地道通风技术在贵安新区清控人居科技示范楼中的应用

王者 刘加根 林波荣 王清平 朱颖心 / WANG Zhe, LIU Jiagen, LIN Borong, WANG Qingping, ZHU Yingxin

地道通风技术在贵安新区清控人居科技示范楼中的应用

王者 刘加根 林波荣 王清平 朱颖心 / WANG Zhe, LIU Jiagen, LIN Borong, WANG Qingping, ZHU Yingxin

1 引言

随着经济社会的不断发展，中国的能耗和CO2排放量大幅上升。其中，建筑能耗和CO2排放量均超过全国总量的1/4。党的十八大明确提出建设生态文明社会的战略目标（2012），而建筑领域的节能减排则是生态文明和新型城镇化建设的重要组成部分，贵安生态文明创新园项目即是在该背景下开展的。生态文明创新园由贵安新区政府、清控人居建设（集团）有限公司（以下简称“清控人居集团”）和英国建筑研究院（Building Research Establishment，以下简称“BRE”）三方共建，以推动生态、低碳建筑环境行业的研究与发展，以期将该园区打造成为国际一流的生态、低碳城镇化建设示范区。

清控人居科技示范楼（Tsinghua Eco-Studio，THE-Studio，以下简称“科技示范楼”）是创新园第一栋示范楼宇，建筑面积约700m2，分为上下两层。基于园区的背景，该项目能源系统的设计遵循3个原则：可持续性、适应性、示范性。可持续性是指采用主动式和被动式相结合的设计策略，在满足使用者基本需求的前提下，减小建筑的环境影响，实现低能耗、低排放和可持续的设计目标。适应性是指所采用的技术充分考虑当地自然条件的禀赋与建筑自身需求的特征。同时，考虑到项目的特殊性，科技示范楼在技术的选择上有一定的超前性与示范性，目的是将该建筑打造成一个技术集成的展厅和数据采集的实验平台。

根据上述3个原则，该项目的建筑能源系统设计分为4个步骤。

（1）基于建筑环境模拟和负荷模拟，提出建筑隔热、保温和遮阳的设计建议。

（2）根据当地室外气象参数、建筑物逐时负荷数据、当地民居特点和居民热舒适需求，结合动态热舒适理论，提出空气处理参数、选择地道通风系统、确定室内气流组织设计方案、使用吊扇的传统设计。

（3）按照国家规范规定的技术指标，确定建筑通风的技术方案；依据建筑物逐时负荷数据，设计地道通风管道的尺寸，以及运行方案，设计室外空气通过地下风道进入会议室、办公室等各功能房间的合理路径。

（4）确定各个进风口、排风口、风道的具体技术要求，使得室内环境在四季均能满足环境控制要求。其中对于地道通风系统，国内设计者相对陌生，使用的案例也不多，具有技术创新性。

因此，本文重点介绍该项目的地道通风系统。

2 能源系统设计

项目首先从当地自然资源禀赋和建筑负荷特征出发，分析适宜该

地区和该建筑的可持续建筑技术，得出能源系统的设计策略。本小节中贵阳的气象数据是从中国气象局气象信息中心气象资料室和清华大学建筑技术科学系联合编制的《中国建筑热环境分析专用气象数据集》（2005）中选取。

图1 贵阳地区室外空气温度

图2 贵阳逐月太阳能总辐射量

图3 全国风力资源情况

表1 人员长期逗留区域空调室内设计参数

表2 不同热舒适度等级对应的PMV、PPD值

2.1 当地自然资源分析

2.1.1 气候条件研究

贵阳属温和地区，常年受西风带控制，亚热带湿润温和型气候特征明显：全年平均气温15.7℃，最热月7月平均气温24.0℃，最冷月1月平均气温5.7℃，全年温度变化平缓，日平均温度波动范围在-1.1～27.4℃之间。其气温极低年、标准年和极高年的室外空气温度情况如图1所示。

可以看出，贵阳地区气象条件比较温和，夏季温度很少突破30℃，温和的气象条件为自然通风、遮阳等被动式室内环境营造技术提供了广泛的应用空间。冬季最低气温在0℃左右，相对寒冷，有一定的建筑采暖负荷，需要通过温度调控手段来提高室内舒适度。

2.1.2 太阳能及风能资源研究

贵阳全年太阳总辐射量为3 800MJ/m2，夏季太阳能总辐射量较多，冬季相对较少（图2）。其中，水平面直射辐射量占水平面总辐射量的41%。从各朝向太阳辐射分布看，西向太阳辐射较多，占各朝向总和的41%，其次为南向，占各朝向总和的27%。总体而言，贵阳属于太阳能资源相对贫瘠的地区。

贵阳地处黔中山原丘陵中部，风能密度在50W/m2以下，风能资源相对贫瘠（图3）。

通过上述分析可知，贵阳地区的太阳能和风能资源都相对贫瘠，因而在使用目前流行的可再生能源技术，如太阳能光伏发电、太阳能热水系统、风力发电、风光互补路灯等技术时需审慎考虑。

2.2 室内舒适度控制

根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB50736-2012）的规定，人员长期逗留区域空调室内设计参数分为Ⅰ、Ⅱ级，其中，Ⅰ级热舒适度较高，Ⅱ级热舒适度一般（表1）。热舒适度等级划分按《中等热环境PMV和PPD指数的测定及热舒适条件的规定》（GB/T 18049）执行，确定采用预计平均热感觉指数（Predicted Mean Vote，PMV）和预计不满意者的百分数（Predicted Percentage of Dissatisf ed，PPD）进行评价（表2）。

秦蓉等（2007）的研究表明，办公建筑提高夏季空调设定温度，对降低建筑能耗有显著的影响，但提高夏季室内设定温度，不能以

牺牲室内舒适度为代价，在供冷稳态条件下，温度28℃、相对湿度60%、风速≤0.3m/s的室内舒适度属于Ⅱ级，为一般舒适。罗茂辉等（2014）研究发现，气流作为动态热环境的重要参数之一，对人体热舒适有重要影响，尤其是在偏热环境下，适当应用气流能有效改善人体热舒适，通过增加室内气流扰动，能够将温度28℃、相对湿度60%条件下的Ⅱ级热舒适度提高为Ⅰ级（图4）。

基于该理念，适度提高建筑室内控制温度至28℃，通过吊扇解决室内气流扰动，从而达到将室内PMV控制在0～0.5范围之内的目的（图5）。

图4 风速与温度对PMV的影响（来源：罗茂辉 等，2014）

图5 室内吊扇设置

图6 全年逐时负荷

图7 DeST负荷模拟模型

2.3 建筑负荷特性分析

通过利用建筑热环境及能耗模拟软件DeST，输入建筑功能、人员作息、围护结构热物理参数等基本信息，模拟该建筑全年的空调负荷情况（图6、7）。

可以看出，虽然贵阳地区室外气象比较温和，但由于室内人员、设备发热等因素，仅仅依靠自然通风无法将室内温湿度控制在比较舒适的范围内，需要某些机械的室内环境营造手段辅助。此外，从负荷的数值可以看出，无论是峰值还是总量，冬季采暖需求大于夏季空调需求，但总体而言，冬夏负荷比较匹配。

2.4 能源系统设计思路

基于贵阳地区自然资源和科技示范楼负荷特性的分析，项目提出“主动式和被动式相结合，优先采用被动式”的能源系统设计思路。夏季结合当地石材等地方元素，适度采用重型围护结构加强日间遮阳，通过通风蓄冷等措施降低夜间空调负荷；冬季采用适度厚保温，增强气密性，通过减小体型、减少透明围护结构等措施降低采暖负荷。

在空调采暖方式的选择上，基于贵阳气候温和、适宜自然通风、冬夏负荷相对匹配的特点，项目选择采用地道通风技术。地道通风技术是指室外空气在送入室内之前，先经过一段地道。由于大地温度比较恒定，约等于全年空气平均温度，因而，夏季空气可在地道中被冷却，冬季空气可在地道中被加热。地道通风技术可以看作是自然通风技术的“强化版”，除去风机能耗，地道通风不再需要其他机械制冷供热手段，从这个意义上来说，地道通风技术可以大幅度降低空调采暖能耗。

本质上，地道通风技术是将大地作为一个蓄热的恒温热源，冬季从大地中取热，夏季向大地中排热。从这一角度而言，地道通风技术和地源热泵、地下水源热泵技术有异曲同工之处。事实上，近年来不少研究人员和设计者探索了地源热泵、地下水源热泵技术在贵阳地区应用的可行性。比如，段启杉等（2013）综述了贵阳市浅层地温能开发利用现状及发展前景；李朝佳（2013）针对贵阳特殊的碳酸盐岩地质，进行了热场地测试；李朝佳等（2014）将地源热泵技术应用到贵阳地区的一栋1 650m2的建筑，并验证了技术可行性。然而将地道通风技术应用于贵阳还没有先例，从这一角度而言，本项目具有相当的创新性和探索性。

当然，地道通风在冬季不能完全提供建筑所需的采暖负荷，其送风温度也会低于室内温度，因此，冬季还需要采用主动能源系统。项目采用低碳的生物质颗粒热水炉系统，末端采用地板采暖，地道风在冬季仅作为新风预热功能使用。

在空调季节，地道通风主要负责显热负荷。结合地道通风除湿能力相对有限的特点，在极端工况下（科技示范楼有较大室内湿源，同

时有大容量的人员进入参观），需要辅以辅助的除湿设备，本项目依托同方人工环境有限公司（以下简称“同方人环”）开发的直接蒸发式地道风新风热泵机组ZKW05-HP（图8），专为地道风系统提供大风量低扬程，并辅助冷源除湿。其中蒸发盘管段做了旁通处理，只有在室内相对湿度高于70%时才开启除湿机组，同时为了保证室内空气质量，预留了袋式中效过滤段。

图8 同方人环ZKW05-HP机组

图9 地道通风系统模拟计算技术路线

图10 地道通风模拟结果

表3 地道风运行策略

3 地道通风设计

3.1 系统设计

贵阳全年平均空气温度为15.7℃，夏季可以将新风处理到17～20℃，冬季可以将新风处理到11～14℃。因此夏季将新风送到室内，可以带走室内负荷；而冬季，地道仅能对新风预热，还需要热源对新风加热。夏季风量根据所带走的室内负荷确定，冬季风量按照人员最小新风量考虑。综合上述分析，项目最终选择变风量系统，冬季采用最小新风，而夏季根据室内负荷情况改变新风量。

地道采用长度为150m、内径为1m的高密度聚乙烯（High Density Polyethylene，HDPE）通风圆管，最高风量设计为5 000m³/h，管内设计风速为1.77m/s。

关于地道通风系统的运行，冬季采用定风量，即最小新风量（项目设计为50人，1 500m3/h），夏季采用3档变速。夏季的运行策略为：根据当日预报最高气温和前一天地道出风温度进行高、中、低3档风量调节。该策略的物理意义在于：当日预报最高气温预测当日的负荷，预测的最高气温越高，当日负荷越大，需要增加新风量，从而增加供冷量；前一天地道出风温度描述了地道的制冷能力，前一天地道出风温度越高，说明地道制冷能力越弱，需要增加新风量，从而保证项目需要的供冷量。

3.2 模拟思路

本文基于Matlab平台，编制了地道风的仿真程序（图9），验证地道风的应用效果，包括是否能够将室内热环境维持在控制要求的范围，以及地道风的供冷能力。

3.3 模拟结果

根据模拟结果，项目确定了具体的运行策略（表3），以及地道通风管道的长度和埋深。

从地道风夏季出风温度以及处理负荷情况的模拟结果可以看出：在一个供冷季，随着地道风运行时间的增加，地道风的出风温度逐渐升高，这是因为随着运行时间的增加，地道的蓄冷量减少，制冷能力

随之下降（图10-a）；项目制定的运行策略可以保证地道风提供的冷量大于建筑物负荷，即不再需要机械制冷就可以确保夏季室内热环境（图10-b）。

据此，项目还计算出了地道通风的节能量，以及占总负荷的比例（表4）。

模拟结果显示，该地道通风系统可以实现54%的空调采暖能耗节省，同时全年的取热排热不平衡率为17%，该不平衡率可以通过地道的自然散热实现平衡。

图11 地道通风室内CFD模型

图12 地道通风室内CFD模拟结果

表4 地道通风节能量

3.4 地道送风室内环境模拟

为了验证地道送风室内温度场的分布，项目根据科技示范楼的建筑规划方案，利用GAMBIT软件建立1∶1室内外风环境模拟的三维几何模型（图11），室内结构基本未做简化，网格数为200万。

通过模拟可以发现：空调季节利用地道风从室内进风口送入凉爽的空气，室内出现温度分层现象，下层温度较低，热气流受到热浮升力的作用向房间上层移动，从房间的上方排出，地道风的送风温度为20℃（图12）。

由于地道风送风量较小（5 000m3/h），因此室内分层现象明显，除去人无法到达的屋顶区域外，人活动区内的温差在4℃以内，可以保证室内温度28℃的设计目标。整体换气次数为1.6次/h。

4 地道通风实施

4.1 地道通风施工

风道的材料选择使用HDPE管。HDPE管具有稳定性好、无破坏、无渗漏、施工简便、传热系数高等优点。

风道的布置根据场地特点和建筑机房的进风口位置进行设计（图

13～15）。

图13 地道通风总平面布置

图14 地道风BIM模型

图15 地道风施工现场

表5 地道通风监测系统测点布置

4.2 地道通风监测与后续研究

为了充分监控地道通风的实际运行效果，进一步研究目前尚无定论的地道通风承担潜热负荷的除湿能力，进一步认识土壤传热和蓄热特性，并将实际运行结果与模拟结果进行比对，项目还设计了比较详细的地道通风监测系统（表5），以期为后续的科学研究打下坚实基础。

5 结论

本文基于对贵阳当地气象参数、资源禀赋以及科技示范楼负荷特性的分析，确定了“主动式和被动式相结合，优先采用被动式”的能源系统设计思路。在具体技术上，选择了气候适宜性和建筑适宜性俱佳且具有相当技术创新性的地道通风技术与生物质热水炉供热技术，同时针对地道风系统，配合同方人环开发了一套辅助冷源除湿的直接蒸发式地道风新风热泵机组。

项目编制了基于Matlab平台的地道通风换热模拟程序，结合建筑热环境及能耗模拟软件DeST，完成了地道通风系统的设计，模拟了系统运行效果，确定了运行策略，并估计了节能潜力。在本案例中，地道通风系统可以带来54%的空调采暖负荷节省。

致谢

北京清华同衡规划研究院有限公司王朝询、段然对本文亦有贡献。

[1]中国共产党.坚定不移沿着中国特色社会主义道路前进 为全面建成小康社会而奋斗——在中国共产党第十八次全国代表大会上的报告[EB/OL].（2012-11-8）[2012-11-19]http://www.xj.xinhuanet.com/2012-11/19/c_113722546.htm.

[2]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.

[3]秦蓉，刘烨，燕达，等.办公建筑提高夏季空调设定温度对建筑能耗的影响[J].暖通空调，2007，37（8）.

[4]罗茂辉，余娟，杨月婷.等温工况下分体空调送风动态化与人体热舒适试验研究[J].暖通空调，2014，44（5）.

[5]段启杉，孟凡涛，宋小庆，等.贵阳市浅层地温能开发利用现状及发展前景[J].地下水，2013，35（1）.

[6]李朝佳.贵阳地源热泵系统应用试验[J].能源与节能，2013（9）.

[7]李朝佳，李勇刚，何文君.贵阳某地埋管地源热泵系统项目工程分析[J].土工基础，2014，27（4）.

王者，清华大学建筑学院

刘加根，北京清华同衡规划设计研究院有限公司工程师

林波荣，清华大学建筑学院教授

王清平，同方人工环境有限公司高级工程师

朱颖心，清华大学建筑学院教授

2015-06-01

APPLICATION OF THE TUNNEL VENTILATION TECHNOLOGY IN THE-STUDIO IN GUI'AN NEW AREA

本文介绍了地道通风技术，以及这一绿色建筑技术在贵安新区清控人居科技示范楼中的应用。文章首先分析了贵阳地区的自然资源禀赋，讨论了技术适宜性，接着基于建筑冷热负荷分析和能耗模拟软件以及地道通风模拟程序，设计和模拟了该地道通风系统的运行效果，发现该系统可以实现54%的空调采暖负荷节省。文章最后介绍了该地道通风系统的实施情况。

This paper introduces the application of the tunnel ventilation technology in the THE-STUDIO (Tsinghua Eco-Studio) in Gui'an new area, Guiyang. The paper, f rst of all, analyzes the climate and natural resources of Guiyang, and based on which, it discusses the appropriate green building technology. Then on the basis of the building cooling and heating load analysis, energy simulation software and tunnel ventilation simulation program, the performance of tunnel ventilation system is designed and simulated, revealing that the system can achieve 54% of the air conditioning heating load savings. Finally, it introduces the implementation of the tunnel ventilation system.

地道通风技术 绿色建筑 贵阳 模拟

Tunnel Ventilation Technology, Green Building, Guiyang, Simulation

浙江省科技计划项目“夏热冬冷地区绿色低碳建筑关键和共性技术研发及示范”（编号：2012C01030-2）。