多区域场馆类建筑自然通风策略及其节能量评估方法

叶剑军（1.上海市建筑科学研究院有限公司， 上海 200218；2.重庆市斯励博工程咨询有限公司， 重庆 401147）

我国于 2020年在联合国大会一般性辩论会上首次提出碳达峰、碳中和（“双碳”）目标，自此“双碳”目标已成为国家生态发展战略的主要行动目标。建筑行业发展超低能耗建筑，作为“十四五”期间助力“双碳”目标的实现实施路径的重要举措之一，已成为行业共识。自然通风策略是建筑被动式设计中的重要组成环节。相关热压风压驱动的自然通风设计方法也被广泛地采用，并制定了相关的技术标准，如 DBJ50/T-372—2020《大型公共建筑自然通风应用技术标准》。

在实际的工程实践中常常面临几个问题：①建筑方案形成中并未引入自然通风理念，而在方案基本确定后，引入自然通风设计策略，往往会对前期建筑方案产生较大影响，有时是颠覆性的；②场馆类公共建筑往往是由以大空间分布为主的主体功能区和以小空间隔断的辅助办公区的组合而成的多功能区域建筑，其中小空间办公区往往需要视觉和听觉的私密性，无法应用通透的设计策略；③当地常年气候限制，风速不大，可利用风压全年时长不高。这些问题均制约了自然通风技术在实际工程的应用。因此，需要一套适合于共性条件的普适的自然通风设计与控制策略。

1 自然通风与室内热环境关系

1.1 自然通风状态下的热舒适要求

根据 ANSI/ASHRAE 55a—2011《人类居住的热环境条件标准》的规定：“人的热舒适区间上限为 26.0 ℃，湿球温度上限为 20.0 ℃。”在考虑纬度因素的影响后，可修正舒适上限为 26.8 ℃。在考虑室内风速的影响后，舒适性区间可再次进行修正：如果室内风速流场为 0.2、0.5、1.0 m/s 时，舒适上限可分别增加 1.1、2.3、3.3 K，进而得出本次分析过程中室外舒适性温度区域。

1.2 全年自然通风的可利用小时数潜力分析

由于室内存在内热源，假定室内外温差为 0.5 K，那么对于全年室外气候条件下，根据项目当地气候逐时室外温度的变化，以及自然通风条件下，热舒适条件在干球温度 14～28 ℃，湿球温度≤20 ℃ ，可以统计出全年各月满足使用自然通风策略的小时数。各月自然通风潜力小时数分析见表 1。

表1 某地各月自然通风潜力小时数分析

1.3 自然通风策略

根据上述自然通风条件下热舒适度的范围模型，自然通风对于提高室内热舒适度的作用在于既可以及时排除室内余热，降低室内相对于室外的温升，又可以在室内人活动区域形成一定的风速，提高室内人员的热舒适度。

1.3.1 自然通风策略基本方法

自然通风是在压差推动下的空气流动。根据压差形成的机理，自然通风可以分为风压作用下的通风和热压作用下的自然通风。在建筑的自然通风设计中,风压通风与热压通风往往是互为补充、密不可分的。一般来说，在建筑进深较小的部位多利用风压来直接通风，而进深较大的部位则多利用热压来达到通风效果。

1.3.2 大空间区域自然通风设计

在实际工程项目中，根据 DBJ 50/T-372—2020 的要求，自然通风的设计任务即是在建筑室内选择项目中对层高高于 7 m 的室内区域，合理的设计建筑上下部开口方位（根据风向，尽量导入室外气流）、高度以及开口大小（形成足够的热压和通风量）。并在可能的情况下，在合理位置设置一定尺寸的通风井、排风帽和利用局部太阳能加热，强化热压作用的拔风效果。

1.3.3 其余区域自然通风设计

实际公共场馆建筑除了存在有利于热压风压作用的高大空间之外，还有较多区域作为附属的空间。这些空间往往高度较低，进深较大，数量较多，分布较为集中，在自然通风设计中往往容易忽视。针对这些低空间、进深大、数量较多且集中的区域，无法利用自然的动力达到通风的效果，可以考虑采用机械通风的方式引入外部温度适宜的空气，在满足一定新风量的条件下，及时排除室内余热，使室内空气温度满足舒适条件；同时，建议设置吊扇等室内机械装置，增加室内人体活动区域的风速，以满足室内温度落在 26～28 ℃ 的临界区间内的舒适度要求，如图 1 所示。

图1 多区域场馆建筑的自然通风设计策略流程

1.3.4 自然通风控制策略

由于自然通风模式下，各开口状态、排风风机状态、新风系统状态与常规空调系统均有所不同，因此需要通过一套控制逻辑，根据室内外温湿度状态的不同，通过对自然通风模式进行控制，将室内余热排出室外，降低室内温度，增加人体活动区域的风速，拓宽舒适区温度范围。自然通风控制逻辑如图 2 所示。

图2 多区域场馆建筑的自然通风控制逻辑流程

2 节能量评估方法

进行自然通风设计，强化自然通风效果，目的是增加非空调运行的时间，减少因空调开启导致的能源消耗。自然通风节能效益预测方法的基本思想，是利用能耗模拟软件，先对建筑在基本工况下的全年能耗进行模拟，获得全年累计能耗值，再对建筑在自然通风控制逻辑下的全年能耗进行模拟，两者之差即为自然通风的全年节能量。

（1）基准能耗计算方法。假定全年室外气温状态下，建筑不存在任何开窗通风措施，室内余热仅由围护结构传热的方式达到整体平衡。因此，室内外经常存在 5 K 左右的温差（视具体建筑有所不同）。当室内温度超过 26 ℃ 时，即室外温度超过 21 ℃ 时，空调系统开启，模拟计算每个空调小时内的能耗，并进行全年累计计算。

（2）自然通风因素情况下的计算方法。当建筑允许通过开启上下开口、排风装置以及新风系统的方式，利用自然室外冷源排除室内余热，使得室外温度在 16～28 ℃，均不需开启空调。同样当室外温度超过 28 ℃ 之后，空调系统开启，模拟计算每个空调小时内的能耗，并进行全年累计计算。

（3）其他应考虑的因素。在进行能耗模拟的时候，需要结合公共建筑的运行特点，选择符合实际且对比模型一致的空调开启时间，设置与实际相符的冷水机组在部分负荷下的能效曲线参数。

3 案例分析

重庆某展示馆项目，建筑主要功能分区包括科普展览区、科普影厅、公共区、办公区、后勤服务区等。总用地面积 22450.32 m2，总建筑面积 28460.00 m2（地上建筑面积 21763.00 m2，地下建筑面积 6697.00 m2）。本项目平面图如图 3 所示，具体功能分布见表 2。

图3 重庆某展示馆平面图

表2 重庆某展示馆主要功能房间及所在位置楼层

因建筑自身条件所限，完全依靠自然通风来实现过渡季不通过空调系统从而获得热舒适的状态非常困难，在无法通过开足够面积的窗洞或者以拔风井等形式诱导自然通风的情况下，本自然通风方案为在一层（＋夹层）展厅和二层（＋三层）综合大厅尽可能多地开窗，实现部分自然通风，达到节约能耗的目的。一层（＋夹层）展厅是上下两层连通的一个大空间，设置幕墙上下有窗，依靠热压进行单侧自然通风。二层（＋三层）综合大厅同样是上下连通的一个大空间，在西向同样设置幕墙上下有窗，另外在建筑的东侧也有位置可开窗，因此综合大厅部分可依靠热压进行单侧自然通风，部分可利用穿堂风风压实现自然通风通过软件模拟计算。对于其他区域的空间，目前自然通风的效果远远达不到要求，需配合机械通风方式。本项目设置了双风机全空气空调机组或单风机全空气空调机组＋排风机，过渡季节可以通过焓值控制技术实现可变新风比直至全新风工况。

大空间热压驱动的自然通风以及其他局部区域的机械辅助通风方式的组合通风模式，使项目最大可能的利用自然通风的节能潜力。依据模拟计算的结果，全年通过自然通风节能（电）约 2.8 万 kWh/a，占项目空调能耗的 4%。

4 结语

针对目前自然通风设计技术应用面临诸多建筑内外部空间限制条件的局限性，尤其对于场馆建筑多功能区域、大进深等特点，自然通风理念无法落地的现状，本文在分析了自然通风条件下人体热舒适区模型的基础上，提出了在该类多区域场馆建筑内，针对高大空间进行自然通风建筑设计，针对小空间采取设置机械辅助通风装置达到自然通风效果的分类设计策略以及根据 2 种空间进行分类控制的自然通风自动控制逻辑。继而提出了建筑全域内自然通风的全年节能量计算方法。该方法可为超低能耗建筑能耗的综合计算，以及节能率的计算提供支撑。