夏热冬暖地区某办公建筑自然通风节能潜力

2019-08-02王亮

上海节能 2019年7期

王亮

上海市计量测试技术研究院

0 引言

自然通风是一种有效的通风方式，相对机械通风具有降低建筑能耗的优点。在全社会节能减排的背景下，建筑中的自然通风技术受到热点关注。目前国内对于自然通风的研究还处于初级阶段，缺乏相关的标准和法规，对于自然通风的节能潜力尚未形成明确的预测方法。对自然通风的适用性分析，不同学者从不同角度出发，提出不同方法[1]，其基本原理为从舒适性角度出发采用热平衡理论结合换气次数的方法对单体简单空间自然通风潜力进行分析，从而忽略了不同外界风速边界条件及建筑空间结构对通风效果的影响。大部分办公建筑使用空间分散，结构灵活多变，因此采用常规的通风理论对办公建筑通风效果及节能潜力难以做出准确的预测。

随着计算机技术的迅速发展，CFD技术逐渐应用于建筑室内外流场的预测分析。CFD技术能够较为细致的研究建筑自然通风效果。本研究采用CFD技术结合当地气象数据，对夏热冬冷地区某办公建筑自然通风的节能潜力进行了研究。

1 气象条件分析

由于建筑自然通风受到当地气象条件影响，因此本研究对当地气象条件进行了考察，逐月室外气温见图1，风速风向联合分布见图2。

由图1和图2可见，当地全年最热的月份为7月和8月，月平均温度约为27℃。当地频率较高风向为东北风及西南风(分别为27.5%和13.1%)。鉴于自然通风使用时受到室外温度及风速风向条件的影响，因此本研究对不同温度区间风速风向进行了统计分析(根据舒适性要求，结合建筑空调负荷特性，选取12℃～24℃，按照4℃分段，并取每段平均温度值作为CFD模拟室外温度条件)[2]。

图1 逐月室外气温

图2 风速风向联合分布

2 计算模型及边界条件

本研究选取夏热冬冷地区某典型办公建筑为研究对象，该建筑朝向西南，建筑占地面积为456m2(38m×12m)，建筑模型如图3所示。该建筑的热工参数及建筑得热如表1所示[3](根据建筑自然通风室外气温特征，忽略围护结构传热)。

图3 典型办公建筑计算模型

表1 围护结构热工参数及建筑得热

根据当地气象条件分析及建筑办公区域空间结构特点，设定计算工况如表2所示。

表2 工况设置表

3 计算结果及分析

由于办公建筑使用功能需要，设定办公室门为关闭状态，主要依靠开窗进行单侧自然通风。各工况的计算结果如图4所示。

由图4可见，迎风侧室内通风效果优于背风侧，室外温度为14℃时，迎风侧部分办公区域温度过低(低于18℃)不能满足人体热舒适性要求；室外温度为22℃时，背风侧办公区域除顶层外，平均温度高于28℃，温度过高而不能满足人体舒适性要求详见图5。

图4 各工况计算结果汇总

图5 各工况不同楼层温度

由图5可见，迎风侧办公区域通风效果较好，室内外温差为0.3℃～3.7℃；背风侧办公区域通风效果差异性较大；顶层通风效果较好，室内外温差为2℃；底层较差，与室外温差达11℃。鉴于迎风侧室内外温差低于1℃(底层除外)，且不同温度下，建筑内部流场差异较小，结合人体舒适性要求，对该办公建筑适宜自然通风的室外温度设定为12℃～28℃。由于不同楼层、迎风及背风的影响，建筑内部温度分布均匀性较差，因此本研究采用适宜自然通风的办公区域面积作为节能潜力预测的基准，不同室外温度下自然通风适用的办公区域面积如图6所示；根据人体舒适性要求，按照4℃分段，12℃～28℃各段累积小时数如图7所示(横坐标为每段的平均温度，统计时段为8:00～18:00)。

图6 不同温度下适宜自然通风的办公区域面积

图7 不同温度分段累积小时数

根据以上分析结果，结合建筑空调负荷计算值，可得该办公建筑自然通风适用累计小时数为2 401h，节能潜力为41.5MWh.a-1(根据空调新能效标准，COP取3.2，下同)。

本研究进一步将该节能潜力预测方法与常规预测方法进行了对比研究。常规自然通风节能潜力评价方法基于建筑热平衡原理的计算方法。

根据建筑热平衡原理，建筑蓄热量为建筑净得热量[4]。对于某层建筑忽略楼层间传热并假定建筑物内温度相同，可得下式：

建筑温度变化及室内外温差较小时，忽略房间蓄热量及维护结构传热，式(1)简化为式(2)。

本文假设建筑采用自然通风，室内可接受的温度范围为18℃～28℃，当温度低于室内最低设定温度时进行采暖；高于室内最高设置温度时进行供冷。按平均风速，主导风向的风速工程计算方法(全年平均风速为1.0m/s，主导风向为东北风)，可得自然通风室内外温差为2.6℃。则适用于自然通风的室外温度范围为15.4℃～25.4℃，经统计得此温度范围内累积时间为1 973h，根据热负荷计算值，可得自然通风节能潜力为52.7MWh·a-1(自然通风节能潜力预测结果对比如图8所示，方法1为本研究使用方法，方法2为常规预测方法)。