基于室内舒适度的教学建筑被动技术评价方法★

杨 帆，刘盛楠，尚佳豪

(1.石家庄铁道大学建筑与艺术学院,河北 石家庄 050043; 2.河北医科大学第一医院,河北 石家庄 050011)

0 引言

大学校园人员密集,一直以来都是能耗较大的公共建筑。截至2020年,我国共有2 000余所高校,据统计其耗能量占了社会总能耗的大约8%左右[1]。可见,校园建筑的节能潜力巨大,在我国大力发展节能减排的背景下,对其制定有效的节能措施具有重大的意义。

获得舒适又节能的建筑是建筑设计主要目标,因此建筑师主导的节能设计成为了备受关注的重点。其中,关于人体舒适度的研究是建筑领域开展较早的课题,随着高校建筑节能话题的进行,大学教室的研究数量骤增[2-3],并且前期笔者课题组通过实地测试与调研建立了适用于该类特殊建筑的全年舒适区间[4-5]。同时,需要注意的一点是,与国外很多建筑的运行方式不同,我国寒冷气候区的高校教室通常采用混合运行模式,即建筑全年部分时段处于空调运行、部分时段处于自由运行,也就是室内人员可以通过开关空调、开关门窗进行通风等方式对室内热环境进行调控。这种做法可以最大程度地利用当地有利的气候资源使用被动技术改善室内的舒适环境,在被动措施不足以维持舒适的室内环境时开始暖通空调设备。可见,正确利用建筑被动技术可以减少空调等耗能设备的运行时长,从而有效降低能耗。

大部分地区的室外气候与室内环境以及室内热舒适环境之间都存在着偏差,采取合理的建筑自身调控技术缩小人体热舒适需求与室外气候的差异,尽可能扩大建筑被动式技术可调节和控制的气候区间,从而降低建筑对人工环境设备的需求成了被动设计的目标[6]。针对人-建筑-气候3个复杂系统的科学难题,杨柳教授团队在中国西部进行了开创性应用与实践,形成了黄土高原、西北旱区和四川震区等多种低能耗乡村建筑设计模式,成为中国地域建筑更新设计的典范[7]。

综上,本文针对特殊的建筑类型高校教室提出使用自然室温落入全年舒适区间的小时数作为评价标准对被动技术的气候适应性进行定量评价的方法。通过建立室外气候条件、室内自然室温、室内舒适环境三者之间映射关系,重点分析被动设计手法对建筑非空调舒适时长的影响,从而对被动技术的适用性进行定量评价,为建筑师在方案阶段被动技术选择提供依据。

1 研究方法

1.1 寒冷气候区高校建筑室内全年舒适区间

本文之所以使用自然室温落入全年舒适区间的小时数作为评价标准,是因为该指标既能代表人体热舒适情况,又与建筑能耗息息相关。对此,首先需要明确的就是全年的舒适区间。课题组的前期工作查明了混合运行建筑中使用者对热环境的评价与存在显著差异,适应性理论可以更好地解释混合式运行建筑的舒适区间[8]。

根据GB/T 50785—2012民用建筑室内热环境评价标准中给出的适应性平均热感觉指标(APMV),平均热感觉指标(APMV)应按下式计算：

APMV=PMV/(1+λ·PMV)。其中,APMV为预计适应性平均热感觉指标;PMV为预计平均热感觉指标;λ为自适应系数,按规范要求分别取0.21(PMV≥0)和-0.29(PMV<0)。

根据教室建筑的实际使用情况,在确定室内可接受热湿区间时,人员新陈代谢率取1.2 met,服装热阻冬季取1.5 clo,夏季取0.3 clo,室内平均空气流速取0.03 m/s,室内平均辐射温度采用与室内空气温度近似相等的原则处理。随后,以《民用建筑室内热环境评价标准》中Ⅰ级评价等级(即-0.5≤APMV≤0.5)为标准计算舒适区间的物理环境条件,结果见表1,表2。

表1 夏季可接受的操作温度范围边界

表2 冬季可接受的操作温度范围边界

基于APMV适应性模型计算了天津地区的全年的舒适区间,将舒适区范围绘制在温湿图上,见图1。其中黑色线包围的区域是冬季舒适区域,深灰色包围区域为夏季舒适区,灰色实线包围区域为全年舒适区。

1.2 基准建筑模拟参数设定

本文首先需要确定基准建筑(未设置被动技术)的自然舒适时长,并以此为例,对被动技术进行评价。目前高校公共建筑常见的平面形式总体上可以分为：一字型(双面教室+内长廊)、E型、L型、天井型与不规则型[8]。本文选用寒冷气候区常见的E型教学楼为例,在EnergyPlus中对建筑物进行合理简化,构建模型进行计算,如图2所示。

将基准建筑的相关计算参数分为围护结构参数以及运行参数,将其分别设定如下：

1)围护结构参数设定：根据建筑实际情况设置,其中外墙传热系数0.6 W/(m2·K);屋面传热系数0.55 W/(m2·K);外窗传热系数3 W/(m2·K)。

2)运行参数设定：参考《暖通空调设计手册》要求,房间时换气次数设定1/4次/h;参考《建筑设计资料集》,并结合教学安排以及实地调研情况确定将人员密度设定为4 m2/人,人员密度;参考GB 50034—2013建筑照明设计标准中对学校建筑普通教室照明功率密度值的要求,将照明功率密度确定为11 W/m2;教室电器设备种类偏少,参考GB 50189—2015公共建筑节能设计标准,将其确定为5 W/m2。

2 被动技术对舒适时长的影响

此部分以寒冷气候区高校建筑的全年的舒适区间作为定量评价被动技术的指标,对不同被动技术的有效性进行分析计算。首先采用EnergyPlus软件模拟计算基准建筑的全年自然室温分布,统计落入舒适的小时数作为评价基准,随后模拟计算加入不同被动技术之后落入全年舒适区间的小时数,并与基准小时数进行对比。

2.1 基准建筑的自然室温

对模拟结果进行统计,图3显示了基准建筑全年8 760 h的室内自然室温分布情况,通过统计可知室内环境落入全年舒适区范围的气象点有2 263个,占全年时间的25.8%,其余74.18%的时间处于不舒适的环境中,舒适时间比无建筑室外环境延长了377 h。

2.2 自然通风技术的适用性评价

自然通风技术是目前使用较为广泛的一项被动措施[9-11],该技术可以在不消耗能源的条件下有效降低室内温度,并且在一定程度上可以补偿环境温度升高带来的不舒适[12],有学者提出在偏热环境下,在风速作用下可接受温度上限可达32 ℃[13-14]。对通风降温效果影响最大因素是：室内通风换气次数、通风运行时刻表。参考GB 50736—2012民用建筑供暖通风与空气调节设计规范中对于教室高密人群建筑最小通风量的规定,通风换气次数设置为1次/h～5次/h,步长设定为1。对于通风运行时刻表的确定,根据上一步对基准建筑模拟结果,在非供暖时段,当室外空气焓值低于室内空气焓值时可以进行开窗通风。

分别计算不同换气次数下的室内热环境,结果如表3所示。当换气次数达到为1次/h时,室内环境落入全年舒适区范围的气象点有2 529个,占全年时间的28.9%,其余时间71.1%的时间处于不舒适的环境中,比基准建筑的舒适时间延长了266 h;当换气次数达到2次/h时,室内环境落入全年舒适区范围的气象点有2 659个,占全年时间的30.3%,其余时间69.7%的时间处于不舒适的环境中,比无建筑的情况下舒适时间延长396 h;换气次数为3次/h条件下,室内环境落入全年舒适区范围的气象点有2 747个,占全年时间的31.4%,其余时间68.6 %的时间处于不舒适的环境中,比无建筑的情况下舒适时间延长484 h;当换气次数为4次/h条件下,室内环境落入全年舒适区范围的气象点有2 747个,占全年时间的31.4%,其余时间68.6 %的时间处于不舒适的环境中,比无建筑的情况下舒适时间延长484 h;当换气次数为5次/h条件下,室内环境落入全年舒适区范围的气象点有2 819个,占全年时间的32.2%,其余时间67.8%的时间处于不舒适的环境中,比无建筑的情况下舒适时间延长556 h。

表3 通风次数与全年舒适时长的关系

可见,当通风次数达到5次/h时,全年自然室温处于舒适区的时长为2 819 h约为4个月,比基准建筑的舒适时长增长了556 h,约23 d,可以使非空调时长延长近一个月,具有良好的节能效果。因此,在合理范围内随着通风量的增大全年自然室温处于舒适区间的时长不断增大,但需要注意过大室内风速会给人带来吹风的烦扰感、压力感、黏膜的不适感[15],对此ASHRA E55标准中规定风速上限为0.8 m/s。因此,在进行模拟计算之前,首先需要对室内风速进行简单计算。本文利用Airpak软件对室内平均风速进行了模拟,确定不同换气次数对应的室内平均风速,结果见表4。

表4 不同换气次数下室内平均风速

2.3 建筑遮阳技术的适用性

遮阳设施作为围护结构的一部分可以在夏季阻止直射阳光透过玻璃进入室内,防止阳光过分照射和加热围护结构。对效果影响最大的因素是遮阳系数,根据JG/T 277—2010建筑遮阳热舒适、视觉舒适性能与分级中的定义,遮阳系数为玻璃窗和遮阳装置综合的太阳能总透射比gtot与相同条件、相同面积下的玻璃窗太阳能总透射比g的比值,可见理论上遮阳系数越小,夏季防热效果越好,进入室内的辐射热量减小越小,相应地室内平均辐射温度也会减小[16]。

假定南向窗口采用固定遮阳措施,模拟计算不同综合遮阳系数下室内舒适时长的变化,变化范围设定为0.4～0.7,步长为0.1。表5统计了南向窗口固定遮阳系数下的全年舒适时长,结果发现在全年固定遮阳系数的条件下,随着遮阳系数的减小全年舒适时长虽有所增加,但对非空调时段舒适时长的增大效果并不明显,遮阳系数从0.4提高到0.7仅增加了63 h。

表5 南向窗口遮阳系数与全年舒适时长统计

2.4 蒸发降温的适用性

蒸发降温目前主要有两种形式,分别为直接蒸发降温和间接蒸发降温,直接蒸发降温是指干热的室外空气经过流水构件之后,由于水的蒸发吸热作用,湿空气温度降低进入室内,间接蒸发降温指淋水屋面、蓄水屋面等构件利用太阳辐射使水分蒸发从而既可以降低室内温度又不会增加室内湿度[17]。以天津地区为例,夏季室外计算日平均干球温度33.9 ℃,湿球温度为26.9 ℃,干湿球温度差为7 ℃,故最大降温潜力小于7 ℃,如图4所示,深灰区间表示蒸发冷却的有效降温区间,即当自然室温落入深灰色区间范围内时可以通过蒸发降温的方式使室内环境达到舒适区间。

从表6的统计数据中可以看出,使用了蒸发冷却降温技术后,舒适时长得到了延长,相比于未采用蒸发降温措施的基准建筑,舒适时长延长了591 h,约为25 d,有效减少了空调的开启时间。当冷却降温达到6 ℃后,即使再降低温度而舒适时长却不再增大,这是因为受到了含湿量的限制。

表6 蒸发冷却全年有效时长

3 结论

本文采用EnergyPlus软件分别计算了自然通风、建筑遮阳以及蒸发降温三项被动技术对建筑室内热环境的影响,并且从舒适度的角度出发,利用自然室温落入舒适区间的小时数作为评价标准,对不同被动技术的效果进行了评价。具体结果如下：

1)在非供暖时段,当室外空气焓值低于室内空气焓值时可以进行开窗通风,随着通风量的增大全年自然室温处于舒适区间的时长增大。当通风次数达到5次/h时全年自然室温处于舒适区的时长为2 819 h约为4个月,比基准建筑的舒适时长增长了556 h,约23 d。所以,建议采用适当通风措施使增加室内换气次数,具有较好的节能效果,但要注意室内风速不宜过大。

2)全年固定遮阳系数对整体舒适时长的影响并不显著,因此,建议使用可调遮阳系数的遮阳系统,并根据当地的气候条件适时调整遮阳系数。

3)蒸发冷却降温可以有效延长舒适时长,减少空调的开启时间,但在使用时要注意蒸发降温方式会造成空气的含湿量增大,舒适时长并不会一直随着降温程度的增大而增大。