自然通風(fēng)潛力分析

自然通風(fēng)潛力分析

1系統(tǒng)綜合的自然通風(fēng)能力在我國(guó)各地區(qū)都有自然通風(fēng)是一種古老的技術(shù)，不需要任何機(jī)器能。這是一種經(jīng)濟(jì)和實(shí)踐的通風(fēng)模式。它不僅能滿足室內(nèi)的舒適條件，改善室內(nèi)的質(zhì)量，達(dá)到節(jié)能的目的。然而,目前國(guó)內(nèi)對(duì)自然通風(fēng)的研究還處于初級(jí)階段,尚缺乏相關(guān)的法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn),也不能提供各地區(qū)自然通風(fēng)潛力狀況等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和資料,這使得很多建筑物的設(shè)計(jì)與使用環(huán)節(jié)相背離。實(shí)踐中一些建筑沒(méi)有考慮當(dāng)?shù)氐臍夂蚝椭車(chē)h(huán)境,沒(méi)有合理地進(jìn)行建筑物的總體布局和設(shè)計(jì)建筑物的門(mén)窗來(lái)組織自然通風(fēng),也沒(méi)有將自然通風(fēng)與空調(diào)設(shè)備相結(jié)合,浪費(fèi)了大量能源,而且引起了許多建筑相關(guān)疾病。因此,有必要根據(jù)自然通風(fēng)的作用原理,根據(jù)氣象數(shù)據(jù)確定我國(guó)各地區(qū)的自然通風(fēng)能力,進(jìn)行系統(tǒng)綜合的潛力分析。本文旨在借鑒國(guó)外的自然通風(fēng)潛力研究進(jìn)展,提出建立一種適合我國(guó)住宅建筑的自然通風(fēng)潛力評(píng)估體系的新思路,推動(dòng)自然通風(fēng)的發(fā)展與應(yīng)用。2實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)自然通風(fēng)主要是利用室內(nèi)外溫度差所造成的熱壓或風(fēng)力作用所造成的風(fēng)壓來(lái)實(shí)現(xiàn)換氣的。如果建筑物外墻上的窗孔兩側(cè)存在壓力差,就會(huì)有空氣流過(guò)窗孔,實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)。自然通風(fēng)與機(jī)械通風(fēng)的主要區(qū)別在于自然通風(fēng)的通風(fēng)孔口的風(fēng)速、風(fēng)向都是無(wú)法預(yù)定的。目前現(xiàn)有的分析方法主要可分為四大類(lèi):2.1間氣流模型的建立分析經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)計(jì)算機(jī)的要求不高,它靈活簡(jiǎn)便、輸入數(shù)據(jù)較少,一般用于解決兩類(lèi)問(wèn)題:(1)預(yù)測(cè)房間或建筑里的通風(fēng)量簡(jiǎn)單的分析方法一般針對(duì)簡(jiǎn)單建筑,房間氣流一般假設(shè)為理想無(wú)粘性流體,并受伯努利方程控制,開(kāi)口壓力的粘滯損失可通過(guò)建立通風(fēng)量與開(kāi)口壓差的關(guān)系計(jì)算得到。這類(lèi)模型僅考慮穩(wěn)態(tài)情況。迄今為止,國(guó)外已經(jīng)對(duì)單側(cè)通風(fēng)、兩風(fēng)口的單區(qū)建筑、簡(jiǎn)單的多區(qū)建筑以及熱分層等情況進(jìn)行了研究。(2)預(yù)測(cè)房間的氣流速度和溫度分布情況在預(yù)測(cè)房間的空氣流速和溫度分布時(shí),一般可應(yīng)用射流、熱煙羽和邊界層理論,射流可視為自由射流或沿壁射流。Heiselberg等采用半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算三維沿壁射流速度和溫度衰減情況。2.2輸入數(shù)據(jù)的處理Multi-zone方法是基于伯努利方程,采用網(wǎng)絡(luò)方法,將建筑看作由許多區(qū)組成。各區(qū)通過(guò)通風(fēng)路徑如窗戶、門(mén)、縫隙等與其他區(qū)域相連,形成網(wǎng)絡(luò)。如果內(nèi)部開(kāi)口相當(dāng)大,建筑可視為一個(gè)單區(qū)。Multi-zone模型所需的輸入數(shù)據(jù)應(yīng)包括:氣象數(shù)據(jù)(風(fēng)速、風(fēng)向、建筑周?chē)鷫毫?chǎng)以及室外溫度)、區(qū)域數(shù)據(jù)(分區(qū)數(shù)量、尺寸、各區(qū)溫度)、開(kāi)口數(shù)據(jù)(內(nèi)外開(kāi)口、縫隙的尺寸和位置)等。各區(qū)利用物質(zhì)守恒定律得到一系列非線性方程,解方程的數(shù)值方法可采用迭代法,如NewtonRaphson方法或松弛法加速其收斂。近年來(lái),許多Multi-zone程序得以發(fā)展,如BREEZE,COMIS,AIRNET,MIX和CHEMIX,ESP-air,AIOLOS和Tas-Flows。Multi-zone方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單,可以預(yù)測(cè)通過(guò)整個(gè)建筑的風(fēng)量,但不能提供房間的溫度與氣流分布情況。它只適用于預(yù)測(cè)各房間參數(shù)分布較均勻的多區(qū)建筑的通風(fēng)量,不適合預(yù)測(cè)建筑內(nèi)的氣流分布。2.3模型方法原理Zonal模型可認(rèn)為是Multi-zone模型與CFD的中間方法。它的基本思想是:將房間劃分為一些有限的宏觀區(qū)域,認(rèn)為區(qū)域的相關(guān)參數(shù)如溫度、濃度等相等,而區(qū)域間存在熱質(zhì)交換,通過(guò)建立質(zhì)量和能量守恒方程并充分考慮了區(qū)域間壓差和流動(dòng)的關(guān)系來(lái)研究房間內(nèi)的溫度分布及流動(dòng)情況。它與Multi-zone模型的主要區(qū)別在于射流、熱煙羽、熱層等理論的不同運(yùn)用。該方法比Multizone模型復(fù)雜和精確,但比CFD簡(jiǎn)單。它可嵌套在多區(qū)建筑能源和氣流分析軟件中預(yù)測(cè)氣流及溫度分布。目前已有一些Zonal模型被建立,并將其預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值和CFD預(yù)測(cè)值進(jìn)行比較。2.4氣流場(chǎng)分布的模擬計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法可數(shù)值解決氣流偏微分方程,在通風(fēng)工程中也被稱(chēng)為場(chǎng)模型。CFD方法將房間劃分為大量小的控制單元(數(shù)千到數(shù)十萬(wàn)個(gè)),并運(yùn)用物質(zhì)、能量和動(dòng)量守恒定律,把一系列控制空氣流動(dòng)的連續(xù)的微分方程組通過(guò)有限差分或有限元法離散為非連續(xù)的代數(shù)方程組,并結(jié)合實(shí)際的邊界條件在計(jì)算機(jī)上求解這些代數(shù)方程組,由于劃分的控制單元足夠小,可認(rèn)為離散區(qū)域的離散值代表整個(gè)房間內(nèi)空氣分布情況,因此它可詳細(xì)描述流場(chǎng)分布情況。但是由于求解的問(wèn)題往往是非線形的,需進(jìn)行多次迭代,故較耗時(shí)復(fù)雜。同時(shí)由于計(jì)算機(jī)能力有限,CFD方法實(shí)際上不可能對(duì)整個(gè)建筑的氣流進(jìn)行模擬?，F(xiàn)有自然通風(fēng)分析研究方法大多是建立確定性模型,這些模型沒(méi)有考慮輸入?yún)?shù)的波動(dòng)性,在測(cè)試建筑里進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)表明由于風(fēng)速的變化可引起換氣率50%的波動(dòng)。隨機(jī)性模型則認(rèn)為壓力、風(fēng)速、風(fēng)向等參數(shù)都有一定概率。Haghighat等采用隨機(jī)差分方程預(yù)測(cè)不確定性因素,后又提出一種新的方法,即頻譜分析方法模擬通過(guò)開(kāi)口的脈動(dòng)氣流。自然通風(fēng)分析研究工具的發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)該是建立隨機(jī)性的模型,將熱模型與通風(fēng)模型進(jìn)行耦合,全面地預(yù)測(cè)建筑熱特性和通風(fēng)之間的關(guān)系,并發(fā)展確定自然通風(fēng)分析工具的評(píng)估準(zhǔn)則。3自然通風(fēng)潛力的研究因素自然通風(fēng)潛力(NaturalVentilationPotential,簡(jiǎn)稱(chēng)NVP),是指僅依靠自然通風(fēng)就可確保有可接受的室內(nèi)空氣品質(zhì)和室內(nèi)熱舒適性的潛力。影響自然通風(fēng)潛力的因素很多,主要包括建筑周?chē)h(huán)境(室外空氣質(zhì)量、室外空氣溫度、濕度、室外噪聲、當(dāng)?shù)仫L(fēng)情況以及城市結(jié)構(gòu)等)、建筑本身結(jié)構(gòu)特性(室內(nèi)污染源、室內(nèi)熱源、蓄熱、室內(nèi)空氣品質(zhì)要求、通風(fēng)開(kāi)口的位置大小、室內(nèi)溫度、建筑朝向、內(nèi)部氣流分布等)。目前,國(guó)外就自然通風(fēng)潛力分析方法的研究較少,現(xiàn)有潛力分析方法主要運(yùn)用簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)方法進(jìn)行潛力評(píng)估。3.1微觀風(fēng)速分析的標(biāo)準(zhǔn)這種方法定義了地區(qū)自然通風(fēng)潛力,即如果一個(gè)地區(qū)能夠建造具有良好通風(fēng)的建筑,那么就認(rèn)為該地區(qū)具有良好的自然通風(fēng)潛力。這種評(píng)估體系提出了多個(gè)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn),包括氣象標(biāo)準(zhǔn)(宏觀風(fēng)速風(fēng)向分布、宏觀溫度分布、太陽(yáng)輻射、室外空氣濕度)和城市標(biāo)準(zhǔn)(微觀風(fēng)速風(fēng)向分布、微觀溫度分布、建筑規(guī)劃、建筑高度、城市地貌指標(biāo)、室外噪聲與污染),并采用GIS地理信息系統(tǒng)工具。評(píng)估分為兩個(gè)階段:(1)選擇評(píng)估NVP的相關(guān)數(shù)據(jù),包括氣象數(shù)據(jù)、建筑高度和布局、街道長(zhǎng)寬布局等。輸入數(shù)據(jù)得到GIS信息層,并作為一個(gè)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)參與多標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估;(2)利用多標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估結(jié)論,用一個(gè)新的GIS層表示NVP。該模型選取法國(guó)南部的三個(gè)城市進(jìn)行實(shí)驗(yàn),結(jié)論通過(guò)與實(shí)地測(cè)量和CFD預(yù)測(cè)值進(jìn)行比較得以驗(yàn)證。這種方法不能判斷某地區(qū)的建筑是否通風(fēng)良好,而只能幫助設(shè)計(jì)者判斷該地區(qū)是否適合建造具有良好通風(fēng)的建筑、或經(jīng)過(guò)改建后建筑通風(fēng)將有所改觀與否。不可置否,新建筑的建造也將影響當(dāng)?shù)氐耐L(fēng)性能。這種多標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估方法的主要缺陷在于缺乏地理信息數(shù)據(jù),很難在實(shí)踐中應(yīng)用。3.2自然分辨率法對(duì)自然通風(fēng)潛力的氣候適應(yīng)性的評(píng)估3.2.1根據(jù)空氣比熱的總用量來(lái)確定最佳組合根據(jù)熱平衡原理,室內(nèi)的總得熱量等于總失熱量,并忽略建筑蓄熱性,假設(shè)其絕熱性能良好,室內(nèi)主要通過(guò)通風(fēng)傳遞熱量,從而建立穩(wěn)態(tài)模型。這樣,室內(nèi)外溫差通過(guò)內(nèi)部得熱量與通風(fēng)換熱率之比得到,通風(fēng)換熱率是滿足室內(nèi)舒適要求的最小通風(fēng)量與空氣比熱的乘積。這種方法事先假定內(nèi)部得熱量為一些具體的數(shù),再根據(jù)ASHRAE冬夏舒適區(qū)確定通風(fēng)舒適區(qū)的室內(nèi)溫度范圍,利用穩(wěn)態(tài)模型得到適合自然通風(fēng)的室外溫度范圍。根據(jù)具體的氣候數(shù)據(jù)來(lái)確定僅通過(guò)自然通風(fēng)就能實(shí)現(xiàn)熱舒適性的小時(shí)百分比,以及夜間通風(fēng)抵消余熱的天數(shù)百分比。通風(fēng)潛力就是根據(jù)這些百分?jǐn)?shù)反映的。3.2.2通風(fēng)粒度數(shù)的確定自然通風(fēng)度日數(shù)法與前一方法相似,也是根據(jù)熱平衡原理,根據(jù)供熱或制冷的室內(nèi)設(shè)定溫度,可分別得到室外供熱或制冷平衡點(diǎn)溫度,當(dāng)室外溫度在這兩個(gè)平衡點(diǎn)溫度之間時(shí),就是適合自然通風(fēng)的氣候。類(lèi)似于供暖度日數(shù)的定義,通風(fēng)度日數(shù)是指適合自然通風(fēng)區(qū)間的溫度數(shù)與其天數(shù)的乘積之和,通風(fēng)度日數(shù)數(shù)值越大,表明自然通風(fēng)潛力越大。因此,根據(jù)氣象資料就可計(jì)算得到各地區(qū)的通風(fēng)度日數(shù)或根據(jù)多年來(lái)的氣象數(shù)據(jù)記錄研究各月平均概率分布情況,再利用平衡點(diǎn)的溫度、當(dāng)月的天數(shù)等參數(shù)同樣可估計(jì)得到當(dāng)月的通風(fēng)度日數(shù)。這類(lèi)自然通風(fēng)的氣候適應(yīng)性分析方法主要是根據(jù)典型的氣象數(shù)據(jù)來(lái)確定適合自然通風(fēng)的時(shí)段,而沒(méi)有從自然通風(fēng)作用力上分析,同時(shí),它做了許多假設(shè),忽略了周?chē)匦巍⑼饨顼L(fēng)速風(fēng)向等因素影響,大大影響了模型的精度。3.3自然通風(fēng)分析有效壓差分析法是一種從自然通風(fēng)理論上分析的方法,它采用一種簡(jiǎn)單的兩參數(shù)回歸模型來(lái)計(jì)算有效壓差,有效壓差表示為室內(nèi)外溫差和風(fēng)速這兩個(gè)參數(shù)的函數(shù)。對(duì)于不同的氣象數(shù)據(jù)、建筑朝向和維護(hù)結(jié)構(gòu)滲風(fēng),這些參數(shù)的穩(wěn)定性和不確定性得到研究分析。模型還引入NAD(NaturalAiringDevices)對(duì)整個(gè)滲風(fēng)量進(jìn)行調(diào)整,如果自然通風(fēng)不足時(shí),通過(guò)改變NAD的面積來(lái)調(diào)整滲風(fēng)量。自然通風(fēng)分析過(guò)程分為四步:(1)計(jì)算有效壓差,并應(yīng)用典型氣象數(shù)據(jù)確定壓差的頻率和累積頻率分布情況;(2)采用合適的流量系數(shù),根據(jù)理想的通風(fēng)量計(jì)算建筑所需的最小壓差;(3)利用前面的結(jié)論,計(jì)算僅靠自然通風(fēng)就能滿足所需通風(fēng)量的時(shí)間累積值;(4)設(shè)計(jì)者可以根據(jù)(3)選擇改變NAD的大小調(diào)整流量系數(shù),以取得建筑中合適的自然通風(fēng)。這種模型雖然是基于自然通風(fēng)的基本理論建立的,但是其建模較為粗糙,有效壓差簡(jiǎn)單的視為熱壓和風(fēng)壓的疊加之和,不能很好的反映熱壓和風(fēng)壓共同作用的結(jié)果,也不適用于我國(guó)的情況。4建筑自然通風(fēng)特點(diǎn)由于自然通風(fēng)受氣候、建筑周?chē)奈h(huán)境、建筑結(jié)構(gòu)及建筑內(nèi)部熱源分布情況的強(qiáng)烈影響,通風(fēng)孔口的風(fēng)速、風(fēng)向都是無(wú)法預(yù)先確定的。因此自然通風(fēng)潛力分析應(yīng)綜合考慮兩方面因素:(1)建筑所在地區(qū)的典型氣象參數(shù),如風(fēng)速和風(fēng)向、室外空氣溫度、室外空氣濕度等;(2)建筑自身(建筑朝向、結(jié)構(gòu)與高度)與周邊地貌特點(diǎn)(如城市地形、周?chē)ㄖ叨取⒔ㄖ植?、街道布局、植被分布?,同時(shí)結(jié)合自然通風(fēng)原理來(lái)綜合評(píng)估建筑的自然通風(fēng)潛力。我國(guó)位于歐亞大陸的東南部,瀕臨太平洋,由于海洋和陸地?zé)崃π再|(zhì)的差異以及太陽(yáng)輻射隨季節(jié)的變化,導(dǎo)致冬夏間海洋與陸地上氣壓的季節(jié)變化。夏季大陸形成低氣壓,海洋形成高氣壓;冬季則相反,大陸氣壓高,海洋氣壓低,于是我國(guó)冬季盛行西北風(fēng),夏季盛行東南風(fēng),形成了我國(guó)冬冷夏熱、冬干夏雨的季風(fēng)性氣候特征。由于我國(guó)廣大地區(qū)是北溫帶,春秋過(guò)渡季節(jié)的溫度是很適宜自然通風(fēng)的,沿海地區(qū)往往風(fēng)壓值較大,房間通風(fēng)良好,而且我國(guó)城鄉(xiāng)絕大部分地區(qū)的住宅建筑都是依靠自然通風(fēng),各家自行安裝的空調(diào)產(chǎn)品,也大多沒(méi)有通風(fēng)功能。這些都促成了自然通風(fēng)技術(shù)在中國(guó)的發(fā)展。筆者認(rèn)為,我國(guó)自然通風(fēng)潛力分析評(píng)估體系基本可分為三個(gè)階段:確定基本輸入?yún)?shù)階段、自然通風(fēng)量計(jì)算分析階段和自然通風(fēng)潛力評(píng)估決策階段(見(jiàn)圖1)。4.1選取典型氣象年的月間折合在這一階段,需要選擇典型氣象年(TMY)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,包括室外逐時(shí)溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向等。典型氣象年是指以近30年的月平均值為依據(jù),從近10年的資料中選取一年各月接近30年的平均值作為典型氣象年。由于選取的月平均值在不同的年份,資料不連續(xù),還需要進(jìn)行月間平滑處理。同時(shí),可根據(jù)需要進(jìn)行城市居民住宅調(diào)查,以獲取基本的建筑及其環(huán)境數(shù)據(jù)。調(diào)查內(nèi)容包括典型住宅的結(jié)構(gòu)朝向、內(nèi)部布置、熱特性、周?chē)h(huán)境(城市地形與布局、街道的布局、植被分布、室外噪音水平、室外污染)等,并參考相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,確定風(fēng)壓系數(shù)、流動(dòng)指數(shù)、流量系數(shù)、建筑高度以及開(kāi)口面積等參數(shù)。4.2第4階段:考慮經(jīng)濟(jì)效益下的概率參數(shù)確定和最小自然通風(fēng)量中國(guó)幅員遼闊,建立自然通風(fēng)潛力評(píng)估體系是個(gè)很大的課題,因此計(jì)算自然通風(fēng)量可運(yùn)用簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)方法來(lái)計(jì)算分析其自然驅(qū)動(dòng)力,而不需要采用復(fù)雜的多區(qū)模型和CFD方法來(lái)進(jìn)行分析,否則會(huì)由于計(jì)算量過(guò)大過(guò)于復(fù)雜而無(wú)法實(shí)現(xiàn)。這一階段又分為三部分:(1)根據(jù)4.1所得的基本輸入數(shù)據(jù),應(yīng)用通風(fēng)量相關(guān)公式計(jì)算建筑可提供的自然通風(fēng)量,同時(shí)根據(jù)獲得的逐時(shí)自然通風(fēng)情況,應(yīng)用概率統(tǒng)計(jì)知識(shí)對(duì)其進(jìn)行概率頻譜分析研究。(2)根據(jù)4.1中住宅建筑的熱特性、維護(hù)結(jié)構(gòu)特征以及人的熱舒適性需要確定合適的最小自然通風(fēng)量。(3)參照供暖度日數(shù)的概念,引入自然通風(fēng)量帕?xí)r數(shù)概念。自然通風(fēng)量帕?xí)r數(shù),即指建筑可提供自然通風(fēng)量高于所需最小通風(fēng)量的通風(fēng)量數(shù)與具有此通風(fēng)量數(shù)的小時(shí)數(shù)的乘積之和。根據(jù)(2)和(3)計(jì)算通風(fēng)量帕?xí)r數(shù)。4.3自然通風(fēng)潛力評(píng)估根據(jù)4.2中得到的通風(fēng)量帕?xí)r數(shù)以及通風(fēng)概率分布情況,繪制出中國(guó)各地的自然通風(fēng)潛力圖譜,并結(jié)合實(shí)際綜合評(píng)估該地區(qū)住宅的自然通風(fēng)潛力,并對(duì)通風(fēng)策略進(jìn)行決策,為建筑和暖通工程設(shè)計(jì)師確定開(kāi)口面積、是否采用機(jī)械通風(fēng)等提供設(shè)計(jì)參考依據(jù)。我國(guó)自然通風(fēng)潛力評(píng)估體系建立的關(guān)鍵和難點(diǎn)所在是典型氣象年。逐時(shí)氣象資料的收集與處理,并根據(jù)這些基本的數(shù)據(jù),建立簡(jiǎn)單合理