从建筑热工与通风来实现建筑节能目标的现状分析

(中国建筑第二工程局 河南 郑州 450000)

前言

目前，民用建筑能耗已经占到我国总能耗的30%以上，而建筑能耗中又以采暖耗能及空调耗能所占的比例最大，占比60%以上，据统计我国 97%的建筑都属于高能耗建筑，高耗能集中表现在建筑物保温性差和供热系统性能差这两个主要方面。作为我国的国策，研究如何有效地降低建筑物内采暖和空调系统的耗能已经成为实现建筑节能总体目标的关键因素[1]。而优化建筑热工及通风系统可以很大程度上降低建筑能耗。

自2005年2月16日起170多个国家批准加入的《京都议定书》正式生效，协议中明确规定通过提高保温标准来减少建筑围护结构的换热量，这是能够有效地在工业国家和发展中国家同时推行的一项重大举措；部分国家是通过立法和政府补贴来共同推动这一重大举措，用来解决政府机构的协调推动力不够的问题。建筑节能理念在建筑热工方面的优化研究主要集中在：加强围护结构的保温隔热能力。据统计，将近30%的热量从窗户损失掉，但是若是选择双层玻璃，中间充注入惰性气体，就可以有效的阻断热量的损失；还有将近35%的热量是从墙体通过导热、对流、辐射换热方式损失掉的，但是若是在外墙增设由良好隔热材料组成的保温层，可以达到良好的节能效果[2]。目前各国追求的智能建筑就是为了达到节能和良好的居住舒适度的双层标准，低能耗是指在合理的房屋结构，实用的功能、简洁的外观基础上达到最大的节能。

在过去的四十多年间，商业CFD软件的应用以及专门用于解决房间空气运动的程序开发逐步增多，CFD的应用范围包括空气射流扩散的预测、房间内空气流速与温度的分布、空间内污染物的传播、自然通风的评价与建筑内火灾和烟气传播的预测等。据大量学者实验验证，大部分情况下预测结果与已有的实验数据相符合[3]。现如今，建立建筑通风数值模型方面已取得巨大的成果，但是为了使CFD能够成为设计和研究的可靠工具，还有很多的研究开发工作需要进行，比如：鲁棒性更强的计算格式，不规则网格建立技术，湍流模型的改进、普遍性更强的壁面函数的建立等[4]。

一、建筑热工与通风对建筑节能的影响

还有一方面热量损失是：随着建筑物保温材料的改进，保温性能随之提高，能耗大幅降低，但是通过建筑物围护结构的空气渗透引起的能耗比例不断上升，有时甚至达到了总能耗的一半。一方面是由于尽管现在已经有了许多针对建筑保温材料的标准，但针对建筑围护结构气密性目前只有少部分北欧国家有相应的标准。另一方面则是由于所有建筑物或大或小均存在着渗透风的缘故，通过建筑物围护结构的渗透风是由于建筑结构的不完善或者建筑材料的多孔特性造成的，而渗透量则是由建筑物的设计、几何形状、具体的结构、建筑材料及建筑物的质量决定的。渗透风是最难控制的通风形式，相关研究报告还比较少，至今还没有较完备的解决方式，它会产生一些不良的影响，如增加热负荷、冷负荷、在寒冷天气产生的吹风感等。通过使用密闭的施工工艺和防漏风措施可以将渗透风量降至很低，从能量守恒的角度来看，这种方法是有利的，但是对室内空气品质和建筑结构而言则是有害的，通风量较低会导致建筑物内的污染物浓度和湿度增加，并且在寒冷季节会导致水蒸气的凝结。因此，从新风量的角度、建筑结构、空气品质、避免水蒸气凝结等要素来看，如何科学地控制渗透风，与建筑通风相结合，达到节能与高水平室内品质共赢的目的。

Togari和Hayakawa[5]课题组通过对一个比例模型和全尺度模型进行实际测量，得到了一座相扑馆内的空气运动和温度分布情况，将这些模拟数据应用于优化气流组织，为实际建筑内部的热环境提供比较准确的预测；Jackman[6]开发了一个基于图表和诺谟图的设计步骤用于估算送风量、送风温差和送风口尺寸。依据该设计程序，能在高处侧墙送风的房间内，可避免出现不可接受的过高的气流速度，设计出一个满意的室内空气分布环境。

综上所述，在对房屋结构进行设计与建设施工的过程中，必须充分考虑玻璃幕墙以及房间门窗之间的密封性问题，在合理范围内最大限度的降低冷风渗透的能耗，达到提高房屋的供暖效果和节能效率的目的[7]。基于此可以建立一种根据建筑围护结构缝隙渗透风动态变化特性来评价建筑物供暖效果和节能效率的模型进行研究分析。

二、建筑热工与通风对室内品质的影响

在过去的四十多年间，建筑节能理念在建筑通风上的应用已经经历了很大的变化。在这个阶段的第一个十年间，人们将大量的精力集中在建筑中空气渗透的机理研究上，从而最大程度的控制和减少无组织通风达到节约能源的目的。但是随之产生了“病态建筑综合症”这个新的问题，这是由于渗透空气的减少所导致的室内空气品质下降的原因；第二个十年间，学者们根据掌握的病态建筑的形成原因，引进新风这个概念，根据空气龄、新空气质量等单位对新风量进行控制及研究；在第三个十年间，专家学者将重点放在节能和保护环境上面，从对自然通风的节能潜力、局部环境的个性化控制等多方面进行调控，以达到建筑节能的目的；在最近的十年里，最新的研究成果表明室内污染物的稀释效果不仅受送入建筑物室内的空气数量和质量影响，而且受送入建筑物室内的气流分布形式的影响。多个国家均制定了新的通风准则和导则来保障室内环境质量以及达到建筑节能的目的[3]。达到设计出节能与室内空气品质(IAQ)并重的通风系统的目的。

Kurabuchi[8]课题组模拟分析了建筑物内部和周围环境的空气流动，使用四种湍流模型对一栋有两个相对开口的建筑物(空气对流)周围的气流和压力进行了预测并将其与实验测量数据进行对比分析，得出了较好的吻合结果。Schaelin[9]课题组研究了浮生力驱动而通过风口的气流组织，并在二维和三维模拟条件下对比了仅有浮生力驱动和浮生力、风力共同驱动下的模拟结果，结果显示吻合很好。

因此，为了准确评价建筑围护结构在动态缝隙通风条件下对建筑物室内空气品质与节能效果的影响规律及其渗透通风特性，可以建立基于建筑围护结构缝隙渗透通风(建筑外门窗关闭、无机械通风)、室内无污染源条件下在某地区室内外污染物质量浓度水平、室外气象参数(如：空气干球温度、相对湿度、风速等)等的动态变化实时监测平台。采用文献归纳、实时监测数据整理、模拟计算、数据分析等方法，提出一种根据建筑围护结构缝隙渗透风动态变化特性来评价建筑物空气品质的模型[10]。

三、结论

综上所述，结合学科发展前沿，在前人研究的基础上，结合建筑热工和建筑通风两方面，我们可以知道从对建筑物渗透风进行控制的同时分析室内气流分布形式，对两者耦合关系进行分析模拟及实验研究，可以在实现最优节能效果的同时保证室内高水平空气品质的目的。渗透风是风压、热压以及建筑物周围气候条件共同作用下形成的，由于建筑物周围气候条件是动态变化的，并且相对城镇地区，农村地区的房屋结构在渗透风及通风控制处理方面存在较大不足，未来拟建立一个针对某一地区农村住宅的能够合理控制渗透风以同时达到节能效果和高空气品质的房屋结构，对其进行理论分析、模拟及实验研究，找到三者之间的最佳耦合关系，给出渗透风控制策略、目标节能效果、目标空气品质三者之间的协同控制措施。