可变通风对住宅建筑热环境的影响

 一、前言

　　在住宅建筑各种被动式的设计方法中，利用自然通风的办法来改善室内的热环境是最常见也是最有效的一种方法；这主要是因为以下几个原因：
　　1．利用室内外的通风可以大大减少空调的使用，一方面可以减少能源的消耗、降低污染，另一方面也有利于居住者的生理和心理健康。
　　 2．与其它相对复杂的、昂贵的生态技术相比，自然通风普遍使用的一向比较成熟的而且廉价的技术措施。
 
二、目前通风模拟的问题
 
　　目前在对住宅建筑能耗的模拟计算中，室内外的通风量普遍为一个给定的值，例如在《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》对建筑物进行模拟分析时指出：
　　住宅建筑的层高为2.5m以上，按人均居住面积15m²计算，1小时换气1次，人均占有新风37.5m²。接近二级客房的水平。
该标准对于通风的定义时，与实际住宅类的情况并不相符，主要问题存在于以下两个方面：
　　1．小区规划、单体建筑朝向以及户型的设计都会对实际住宅通风量的大小造成很大的影响。而这种差异将对建筑的热环境和能耗造成很大的影响。这部分工作应以小区风场的CFD模拟为基础，计算得出不同住宅建筑在关闭门窗情况下的最小通风换气量和开门窗情况下的最大通风换气能力。
　　2．实际住宅中各时刻的通风量也会受住户干预而在不断变化，而且这个通风量的变化也会对住宅建筑的热环境和能耗会有较大影响；
 
三、室内外通风变化规律
 
　　一方面室内外通风量由门窗的开窗和关闭状况、室外风速风向以及建筑的设计的形式所决定，设计师可以通过合理的设计，保持良好的通风；另一方面而住宅的住房则可以通过开启和关闭门窗来调节室内外的通风换气量。根据人在生活中开关门窗调节通风量的简单习惯，设室内人员热舒适的室温区域为16～29℃，则此时由于用户开关门窗引起的通风量变化规律如下：  
　　如果按照最小风量通风时，室内温度在16～29℃之间时，按照最小风量通风；
　　如果按照最小风量通风时，室内温度低于16℃时，且室外气温高于当前室内温度，则增大通风量至最大通风量；
　　如果按照最小风量通风时，室内温度高于29℃时，且室外气温低于当前室内温度，则增大通风量至最大通风量；
　　在使用空调和供暖时，通风量变化的控制规则与计算自然室温有所不同，通风量变化控制的规则设定如下：
　　如果按照最小风量通风时，室内温度在16～29℃之间时，按照最小风量通风，室内不开启空调；
　　按照最小风量通风时，室内温度低于16℃时，且室外气温高于当前室内温度，则增大通风量至16～29度，不开启空调；如果达不到，则通风仍然为最小，且室内开启空调；
　　按照最小风量通风时，室内温度高于29度，且室外气温低于当前室内温度，则增大通风量至16～29度，不开启空调；如果达不到，则通风仍然为最小，且室内开启空调；
　　根据这个思路，为了更加深入地探讨通风的大小和通风的变化对住宅类建筑的室内热环境影响，以下利用建筑热环境模拟分析软件包DeST2.0，对位于武汉地区的一住宅类建筑的室内热环境进行全年模拟和分析，比较和分析通风量的大小和通风的变化对该住宅建筑的自然室温和耗冷热量的影响。
 
四、建筑模型
 
　　本模型建筑地处湖北省武汉市（纬度：30.6），室外气象计算参数采用了武汉地区典型气象年的室外气象参数。室内热参数参照《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》中室内的热扰变化。灯光得热：室内灯光得热按照每平方米每天0.0141kWh计算。室内其它得热平均强度：室内其它得热平均强度按照4.3W/m²计算。建筑外形及平面如图所示：
 　　　　
　　　　　　　　　 a-1 建筑平面图 　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　  b -1 建筑轴视图
建筑共分为四层，首层架空；首层层高5.5米，其余各层层高为3米；一梯两户，每户面积均为114.5平方米。围护结构的热物理参数见表4-1：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表4-1围护结构的热物性参数表

　　夏季室内空调设计温度为26℃，80%；冬季室内供暖设计温度为18℃，30%；
　　夏季室内舒适温度上限为29℃；夏季室内舒适温度下限为16℃；
 
五、室内外通风对建筑物自然室温的影响

　　对比的计算工况如下：
　　全年固定为1次/h的室内外换气，称为方案A，可变通负换气范围为1～2次/h，称为方案B；可变通风换气范围为1～3次/h，称为方案C；可变通风换气范围为1～4次/h，称为方案D；全年固定为4次/h室内我换气，称为方案E；
以下从二到四层各取一户，取各种工况的自然室温进行比较。
　　　　　　　  
　　　　　　　　　　　　　　　　图5-1　二层房间自然室温出现小时数统计图
 　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　图5-2　三层房间自然室温出现小时数统计图
 　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　图5-3 四层房间自然室温出现小时数统计图
 　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　图5-4　全楼室温在16～29℃范围内小时数比例统计图
 
　　通过以上的比较可以看到：
 
　　1．图5-4为全楼各房间温度处于舒适小时数的累计，其中方案A可以只能保证整栋住宅在全年的38%的时间室内环境的舒适，而方案D可以使全楼45%的时间处于舒适区。由此可以看出，在增大通风范围之后，室内温度处于舒适区域（16～29℃ ）的时间会大大增加。
　　2．改变通风范围后小于16℃的小时数变化不大，这主要是由于该建筑围护的热容较小，建筑围护对室外气温的延迟效应较小，且室内有一定的发热量，因而冬季室内温度一般高于室外的气温，因而在冬季很少有机会可以利用室外通风来提高室内温度。
　　3．大于29℃的小时数随通风范围的增大而大量减少，这主要是因为大多数时间室内温度高于室外气温，则增加室内外通风将有利于室内的降温，从而增大通风能力可大大减少室温大于29℃的小时数。
　　4．全年固定大通风方案E虽然可以减少室温高于29℃的小时数，但同时也会导致室内温度低于16℃的小时数大大增加，总体上使室内温度变化趋近于室外的温度变化。
 
六、室内外通风对建筑物耗冷量的影响
 
　　以下从二到四层各取一户，对各种工况下各户全年累计耗冷量指标进行比较和分析。

图6-1　二层房间全年累计耗冷量指标比较图（kWh/ ㎡）	图6-2 三层房间全年累计耗冷量指标比较图（kWh/ ㎡）
图6-3 四层房间全年累计耗冷量指标比较图（kWh/ ㎡）	图6-4　全楼各房间全年累计耗冷量指标比较图（kWh/ ㎡）

　　通过以上的比较可以看到：
　　1．图6-4为各工况下全楼各房间的平均值比较，从图中可以看出，随着通风能力的增强，全楼累计耗冷量能大幅地下降，大大节省了空调地运行费用。
　　2．表6-1为各工况全年累计耗冷量指标的对比，可以看出随着楼层的增加，通风节能的潜力就越大。这主要是因为随着楼层的增加，自然室温和耗冷量也相应增加，可以利用室外通风的时间也越长，因而相应的节能潜力就越大。
 
七、室内外通风对建筑物耗热量的影响
 
　　由于该建筑围护的热容较小，建筑围护对室外气温的延迟效应较小，且室内有一定的发热量，因而室内温度一般高于室外的气温，因而在冬季很少有机会能利用通风来提高室内温度。因此，如图7-1所示，改变通风量和通风范围（除方案E）对建筑物耗热量的影响很小。
 　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　图7-1 全楼各房间平均全年累计耗热量指标比较（kWh/ ㎡ ）
 
八、结论
 
　　通过以上模拟计算和分析，可以看到在住宅设计中，应该充分考虑到实际住宅通风量的大小和各时刻由于受住户干预而造成的通风变化。通过以上方法，可以更加准确地描述利用通风的大小和变化对建筑室内热环境和能耗产生的作用，并通过合理设计，可以大大减少用户的空调运行能耗，简单易行地改善室内热环境，为住户营造一个舒适、健康、节能的室内环境。

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