浙江省南北气候区办公建筑自然通风节能量研究

2019-06-28吴佳艳

浙江建筑 2019年3期

牟宇，吴佳艳，丁德

(杭州浙大精创建筑节能科技有限公司,浙江杭州 310027)

1 背景

自然通风作为建筑有效地降低能耗，提高舒适性的手段,已成为建筑设计环节中必不可少的要素。已有研究表明,办公建筑自然通风每年可节约空调能耗14～41 kWh/m2[1]。《绿色建筑评价标准(GB/T 50378—2014)》中第8.2.10条规定公共建筑在过渡季典型工况下主要功能房间平均自然通风换气次数不小于2次/h，达到一定面积比例,可取得相对应的分数,最高可得13分[2],权重较大。由此可见，自然通风对建筑节能与舒适性的重要性。

自然通风技术具有很强的气候特性,不同气候地区对应用自然通风的潜力不尽相同,自然通风在当地气候条件下的有效时数越长,则说明当地自然通风节能的潜力越大[3]。浙江省介于北纬27度12分至31度31分之间,纬度跨度不大,但仍然有较为明显的气候分区。浙江省《居住建筑节能设计标准(DB 33/1015—2015)》将浙江省建筑节能设计分为南、北两个气候分区,南区历年逐月平均温度均要高于北区。以杭州(气候北区城市)和温州(气候南区城市)为例,温州过渡季平均温度较杭州高出1℃～3℃,这就导致针对上述两个城市实施自然通风的适用时间不一致。

本文针对浙江省杭州、温州两个城市的气候特点，分别进行动态耦合能耗分析法得出浙江省不同气候区域的自然通风有效时数,并通过全年逐时模拟计算对典型办公建筑自然通风节能潜力进行分析。动态耦合能耗分析法是通过自然通风与热环境的耦合计算得出建筑的全年自然通风风量和空调能耗,可以较为精确地分析建筑节能量[4]。为实现上述目标,本文选取一栋典型办公建筑,应用eQuest软件进行模拟计算,eQuest软件是为数不多的可将自然通风与热环境耦合的计算工具。

2 物理模型及模拟参数设置

2.1 物理模型

本文选取一个典型南北朝向的板式办公楼作为研究对象,建筑标准层平面图见图1。该项目总建筑面积9 328 m2,地上11层,总高度51.6 m,体形系数0.21。在不影响自然通风节能分析结果的前提下,对模型进行了适当简化,由于各层使用功能一致,因此将物理模型各层均简化为标准层,简化的物理模型见图2。

图1 建筑平面布置图

2.2 模拟参数输入

气象参数选取中国气象数据集中杭州和温州地区的典型气象年数据。本项目围护结构热工参数见表1。

图2 eQuest物理模型

表1 建筑围护结构热工参数表

该建筑主要包括办公室和走廊两种主要房间功能,功能房间相关参数见表2。建筑周一至周五运行,周六、周日休息,人员、灯光、设备作息时间及房间温度逐时设定值均按照《公共建筑节能设计标准(GB 50189—2015)》附录B进行设置,见图3、图4。空调冷热源采用多联式空调系统,制冷能效比3.4,制热能效比3.8。

表2 房间参数设定

图3 人员、照明、设备作息

图4 室内设定温度

3 自然通风舒适度区间

余贞贞等[5]总结了众多学者及机构对自然通风条件下建筑热舒适性模型的研究成果,以ASHRAE55—2013为例,自然通风条件下,80%人群舒适性满意(Ⅱ级舒适度)情况下,可接受的操作温度的上、下限为公式(1)～(2)：

toupper=0.31tout+21.3

(1)

tolower=0.31tout+14.3

(2)

式中：toupper为上限操作温度,℃；

tolower为下限操作温度,℃;

tout为室外月平均干球温度,℃。

在风速不高,静坐办公前提下,操作温度又可以表示为公式(3)：

to=(ta+tr)/2

(3)

式中：to为操作温度,℃；

ta为室内干球温度,℃；

tr为室内平均辐射温度,℃。

根据Nadine Walikewitz等[6]人研究成果,绝大多数情况下,建筑室内干球温度与室内平均辐射温度差异不大,因此室内干球温度可近似等于操作温度。有研究表明当过渡季室外温度处于14℃～22℃时[7],自然通风较为有效。浙江省《居住建筑节能设计标准(DB 33/1015—2015)》附录D给出了浙江省各地逐月平均温度,杭州、温州两地逐月平均温度在14℃～22℃区间或接近这个区间的月份为3—6月和10—11月。表3列出了杭州、温州两地上述月份逐月室外平均温度与80%人群舒适性满意情况下的室内干球温度计算值。通过数据对比,杭州、温州两地区各月适宜自然通风的室内温度区间基本一致,11月份差异最大,仅为0.8℃。将表3温度计算值输入eQuest软件,控制自然通风的启动条件。以杭州3月份为例,室温小于17.8℃时,门窗关闭, 开启空调制热；当室温介于17.8℃～24.8℃之间时开启门窗,关闭空调；当室温高于24.8℃时关闭门窗,开启空调并制冷。

表3 80%人群满意室内逐月干球温度 ℃

4 建筑自然通风有效时数

自然通风有效时数为建筑在某一时段可利用自然通风抵消室内冷负荷的全部小时数。由于各层、各朝向的逐时负荷特点均不相同,若要分析自然通风在某一时间段是否能抵消冷负荷,则需要选取某一特定空调分区来研究自然通风的节能量,本文选取标准层北侧办公空间作为研究对比对象。通过对该建筑全年动态模拟,总结出杭州各月份适宜自然通风的有效时数和各月有效时数占建筑运行时间的百分比,见表4。杭州过渡季自然通风有效时数比温州地区高100 h左右。各月份有效时数差异也较大,春季,杭州3月份仅有29%的时间适宜自然通风,而温州地区比例达到68%,温州较杭州自然通风可略早介入；从5月、6月数据看,由于温州较杭州气温高,因此可利用的时间也比杭州少一些。秋季杭州10月较适宜自然通风,有效通风时间百分比达到85%,而温州则是在11月较为适宜,比例高达89%。杭州在4月、5月、10月自然通风最为有效,而温州则是在3月、4月、11月,两地区自然通风适宜月份有明显差异。

表4 自然通风有效时数及其百分比

5 建筑自然通风节能量分析

表5给出了建筑在非自然通风和自然通风两种工况下,杭州和温州两种气候条件下空调制冷能耗对比。由表中数据可知,该建筑在温州地区年制冷能耗为181×103kWh/年；杭州地区年制冷能耗为162×103kWh/年。利用自然通风手段,温州地区可节约22×103kWh/年,折合电费约2万元,占总制冷能耗比重约12%；杭州地区可节约32×103kWh/年,折合电费约3万元,占总制冷能耗比重约20%。以上分析表明,针对办公建筑杭州地区过渡季利用自然通风对降低制冷能耗更为有效,而温州由于地处浙江南区,过渡季温度较高,因此利用自然通风带来的节能效果不如浙江省北区明显。