太阳能辅助通风井在重庆地区绿色建筑中的应用研究

李怀玉，戴辉自，刘军

（中煤科工集团重庆设计研究院绿色建筑技术中心，重庆400016）

太阳能辅助通风井在重庆地区绿色建筑中的应用研究

李怀玉，戴辉自，刘军

（中煤科工集团重庆设计研究院绿色建筑技术中心，重庆400016）

针对重庆地区夏季太阳能资源条件较好、热湿环境恶劣的气候资源特点，研究太阳能辅助通风对室内热湿环境的改善效果。该文利用计算流体力学（CFD）技术对重庆地区某绿色建筑项目在采用太阳能辅助通风井前后的室内热湿环境改善效果进行了对比分析，分析结果表明，在夏季增设太阳能辅助通风井后，能有效提高室内风速，降低室内空气龄、室内温度和室内PMV值，有效改善了室内热湿环境。

重庆地区；太阳能；辅助通风；绿色建筑；拔风井；太阳辐射；空气干球温度

0 引言

相关研究表明，自然通风技术对于建筑节能具有重要意义，在建筑中实现良好的自然通风，可有效降低建筑能耗[1]。随着建筑节能与绿色建筑的快速发展，自然通风技术已在建筑设计中受到越来越多的关注，应用的形式也趋于多样化，如拔风井、导风墙、边庭、中庭等。《绿色建筑评价标准》GB/T 50378-2006和《重庆市绿色建筑评价标准》DBJ/T50-066-2009中均有“建筑设计和构造设计有促进自然通风的措施”[2]的条文，在具体实施过程中，对建筑采用导风墙或拔风井等促进室内自然通风的技术均给予了较高的分数，因此，自然通风技术已受到越来越多建筑师的青睐。太阳能辅助通风即是采用热压通风的原理，通过设置拔风井等措施，优化室内气流组织，强化室内自然通风。重庆地区夏季炎热，静风率高，且湿度较大，亟需改善室内热舒适环境，而正好夏季太阳辐射强烈，可以充分利用太阳能强化热压效果来促进自然通风。但对太阳能辅助通风效果在建筑设计阶段如何进行评价，如何实现建筑与通风技术的完美结合，对目前国内建筑师来说仍是一个较难的问题，本文将采用计算流体力学（CFD）技术，分析重庆地区夏季拔风井对室内热湿环境的影响。

1 太阳能辅助通风技术

1.1 自然通风及太阳能辅助通风原理

自然通风是指利用自然的手段来促使空气流动而进行的通风换气方式。一般而言，在实际的自然通风过程中，会同时受到风压、热压的作用。当某一建筑同时受到风压和热压作用时，自然通风下的模型分析如图1所示[3]。

图1 风压和热压同时作用下的通风示意图

式中

Pxa——窗孔a处的余压，Pa；

Pxb——窗孔b处的余压，Pa；

Ka、Kb——窗孔a和窗孔b的动力系数；

h——窗孔a和窗孔b的高度差，m；

h1——窗孔a与中和面的高度差，m。

从式中可以看出，当两个窗孔间高差越大时，由于密度差产生的压差也越大，而当两窗孔间空气温度差别较大时，两处的空气密度差相差也较大，能起到加强通风的作用。太阳能辅助通风正是基于这一理论基础，靠提高两窗孔处的空气温度差，进而增大两窗孔处的内外压差，增强自然通风效果。在目前的专利市场上，很多太阳能辅助通风的专利是基于此进行开发的。例如重庆大学丁勇等人开发的“一种室内太阳能辅助通风采暖系统”专利[4]，及太阳能空气集热器等。

1.2 重庆地区太阳能资源条件

重庆地区年平均气温在18℃左右，冬季最低气温平均在6~18℃，而夏季的平均气温在27~29℃，最高气温可达43℃，素有“火炉”之称[5]。在炎热的夏季，希望能通过自然通风以改善室内的热湿环境，而夏季强烈的太阳辐射又为改善增强自然通风提供了良好的动力[6]。研究表明，良好的自然通风对建筑节能的贡献率可达5%~30%[7]。图2所示为重庆地区水平面总太阳辐射及空气干球温度的关系图，可以看出，在空气温度较高时，室内热舒适对自然通风的需求较大，此时太阳辐射较强，可以利用太阳能辅助通风。

图2 重庆地区水平面总太阳辐射及空气干球温度的关系图

2 理论模型

为了讨论重庆地区太阳能辅助通风对建筑能耗的影响，本文结合重庆地区某三星级的绿色建筑项目，针对其功能房间增设太阳能辅助通风后室内的温湿度场情况进行模拟分析。该功能房间的主要功能为活动室，活动室的尺寸为7600× 6400×3600mm。两种情况下房间平面布局如图3、图4所示，其中已将人员转化成内热源，并利用软件中相应的模块代替，因数量较多，不便于表示，故在图中未表示出。同时，在房间上均匀地布置有4套灯具，亦未表示出。室内的热源为电视机（60W，尺寸为1100×40×650mm），人员30人（散热量为47W，散湿量为41g/h），总热负荷为1410W，灯具总安装功率为400W（共计4套共8盏，每套发热量为60W），外墙的传热系数设置为0.7W/m2·K。进风口的尺寸为2300×2000mm，门的尺寸为1200×2100mm；拔风井的尺寸为1200×1500×6000mm，突出屋面的高度为2400mm。由于全年各时段气候处于变化中，因此，为减小分析工作量，本处只考虑最炎热夏季状况下拔风井对室内的温度场改善状况。项目所在地夏季室外空气干球温度为28.6℃，相对湿度76%，风速为0.8m/s，水平面的平均太阳直射辐射强度为175W/m2，东、西、南、北四个朝向的平均太阳直射辐射强度分别为90 W/m2，80 W/m2，69 W/m2，57 W/m2[8]。

图3 无拔风井房间平面布局

图4 有拔风井房间平面布局

3 太阳能辅助通风效果分析

利用Airpark 3.0软件对两种情况下（无拔风井和有拔风井）室内自然通风状况进行模拟分析，靠近墙壁处的室内温度

较高，在31℃以上，房间仅有靠近窗的区域温度较低，整个室内平均温度为30.2℃；增设拔风井后，室外风的作用距离明显增大，房间内超过一半区域温度在29℃以下，仅有小部分区域温度达到30℃，房间内部平均温度维持在29~30℃，此时室内的平均温度为29.1℃。因此，增设拔风井可使房间内平均温度降低约1.1℃。

图5 无拔风井时室内1.5m高度温度云图

图6 有拔风井时室内1.5m高度温度云图

3.1 拔风井对室内风速场的影响研究

在未设置拔风井时，室内较大区域风速较低，约为0.3m/ s，对于室内的热量以及污染物排除均不利，仅距窗较近处风速约为0.8m/s，整个区域内平均风速为0.4 m/s。在增设拔风井后，室内的气流组织分布研究发现，室内风速明显提高，由于拔风井的“抽吸”作用，使得窗进风速度提升至1.2 m/s，室内形成了2处明显的通风廊道，且在此作用下室内风速较小的区域明显减少。整个室内的平均风速约为0.8 m/s，较无拔风井时提升了0.4 m/s。

3.2 拔风井对室内空气龄的影响研究

室内无拔风井时，在近窗处空气龄较小约为20s，房间空气龄最大处值为120s(如图7，图8)，室内的大部分区域空气龄约为80s，整个房间平均空气龄约为62.1s。而增设拔风井后，室外空气可及范围明显扩大，房间空气龄最大值为69.8s，整个房间1.5m处的平均空气龄为34.7s(如图9，图10)。两者相比较发现，增设拔风井可使房间内的空气龄明显降低，室内平均空气龄降低27.4s，且室内空气龄较低的区域明显增加，这对于维持室内空气品质，降低室内污染物浓度具有较好的效果。

图7 无拔风井时室内1.5m高度风速云图

图8 无拔风井时室内1.5m高度风速云图

图9 无拔风井时室内1.5m高度空气龄云图

图10 有拔风井时室内1.5m高度空气龄云图

3.3 拔风井对PMV的影响研究

PMV即预测平均投票数，可用于表征室内的热环境状况，共计7级，通过对室内的PMV值进行计算，发现无拔风井时室内大部分区域PMV值大于1.5[9]，按照PMV定义，热感觉处于稍暖和暖之间，平均值为1.6。增设拔风井后，室内PMV值明显降低，大部分区域PMV值处于0.75~1.0之间，平均PMV为0.84，热感觉介于中性和稍暖之间，比无拔风井时总体降低约0.76，因此可以认为拔风井对室内热环境的改善起到了积极的作用（如图11，图12所示）。

图11 无拔风井时室内1.5m高度PMV云图

图12 有拔风井时室内1.5m高度PMV云图

3.4 小结

房间增设拔风井后，对室内的影响如表1所示。

表1 拔风井对室内环境的影响

从表1中可以看出，在1.5m高度处，拔风井对于室内的温度有较好的降低作用，降低值可达1.1℃，平均风速提高约为0.4 m/s，平均空气龄降低27.4s，平均PMV降低约0.76。通过以上改善，可使室内的热舒适区间显著增加，在夏季空调运行时间也可减少，可减少全年空调能耗。

4 结论

本研究中，通过对重庆夏季典型天气条件下的室内温湿度场进行模拟分析后发现，在室内增设拔风井，可使室内平均温度降低1.1℃，室内风速增大0.4m/s，室内平均PMV值降低0.76，较好地改善了室内环境，并减少了夏季空调开启时间，降低了空调运行能耗。由于在夏季大多时刻太阳辐射强度较模拟时要大，因此拔风井中形成的热压更大，因热压形成的通风效果更好。目前，重庆地区绿色建筑发展较快，在绿色建筑设计中应充分利用太阳能辅助通风技术并采用计算流体力学（CFD）进行优化设计，以提高室内通风效果。

[1]张莉，任彬彬.浅析自然通风技术在建筑节能中的应用[J].建筑与环境，2011(4)：135-137.

[2]GB/T50378-2006绿色建筑评价标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2006.

[3]朱颖心.建筑环境学:第二版[M].北京：中国建筑工业出版社,2007.

[4]丁勇,李百战,李楠,等.一种室内太阳能辅助通风采暖系统[P].200810070271，2009-03-11.

[5]丁勇,连大旗,李百战,等.重庆地区太阳能建筑一体化应用的实测与分析[J].重庆大学学报，2011，34(5)：76-80.

[6]苏醒,刘传聚,苏季平.太阳能烟囱的通风效应及应用研究[J].能源技术，2005，26(6)：245-247.

[7]魏晓真,曲云霞,黄峰.不同通风方案对建筑能耗影响的模拟分析[J].建筑节能,2010，38(6)：17-20.

[8]中国气象局气象信息中心气象资料室，清华大学建筑技术科学系.中国建筑热环境分析专用气象数据集[M].北京，中国建筑工业出版社，2005.

[9]李百战,郑洁.绿色建筑概论[M].北京：化学工业出版社, 2007.

责任编辑：孙苏，李红

灾后重建

灾后重建尤需责任和良心

“4·20”四川雅安芦山7级地震中，位于芦山县境内的宝盛石桥经历两次强震和巨石坠砸后安然无恙。为清除障碍，人们用炸药把堵在桥上的巨石炸得粉碎，石桥依然屹立，保障着运送救灾物资车辆安全通行。处在芦山震中的一座百年老宅，也就掉了几片瓦，7户居民震后生活如常。而并不属于震中地区的宝兴县在“5·12”汶川地震后按照“8级抗震、9度设防”要求重建的抗震房，几乎百分之百受损。

在科技高度发达的今天，建筑材料、设计理念、施工技术等比30年前修建宝盛石桥时先进许多，比清代同治年间更要先进不知多少倍。按常理，现代建筑应该比前人建造的结实很多，抗震能力更强，为什么事实总让人大跌眼镜呢？大量的“楼垮垮”“楼脆脆”“桥塌塌”工程，已经让公众产生了视听疲劳。于是乎，每当一些“建筑奇迹”“抗震奇迹”横空出世，总能引起公众“今不如昔”的感慨。

有识之士感言：工程质量过不过硬，关键因素还在人。当今社会不缺资金，不缺技术,却严重缺乏良心与责任。工程立项时只考虑政绩；项目审批靠“私下疏通”；规划设计唯领导意志行事；工程招标投标暗箱操作；工程建设资金被层层揩油；监管者“吃人家的嘴短，拿人家的手软”……责任人良心出了问题，最起码的责任意识丧失了，即使资金投入再多，科技含量再大，机械装备再先进，都无法避免“豆腐渣”工程。

把事情做好，关键靠人的责任和良心。建设方案是人定的，建设标准是人掌控的，监管是人实施的……每个环节的责任人都“不结实”，人修的大桥、人盖的楼房怎可能结实。

遗憾的是，部分人良心和责任的缺失，耗费巨资建设的大桥，通车不久便发生垮塌；不惜重金建设的道路，居然经不起一场大雨的冲洗……工程倒了、塌了，有关方面不但不坦承工程质量不过硬，而且往往以各种荒诞的借口来掩盖人的责任。新建的移民安置房垮塌，借口“风太大”；新建道路出现质量问题，抱怨“雨太大”；建成不久的大桥垮塌，归咎为“车辆超载”……总之一句话，事故与所有参与工程建设的人无关。

工程质量大于天。芦山地震灾区的重建已经开始。建设“民心工程”而不是“伤心工程”，既需要高标准规划设计和高水平建造，更需要参建者、管理者摸着良心做事，需要责任政府切实担当。否则，即使采用最高的设计标准，使用最先进的施工技术，也难以收到实效。

（选自《建筑》杂志2013年第10期，作者杨明生）

（敬请作者速与本刊编辑部联系，以便付酬）

Study on Application of Solar Assisted Ventilation Shaft in Green Building in Chongqing

The climate resource of Chongqing in summar is rich in solar and humid,so it makes sense to study the improvement effect of solar assisted ventilation shaft on humid indoor environment.With CFD technology,the humid indoor environment before and after the use of solar assisted ventilation shaft are compared and analyzed.The results show that indoor wind speed can be effectively raised,indoor air age,temperature and PMV value can be lowered and humid indoor environment can be also effectively improved with the use of solar assisted ventilation shaft.

Chongqing;solar;ventilation assistant;green building;wind well;solar radiation;air dry bulb temperature

TU201.1

A

1671-9107（2013）08-0015-04

2013-07-19

李怀玉（1982-），男，贵州遵义人，硕士，工程师，主要从事建筑节能和绿色建筑技术研究。

戴辉自（1988-），男，江西吉安人，硕士，工程师，主要从事绿色建筑技术研究。

基金论文：该论文为中煤科工集团重庆设计研究院青年基金项目“建筑外遮阳设计方法研究”（项目编号：2013QN040）及中煤科工集团重庆设计研究院面上项目“酚醛板外墙外保温系统应用技术研究”（项目编号：2011MS016）资助项目论文之一。

10.3969／j.issn.1671-9107.2013.08.015