì)建筑熱環(huán)境的影響。3.1結(jié)果表明，3.1.1通風(fēng)工況下自然溫室圖5為在兩種工況下,1層南向臥室4月1日~11月10日自然室溫的逐時(shí)值。不通風(fēng)工況下,房間自然室溫的平均值、最高值、最低值分別是25.23℃、32.55℃、15.01℃;通風(fēng)工況下,房間自然室溫的平均值、最高值、最低值分別是22.25℃、31.66℃、8.16℃。3.1.21層北向臥室通風(fēng)效果圖6為在兩種工況下,1層北向臥室4月1日~11月10日自然室溫的逐時(shí)值。不通風(fēng)工況下,房間自然室溫的平均值、最高值、最低值分別是24.58℃、32.85℃、14.05℃;通風(fēng)工況下,房間自然室溫的平均值、最高值、最低值分別是22.16℃、31.66℃、7.82℃。3.1.3不通風(fēng)工況樓內(nèi)自然溫室總影響值的確定圖7為在兩種工況下,4層南向臥室4月1日~11月10日自然室溫的逐時(shí)值。不通風(fēng)工況下,房間自然室溫的平均值、最高值、最低值分別是27.63℃、36.43℃、16.18℃;通風(fēng)工況下,房間自然室溫的平均值、最高值、最低值分別是22.64℃、33.30℃、7.86℃。3.1.4不通風(fēng)工況下,樓房自然溫室的平均變化、最高值圖8為在兩種工況下,4層北向臥室4月1日~11月10日自然室溫的逐時(shí)值。不通風(fēng)工況下,房間自然室溫的平均值、最高值、最低值分別是26.27℃、35.98℃、14.66℃;通風(fēng)工況下,房間自然室溫的平均值、最高值、最低值分別是22.50℃、33.52℃、7.50℃。3.1.5不通風(fēng)工況下,推進(jìn)建筑自然溫室c圖9為在兩種工況下,10層南向臥室4月1日~11月10日自然室溫的逐時(shí)值。不通風(fēng)工況下,房間自然室溫的平均值、最高值、最低值分別是27.61℃、36.46℃、16.15℃;通風(fēng)工況下,房間自然室溫的平均值、最高值、最低值分別是22.64℃、33.32℃、7.86℃。3.1.6不通風(fēng)工況,樓圖10為在兩種工況下,10層北向臥室4月1日~11月10日自然室溫的逐時(shí)值。不通風(fēng)工況下,房間自然室溫的平均值、最高值、最低值分別是26.26℃、36.01℃、14.64℃;通風(fēng)工況下,房間自然室溫的平均值、最高值、最低值分別是22.50℃、33.55℃、7.50℃。3.2不同單位實(shí)際單位的自然通風(fēng)降溫效果以上計(jì)算結(jié)果表明:在計(jì)算時(shí)間內(nèi),加強(qiáng)房間自然通風(fēng)后,6個(gè)典型房間最低溫度的平均值由15.12℃降至7.78℃,降低了48.54%;最高溫度的平均值由35.05℃降至32.84℃,平均降幅為6.31%;自然室溫的平均值由26.26℃降至22.45℃,降幅為14.51%。數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果表明,自然通風(fēng)對(duì)降低房間自然室溫的作用十分顯著。從不同樓層、不同朝向房間的自然通風(fēng)降溫效果上看,南向臥室的降溫效果更顯著,1層、4層、10層臥室,南向與北向自然室溫降幅的差值分別是2.01%、3.73%、3.71%,說明南向臥室降溫幅度更大。同一朝向,采取自然通風(fēng)措施后,高層房間的降溫幅度更大:(1)南向臥室(10層比4層、1層的降溫幅度分別高0.07%、6.25%);(2)北向臥室(10層比4層、1層的降溫幅度分別高0.05%、4.53%)。4空調(diào)能耗的考慮根據(jù)全年室外逐時(shí)氣溫,可以統(tǒng)計(jì)得出,南京地區(qū)冬季高于18℃的小時(shí)數(shù)為84h,比例0.28%,自然通風(fēng)主要是在夏季和過渡季節(jié)發(fā)揮節(jié)能效益。建筑全年的通風(fēng)狀態(tài)有開窗通風(fēng)、關(guān)窗、關(guān)窗加空調(diào)等3種,采暖空調(diào)能耗則產(chǎn)生于關(guān)窗加空調(diào)狀態(tài);房間啟用空調(diào)的同時(shí)加強(qiáng)自然通風(fēng),實(shí)際上會(huì)增加采暖空調(diào)能耗。因此,自然通風(fēng)對(duì)于降低建筑能耗的作用,最主要在于減少空調(diào)制冷期的空調(diào)啟用時(shí)間。為定量研究自然通風(fēng)對(duì)降低建筑能耗(主要是空調(diào)能耗)的影響,本文擬采取以下計(jì)算方法:(1)計(jì)算并統(tǒng)計(jì)出空調(diào)制冷期(6月15日~9月25日),在自然通風(fēng)工況下,房間自然室溫滿足舒適條件(低于26℃)的小時(shí)數(shù);(2)計(jì)算典型房間,在空調(diào)制冷期無通風(fēng)工況下的逐時(shí)空調(diào)負(fù)荷值;(3)分離出采取自然通風(fēng)取代空調(diào)制冷,所節(jié)省下來的空調(diào)能耗值。4.1自然溫室平均逐時(shí)段以3.1節(jié)自然室溫模擬計(jì)算模型為基礎(chǔ),擇取6月15日~9月25日共計(jì)2472h內(nèi)自然通風(fēng)工況下、6個(gè)臥室自然室溫的平均逐時(shí)值,如圖11所示。經(jīng)統(tǒng)計(jì),自然通風(fēng)工況下,共有890h典型房間自然室溫的平均值低于26℃,滿足舒適性要求,可以在這段時(shí)間,以自然通風(fēng)取代空調(diào)制冷。4.2空調(diào)負(fù)荷的測(cè)定無通風(fēng)工況下,6月15日~9月25日,6個(gè)臥室的逐時(shí)空調(diào)能耗值如圖12所示。經(jīng)統(tǒng)計(jì),無通風(fēng)工況下,6月15日~9月25日共計(jì)2472h內(nèi),6個(gè)房間的空調(diào)負(fù)荷共計(jì)9085.26kW,逐時(shí)空調(diào)負(fù)荷指標(biāo)39.6W/m2?？梢杂米匀煌L(fēng)取代空調(diào)制冷的890h,該段時(shí)間范圍內(nèi),6個(gè)房間的空調(diào)負(fù)荷共計(jì)1931.72kW,逐時(shí)空調(diào)負(fù)荷指標(biāo)8.42W/m2(一般來說,可以用自然通風(fēng)取代空調(diào)制冷的時(shí)間內(nèi),室外氣溫相對(duì)較低,即使采用空調(diào)制冷,其空調(diào)負(fù)荷與其他時(shí)刻相比,數(shù)值較小)。4.3空調(diào)制冷能耗比較在空調(diào)制冷期,有890h能夠以自然通風(fēng)取代空調(diào)制冷,通過分離出這890h同期采用空調(diào)制冷的能耗值,可以將這部分節(jié)省的能耗視為自然通風(fēng)的節(jié)能效果。經(jīng)統(tǒng)計(jì),6月15日~9月25日,890h的總能耗值為1931.72kW,占整個(gè)空調(diào)制冷期總能耗的比重為21.26%。5模擬結(jié)果輔證實(shí)驗(yàn)為了驗(yàn)證數(shù)值模擬方法的正確性與可行性,本文也通過相關(guān)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)自然通風(fēng)改善室內(nèi)熱環(huán)境影響的效果進(jìn)行了研究,以對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行輔證。5.1室內(nèi)溫度測(cè)試本次實(shí)驗(yàn)測(cè)試于2010年8月7日至2012年8月23日展開,測(cè)試的房間位于南京市建鄴區(qū)某高層居住樓,住宅為南北朝向,位于第16層,2室1廳,面積約為80m2,圍護(hù)結(jié)構(gòu)滿足50%節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。左臥室的外窗是帶遮陽卷簾的飄窗,右臥室自帶一個(gè)封閉的外陽臺(tái),外窗均為雙層中空玻璃塑鋼窗。測(cè)試采用1臺(tái)SK-WSD120-8型多路溫濕度測(cè)試儀(見圖13)。該測(cè)試儀以智能儀表控制,自動(dòng)檢測(cè)空氣溫度和濕度,每次采集記錄數(shù)據(jù)間隔時(shí)間20min。通過在住宅內(nèi)外布置不同的測(cè)試點(diǎn)(共6處,圖14),不間斷測(cè)試多種通風(fēng)工況下,各房間自然室溫的變化趨勢(shì)。5.2試驗(yàn)結(jié)果表明5.2.1室外氣溫、濕度測(cè)試時(shí)間:2010年8月10日,白天太陽輻射強(qiáng)烈,最高氣溫達(dá)37.2℃。測(cè)試表明:無通風(fēng)工況,各房間室溫凌晨恒定不變,白天隨室外氣溫的上升,各房間室溫有不同幅度的增加。房間自然室溫平均值比室外氣溫高1.56℃(見圖15)。5.2.2防風(fēng)開/兩種風(fēng)條件測(cè)試時(shí)間:2010年8月7日,白天太陽輻射強(qiáng)烈,最高氣溫達(dá)到38℃。開窗時(shí)間:7:30-8:30;21:00-22:00。測(cè)試表明:開窗自然通風(fēng)后,各房間室內(nèi)溫度均明顯下降。房間自然室溫平均值比室外氣溫高1.25℃(見圖16)。5.2.3室外氣溫變化測(cè)試時(shí)間:2010年8月23日,白天太陽輻射較弱,天陰無雨,最高氣溫35℃。開窗時(shí)間:全天開窗。測(cè)試表明:全天通風(fēng)時(shí),各房間室溫的波形與室外氣溫變化的波形相關(guān)度高。房間自然室溫平均值只比室外氣溫高0.47℃。說明室外氣溫不高,太陽輻射較弱時(shí),開窗通風(fēng)能降低室內(nèi)自然室溫(見圖17)。5.3自然溫室的影響夏熱冬冷地區(qū),夏季室外連晴高溫,太陽輻射十分強(qiáng)烈,建筑由于自身圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱特性,室內(nèi)自然室溫往往高于室外(夜間及清晨最為明顯),密閉的通風(fēng)工況不利于夜間和清晨室內(nèi)外空氣之間的對(duì)接換熱。采取自然通風(fēng)措施后,各房間自然室溫均有顯著的下降,通風(fēng)時(shí)間越長(zhǎng),降溫的幅度也越大。本次測(cè)試工況與數(shù)值模擬類似,結(jié)果基本一致,可以輔證本文之前的數(shù)值模擬計(jì)算過程的準(zhǔn)確性與可行性。6夏熱冬冷地區(qū)自然通風(fēng)實(shí)施效果采用數(shù)值模擬計(jì)算分析了自然通風(fēng)對(duì)居住建筑室內(nèi)自然室溫和空調(diào)能耗的影響,并用實(shí)驗(yàn)方法對(duì)模擬方法進(jìn)行了輔證,從而得到以下結(jié)論。(1)自然通風(fēng)是免費(fèi)、綠色清潔的可再生節(jié)能技術(shù),對(duì)改善室內(nèi)熱環(huán)境、減少空調(diào)啟用時(shí)間、降低建筑能耗具有顯著的作用。據(jù)統(tǒng)計(jì),夏熱冬冷地區(qū)全年27.41%的時(shí)間,室外環(huán)境滿足熱舒適要求,具備用自然通風(fēng)替代采暖空調(diào)設(shè)備的條件。(2)模擬計(jì)算結(jié)果表明,夏季和過渡季節(jié)加強(qiáng)自然通風(fēng)后,居住