建筑领域自然通风应用研究综述

蓝飞

（重庆中冶赛迪工程技术股份有限公司,重庆市 404100）

建筑领域自然通风应用研究综述

蓝飞

（重庆中冶赛迪工程技术股份有限公司,重庆市 404100）

从通风计算、通风效果评估、通风设计与应用三个方面对自然通风的研究进行了回顾,总结已有的研究成果,指出现有研究在复杂通风构件、通风设计流程、热模型和通风模型的耦合计算等方面的不足,并对后续研究应重点关注的内容提出了建议。

自然通风；通风计算；通风评估；研究综述；建筑节能

0 引言

建筑能耗约占社会总能耗的1/3,因此降低建筑对冷、热、电、燃气等终端能源的需求是实现建筑节能的首要环节。而应用室外“免费”的冷源满足室内降温需求，同时大大提高室内空气质量的自然通风技术,在当前节能减排大趋势下,受到越来越多的青睐。迄今为止,众多的学者在自然通风机理、影响因素、自然通风构件、模拟计算方法、通风节能潜力等方面开展了大量的研究,同时还积极地在绿色建筑设计、大空间降温、居室降温、双层皮幕墙等工程实践中大胆应用自然通风技术。本文拟对当前国内外的自然通风应用研究进行回顾,并对研究成果进行评述,指出当前研究的不足和需要重点关注的方向。

1 通风计算研究进展

自然通风计算的研究主要包括通风机理、计算模型、通风影响因素三个方面,其中通风机理主要是研究风压和热压对自然通风的驱动作用,重在揭示空气流动的微观特性,偏重于理论研究,对自然通风的设计应用指导意义不大。

影响自然通风的因素包括开口阻力特性、通风辅助构件、建筑布局、建筑朝向等。不少学者通过对这些因素的研究,总结规律,对提高自然通风效果提出了改进建议。其中，开口阻力特性的研究相对成熟,在《供暖通风设计手册》一书中就收录了较多开口形式的流量系数[1]；还有不少学者在对开口阻力特性进行深入研究的基础上,对计算公式进行了改进和补充；章宇峰还专门对建筑中各类支路的阻力特性进行了较为全面的总结分析[2]。根据区域气候条件和周边微气候特点,通过建筑空间和辅助构件的设计,可以强化自然通风效果。吴耀华和宋德萱对生态建筑中的风井设计进行了研究,并提出了风井设计的原则[3]；赵林和李念平利用数值模拟计算方法,研究了中庭外窗开启对住宅建筑热环境和风环境的影响[4]；国内外较多学者对太阳能烟囱在自然通风中的应用开展了研究,但正如左潞等人研究指出[5],当前的研究主要集中在计算模型的选取和如何提高太阳辐射热的吸收比和对流换热特性方面,研究成果缺乏实际指导意义,能够用于工程设计的资料不多。

自然通风的计算方法主要包括CFD计算方法、多区域网络模型法(multi-zone model)和区域模型法(zonal model)。CFD计算软件比较成熟,是多数学者进行案例研究时常采用的工具,主要用于初步设计阶段预测室内气流组织和温度分布,也能完成自然通风的模拟计算,但计算时间长、建模复杂、所获得的详细信息在方案阶段用处不大。多区域网络模型法假设房间内参数分布均匀,不预测房间内空气的流速和温度分布,重点研究房间之间的通风量和房间的平均温度,自然通风软件CONTAMW、COMIS主要采用了该计算模型。区域模型介于CFD和多区域网络模型之间,该方法在多区域网络模型的基础上对房间进行进一步的划分,可预测房间内的分布参数,但计算方法相对于CFD方法简单,仅求解质量和能量守恒方程。此外,不少学者还对自然通风模型与建筑热模型的耦合计算开展了研究,提出了不少的解耦计算方法,但在实际工程中应用得很少,还停留在理论研究阶段。

2 通风效果评估研究进展

自然通风的优势之一是能在空调季节通过风压和热压的自然驱动力引入室外较低温度空气实现降温的目的,因此通风效果的评价一直是研究者关注的重点之一。

王怡等[6]提出适用于评价地域性气候条件下居住建筑的自然通风有效时数的计算方法。该方法首先根据得热量和室内舒适温度计算允许的室外空气温度,然后统计满足允许的室外空气温度要求小时数作为自然通风的有效时数作为评价指标。统计的时间段为6、7、8月,室内舒适温度上限为28.5℃,采用逐时模拟计算每个时刻的室内温度值,但没有说明通风模型中关键的压差值是如何确定的。竟峰等[7]提出以“自然通风有效性(全年可利用自然通风的小时数)与全年总小时数的比值”作为评判自然通风节能潜力的指标,其基本思路是忽略房间蓄热量、给定室内得热量,计算满足室内舒适温度范围(18~28℃)的可利用的室外空气温度。李芃等[8]应用可实现热模拟与多区域网络通风模拟耦合计算的ESP-r工具对上海地区的办公楼进行模拟计算,结果表明自然通风可实现45.7%节能率。龙恩深[9]利用特征温度法模拟计算不同通风情况下的空调耗冷量,以此评判节能自然通风节能效果,但是作者认为室外温度高于26℃就不能再利用自然通风。张国强等[10]提出自然通风压差帕时数指标,并建立自然通风潜力评估模型对不同气象参数地区的通风潜力进行评估,但该方法仅针对自然通风满足室内空气品质的要求,并没有考虑热舒适性的要求,也就无法对自然通风的节能潜力进行评价。Greden L V等[11]应用统计学的方法研究了气象条件的不确定性对自然通风效果评价方法的影响。Luo Zhiwen等[12]提出从热环境和室内空气品质两个方面对自然通风应用潜力进行评价。

综上所述,自然通风满足室内舒适要求的时间和自然通风节能的能量是两种直观的节能效果评价方法,前者可通过非稳态逐时模拟计算或者简化的模拟计算方法获得,后者则需要借助成熟的模拟计算软件。

3 设计与应用研究进展

尽管建筑师和工程师都对自然通风青睐有加,部分学者也对设计流程和方法进行了探索,但是目前并没有适合民用建筑的规范和标准自然通风设计流程和计算方法。

Yao R M等[13]专门对建筑方案阶段的自然通风设计计算进行了研究,提出方案阶段自然通风的“两阶段”设计方法：第一阶段根据四节点热阻网络模型和室内卫生要求计算出房间所需的通风量,并根据此通风量计算自然通风的最大开口面积；第二阶段则根据已知开口面积、室内发热量、室外温度等信息通过求解热过程和自然通风耦合模型计算逐时的通风量和室内温度,对自然通风设计进行评价。“两阶段”方法应用在公共建筑复杂的自然通风网络设计时,很难直接求得每个房间所需的通风量,而在通风网络中要利用已知通风量直接求解开口大小更加困难。李晓锋等[14-15]基于多区域网络计算模型提出了自然通风设计流程,即：1)确定开口形式和开口面积,获得通风网络中各支路的特性参数；2)计算室内得热量；3)在已知室内热量、开口特性参数、室外温度、建筑通风网络结构形式的情况下,利用那个多区域网络模型计算各房间通风量和出入口温度,并获得房间平均风速和温度；4)对重要区域,利用CFD计算工具对室内分布参数进一步计算分析；5)判断是否满足设计要求(室内温度不超过28℃),如果不满足,则对建筑设计进行改进,调整开口形式和面积。但李晓峰并未对室内得热量、室外计算空气温度的取值进行详细的研究。殷维等[16]提出气候潜力分析与气候设计策略、建筑周围微气候环境预测与优化、风压与热压的设计与利用、设备选型、控制策略、方案评估5个步骤的自然通风设计流程,论文提出了一些设计策略,但对自然通风的设计计算却研究很少。

除了对设计流程和方法进行研究外,更多的学者则是利用CFD等模拟计算工具针对具体的案例进行通风设计优化、比较不同方案的效果、对设计提出修改意见。CFD工具预测室内空气流场和温度场分布,适用于单一空间和单独的通风构件,能得到不同设计参数下室内参数的场分布结果,但并不适用于复杂的通风网络。Wark C[17]讨论了如何利用CFD模拟计算工具辅助自然通风的设计。Ding W等[18]应用CFD工具研究双层皮幕墙的自然通风效果,并与实测数据对比分析,总结出双层皮幕墙的设计原则和注意事项。

4 研究评价与建议

自然通风的研究可以分为通风计算、通风效果评估、通风设计与应用3个主要方面,现从工程应用的角度对研究进展进行评述。

1)通风影响因素的研究较为成熟,对复杂的通风构件的研究还停留在实验或者复杂模拟计算阶段。开口形式、开口面积、室外微环境、进出口垂直高差、室内外温差、通风强化构件等是影响自然通风的主要因素,这在研究领域已经有统一的认识。然而更多的研究成果集中在对各种开口通风特征参数(通风流量系数)的研究上,并总结出可在工程中应用的经验公式。对于太阳能烟囱、双层皮幕墙等复杂的通风构件还只能通过实验和数值模拟计算的手段进行研究,无法像其他构件那样总结出能反映其通风特性的特征参数或者经验公式,也就无法在工程应用中研究这些构件对建筑整体通风效果的影响。

2)通风计算模型的研究较为成熟,且已经有多种模拟计算工具,但是在处理通风模型和热模型的耦合计算方面还有所欠缺。CFD和多区域网络模型是应用较为广泛的自然通风计算模型,前者主要研究重要的单一空间的气流和温度分布,而后者主要研究整个建筑的通风网络。在实际工程应用中,研究人员主要关注通风量和室内平均温度,因此多区域网络模型是比较符合工程需求的计算模型。如果不考虑与建筑热模型的耦合,现有的自然通风软件都能满足需求；如果考虑与热模型的耦合,则比较成熟的可参考的研究案例就比较少。

3)自然通风设计计算流程的研究相对薄弱,工程应用也主要是以CFD计算工具解决单一空间或者通风构件的设计细节问题为主。利用CFD等模拟计算工具已经能够对单一空间和通风构件的开口位置、开口大小进行设计优化,但是对整个建筑通风网络设计优化的案例却较少。同时,研究者对通风设计计算流程的研究不够重视,对建筑设计过程的研究不足,对于设计计算流程中室内得热量、室外计算温度、室内计算温度、通风效果评价方法研究不够,很多问题并没有得到充分解答,还不能够真正地起到辅助建筑设计的目的。

自然通风应用有着明显的工程特点,研究的根本目的应解决工程问题、辅助建筑设计,而不仅仅是对自然通风的结果进行详细的模拟预测。也就是说,应该从“模拟辅助设计”的角度审视研究方向和研究方法。基于此观点,笔者认为当前自然通风的研究应该重点关注以下方面。

1)从建筑设计流程入手,研究方案设计和详细设计阶段自然通风设计的已知条件、未知条件和输出结果,从而研究规范的自然通风设计流程。尤其要从建筑师的角度出发,研究不同设计阶段的设计计算方法,提供不同设计阶段建筑师需要的结果。比如,在建筑方案设计阶段,详细的开口位置和开口形式就不是建筑所关注的内容。

2)根据不同阶段自然通风的设计要求,研究输入参数的获取方法、合适的计算模型和允许的计算误差。比如,在方案设计阶段是否需要考虑自然通风模型与热模型的耦合计算,因为这个阶段可获得建筑热模拟计算和通风模拟计算的信息很可能是不全面的;自然通风的设计计算是采用全年逐时模拟计算,还是就单一工况或者多个工况进行设计计算。

3)研究复杂构件的特征参数和经验公式。在通风网络中研究双层皮幕墙、太阳能烟囱等复杂构件的通风强化效应极具工程应用价值,需要在对复杂构件进行详细的实验室和数值模拟研究基础上,总结出能反映其特征的经验公式和特征参数,使其能作为一个标准的支路纳入到多区域网络模型中统一考虑。

[1]陆耀庆.供暖通风设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1987.

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[3]吴耀华,宋德萱.生态建筑中的风井设计[J].同济大学学报(自然科学版),2008,36(5):598-602.

[4]赵林,李念平.住宅建筑中庭内自然通风的数值模拟[J].科技导报,2009,27(2):73-77.

[5]左潞,郑源,周建华,等.太阳能强化烟囱技术在强化室内自然通风中的研究进展[J].暖通空调,2008,38(10):41-47.

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Research Review on Application of Natural Ventilation for Architecture Field

LAN Fei
(CISDI Engineering Co.,Ltd.,Chongqing 404100,China)

In review of research of natural ventilation from the aspects of ventilation calculation,evaluation of ventilation effect and ventilation design and application,the paper puts forward the shortage in existing research from the aspects of complicated ventilation components,design process of ventilation,coup ling calculation of thermal model and ventilation model,and gives some suggestions on the subsequent research.

natural ventilation;ventilation calculation;ventilation evaluation;research review;architecture and energy saving

TU834.1

A

1004-4345(2014)02-0040-04

2013-07-18修改返回：2014-01-10

蓝飞(1981—),男,工程师,研究方向为利用自然通风达到建筑节能。