沿海地区高大空间建筑自然通风效果分析

马国川 沈天赐 余 涛

（1.中国建筑西南设计研究院有限公司 成都 610041；2.西南交通大学机械工程学院 成都 610031）

0 引言

高大空间建筑具有功能复杂、室内人员流动性较大、区域连通等特点，但大部分能耗被通风空调系统所消耗[1]。沿海地区一般风能资源丰富，自然通风条件较好，节能潜力大[2]。沿海地区高大空间建筑采用自然通风，可提高人员热舒适性，同时可以减小通风空调系统开启时间，大幅降低系统运行能耗。

目前有较多学者对不同类型建筑的自然通风效果进行了研究。金双双等[3]以自然通风小时数为评估指标分析了我国不同地区居住建筑的自然通风潜力，东南沿海地区通风潜力较大，自然通风小时在1937～2701 之间。张建刚[4]采用EnergyPlus软件对4-10月期间石家庄站自然通风方式下的通风换气量以及人员活动区的温度分布进行了模拟分析。乔宣铭等[5]结合不同地区气候特点，研究了北方铁路客站自然通风降温效果。Kolokotroni 等[6]以室外温度和室内温度为控制参数对自然通风系统进行控制。Karava 等[7]通过检测室外空气温度和相对湿度的值来控制自然通风系统。目前，针对沿海地区高大空间建筑自然通风的研究较少。

本文采用EnergyPlus 软件对江苏连云港地区某铁路站房高大空间建筑的自然通风效果进行分析，提出一种适用于连云港地区高大空间建筑的自然通风控制方案，并对室内人员热舒适性和空调系统能耗进行了分析。

1 模型建立

1.1 建筑概况

本文以江苏省连云港地区某铁路站房高大空间建筑为研究对象，该站房仅一层，为正东朝向，侯车厅总面积为5135.1m2，顶部为坡屋顶，顶部最高为22.2m。候车厅上部可开启窗户面积为86.9m2，下部外门开启面积为84m2。

1.2 计算模型

采用Designbuilder 软件进行建模，该铁路站房模型如图1所示，门窗分布如图2所示。

图1 建筑模型图Fig.1 Building model

图2 建筑门窗分布图Fig.2 Distribution of building doors and windows

1.3 模拟参数设置

本文主要研究该站房建筑的自然通风效果，模拟时间为非供暖季（夏季和过渡季），具体时段为3月28日至11月13日。模拟所采用的连云港地区气象参数来源于EnergyPlus 官网。

站房的围护结构参数满足《公共建筑节能设计标准》[8]中规定的围护结构传热系数要求，外墙传热系数为0.5W/(m2·K) ，屋顶传热系数为0.45W/(m2·K)，外窗（含透光幕墙）传热系数为2.4W/(m2·K)。站房内人员数量为1000 人，设备负荷为15W/m2，室内灯光负荷取9W/m2[9]。

顶部外窗全天开启，而下部外门只在开站时间即06:00～23:00 内开启。

1.4 热舒适评价方法

由于自然通风下的热舒适性与稳态空调环境下的情况有较大区别，稳态空调环境的热舒适标准不一定适用于自然通风环境。本文选择适应性模型来分析自然通风下候车厅热舒适性，如式（1）所示[10]。

式中，tc为室内热中性温度，℃；to为室外环境温度，℃。

以热中性温度为中心，以7℃为80%的人可接受的舒适区宽度定义室内舒适温度的范围，即tc±3.5℃。

2 结果分析

采用EnergyPlus 软件对该站房高大空间建筑在非供暖季的自然通风效果及控制策略进行模拟分析研究。

2.1 自然通风换气效果

图3为整个候车大厅自然通风总换气量，该候车厅的总换气量基本在20～80m³/s 范围内变动，在非供暖季的平均总换气量为48m³/s。

图3 自然通风换气量Fig.3 Natural ventilation rate

图4为整个候车大厅自然通风总换气次数，该候车厅的总换气次数基本在0.5～2.5 次/h 范围内变动，在非供暖季的平均总换气次数为1.4 次/h。

图4 自然通风换气次数Fig.4 Air change rate of natural ventilation

2.2 自然通风热舒适效果

图5为自然通风条件下人员活动区温度变化，同时给出了80%的人可接受的热舒适上下限温度。当人员活动区温度处于热舒适上下限温度区间时，表明有80%的人对室内温度感到舒适。

图5 人员活动区温度Fig.5 Air temperature in the occupied zone

在图中可以看出，从5月份初至6月中旬以及9月中旬至10月末，不进行控制的条件下（外窗全天开启，外门工作时间开启）可以达到热舒适需求而不开启空调系统。而在6月中旬至9月中旬期间，人员活动区域温度基本高于热舒适上限温度，需要关闭外窗减少自然通风，通过空调设备进行降温。

2.3 自然通风切换温度

在过渡季，当仅采用自然通风无法将室内控制在热舒适区域内时需要开启制冷机对室内空气进行降温处理，当仅靠通风措施就可将室内空气状态控制在热舒适范围时可关闭制冷机。对通风系统和空调系统进行切换时，相应的室外空气温度为自然通风上切换温度Tws。当需要采取供暖设施或关闭供暖设施时所对应的室外空气温度为自然通风下切换温度Twx。

本文中，人员活动区域温度与热舒适上下限温度的交点所对应时间的室外空气温度，即为自然通风切换温度。从室内人员活动区温度图与室外温度图可以得到，自然通风的上切换温度的取值范围在21～26℃，下切换温度的取值范围在11～17℃。对非供暖期内自然通风系统的不同通风切换温度下的室内人员活动区热舒适时间进行分析，结果如图6所示。

图6 不同通风切换温度下室内热舒适时间Fig.6 Indoor thermal comfort time under different ventilation switching temperatures

从图6可以看出，自然通风上切换温度不变，随着自然通风下切换温度的增加，非供暖期间的热舒适时间呈现先升高后降低的趋势，在14～15℃时，室内人员活动区的热舒适小时数最高。自然通风下切换温度不变，随着自然通风上切换温度的增加，热舒适时间一直增加，在25℃以上时，热舒适时间的变化幅度较低，在26℃时，室内人员活动区的热舒适小时数最多。

综合考虑不同自然通风切换温度下的热舒适时间，选择自然通风下切换温度为14℃和自然通风上切换温度为26℃。

2.4 自然通风+空调控制策略分析

自然通风建筑室内的热舒适以及空气环境主要是通过自然通风和空调系统协调配合来保证。通过对影响人体热舒适及室内空气质量的因素进行分析，目前通风控制研究中常用的控制参数包括室内外空气温度、湿度、室内空气流速、空气换气次数以及室内CO2浓度等[7,11,12]。

考虑实际运行的简便性，本文的站房自然通风控制系统调控的参量是室外空气温度及室内CO2浓度。具体控制策略为：当室外空气温度TW大于Twx（自然通风下切换温度）且小于Tws（自然通风上切换温度），开启自然通风窗；当室外空气温度TW大于Tws或者室内二氧化碳浓度PCO2大于1000ppm 时，关闭自然通风窗，开启空调系统。

根据2.3 节确定的自然通风切换温度以及上述控制策略，采用EnergyPlus 软件对在非供暖季采用自然通风+空调的控制方案进行模拟计算。其室内人员活动区的温度变化如图7所示。

从图7可以看出，通过控制外窗和空调的开启，在非供暖季，自然通风系统控制下的室内人员活动区温度基本都处于舒适范围内。

图7 自然通风+空调方案下的人员活动区空气温度Fig.7 Air temperature of the occupied zone under the scheme of natural ventilation with air conditioning

2.5 自然通风+空调系统能耗

机械制冷空调系统主要考虑在制冷季开启冷水机组，过渡季利用组合式空气处理机组直接通风降温。站房分别采用自然通风+空调系统与机械制冷空调系统，需要运行空调的时间如表1所示。其中，方案1 为机械制冷空调系统，方案2 为自然通风+空调系统。

表1 两种降温方案对比Table 1 Comparison of two cooling schemes

与完全采用机械制冷空调系统相比，站厅采用自然通风+空调系统，制冷工况下所需开启空调的时间明显减少，可以减少467h；同时自然通风+空调系统的空调能耗为34.2 万kWh，相比于全机械制冷空调系统的39.4 万kWh 能耗，可以节约5.2万kWh 的能耗，节能率为13.1%。

3 结论

本文针对沿海地区某铁路站房高大空间建筑的自然通风效果进行了分析，得到如下结论：

（1）连云港地区铁路站房的自然通风效果较好，在非供暖季，站房候车厅平均总换气量可以达到48m³/s，平均总换气次数可以达到1.4 次/h。

（2）在5月初至6月中旬以及9月中旬至10月末的期间，自然通风就可以达到热舒适需求而不开启空调系统。

（3）根据站房内人员活动区热舒适时间确定了该站房的自然通风切换温度，并提出了自然通风+空调的控制策略。

（4）与完全采用机械制冷空调系统相比，自然通风+空调系统的空调运行时间可减少467h，节能13.1%。