自然通風潛力分析

1系統綜合的自然通風能力在我國各地區都有自然通風是一種古老的技術，不需要任何機器能。這是一種經濟和實踐的通風模式。它不僅能滿足室內的舒適條件，改善室內的質量，達到節能的目的。然而,目前國內對自然通風的研究還處于初級階段,尚缺乏相關的法規與標準,也不能提供各地區自然通風潛力狀況等基礎數據和資料,這使得很多建筑物的設計與使用環節相背離。實踐中一些建筑沒有考慮當地的氣候和周圍微環境,沒有合理地進行建筑物的總體布局和設計建筑物的門窗來組織自然通風,也沒有將自然通風與空調設備相結合,浪費了大量能源,而且引起了許多建筑相關疾病。因此,有必要根據自然通風的作用原理,根據氣象數據確定我國各地區的自然通風能力,進行系統綜合的潛力分析。本文旨在借鑒國外的自然通風潛力研究進展,提出建立一種適合我國住宅建筑的自然通風潛力評估體系的新思路,推動自然通風的發展與應用。2實現自然通風自然通風主要是利用室內外溫度差所造成的熱壓或風力作用所造成的風壓來實現換氣的。如果建筑物外墻上的窗孔兩側存在壓力差,就會有空氣流過窗孔,實現自然通風。自然通風與機械通風的主要區別在于自然通風的通風孔口的風速、風向都是無法預定的。目前現有的分析方法主要可分為四大類:2.1間氣流模型的建立分析經驗模型對計算機的要求不高,它靈活簡便、輸入數據較少,一般用于解決兩類問題:(1)預測房間或建筑里的通風量簡單的分析方法一般針對簡單建筑,房間氣流一般假設為理想無粘性流體,并受伯努利方程控制,開口壓力的粘滯損失可通過建立通風量與開口壓差的關系計算得到。這類模型僅考慮穩態情況。迄今為止,國外已經對單側通風、兩風口的單區建筑、簡單的多區建筑以及熱分層等情況進行了研究。(2)預測房間的氣流速度和溫度分布情況在預測房間的空氣流速和溫度分布時,一般可應用射流、熱煙羽和邊界層理論,射流可視為自由射流或沿壁射流。Heiselberg等采用半經驗公式計算三維沿壁射流速度和溫度衰減情況。2.2輸入數據的處理Multi-zone方法是基于伯努利方程,采用網絡方法,將建筑看作由許多區組成。各區通過通風路徑如窗戶、門、縫隙等與其他區域相連,形成網絡。如果內部開口相當大,建筑可視為一個單區。Multi-zone模型所需的輸入數據應包括:氣象數據(風速、風向、建筑周圍壓力場以及室外溫度)、區域數據(分區數量、尺寸、各區溫度)、開口數據(內外開口、縫隙的尺寸和位置)等。各區利用物質守恒定律得到一系列非線性方程,解方程的數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,許多Multi-zone程序得以發展,如BREEZE,COMIS,AIRNET,MIX和CHEMIX,ESP-air,AIOLOS和Tas-Flows。Multi-zone方法的優點是簡單,可以預測通過整個建筑的風量,但不能提供房間的溫度與氣流分布情況。它只適用于預測各房間參數分布較均勻的多區建筑的通風量,不適合預測建筑內的氣流分布。2.3模型方法原理Zonal模型可認為是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域,認為區域的相關參數如溫度、濃度等相等,而區域間存在熱質交換,通過建立質量和能量守恒方程并充分考慮了區域間壓差和流動的關系來研究房間內的溫度分布及流動情況。它與Multi-zone模型的主要區別在于射流、熱煙羽、熱層等理論的不同運用。該方法比Multizone模型復雜和精確,但比CFD簡單。它可嵌套在多區建筑能源和氣流分析軟件中預測氣流及溫度分布。目前已有一些Zonal模型被建立,并將其預測值與實驗值和CFD預測值進行比較。2.4氣流場分布的模擬計算流體力學(CFD)方法可數值解決氣流偏微分方程,在通風工程中也被稱為場模型。CFD方法將房間劃分為大量小的控制單元(數千到數十萬個),并運用物質、能量和動量守恒定律,把一系列控制空氣流動的連續的微分方程組通過有限差分或有限元法離散為非連續的代數方程組,并結合實際的邊界條件在計算機上求解這些代數方程組,由于劃分的控制單元足夠小,可認為離散區域的離散值代表整個房間內空氣分布情況,因此它可詳細描述流場分布情況。但是由于求解的問題往往是非線形的,需進行多次迭代,故較耗時復雜。同時由于計算機能力有限,CFD方法實際上不可能對整個建筑的氣流進行模擬?，F有自然通風分析研究方法大多是建立確定性模型,這些模型沒有考慮輸入參數的波動性,在測試建筑里進行的現場實驗表明由于風速的變化可引起換氣率50%的波動。隨機性模型則認為壓力、風速、風向等參數都有一定概率。Haghighat等采用隨機差分方程預測不確定性因素,后又提出一種新的方法,即頻譜分析方法模擬通過開口的脈動氣流。自然通風分析研究工具的發展趨勢應該是建立隨機性的模型,將熱模型與通風模型進行耦合,全面地預測建筑熱特性和通風之間的關系,并發展確定自然通風分析工具的評估準則。3自然通風潛力的研究因素自然通風潛力(NaturalVentilationPotential,簡稱NVP),是指僅依靠自然通風就可確保有可接受的室內空氣品質和室內熱舒適性的潛力。影響自然通風潛力的因素很多,主要包括建筑周圍微環境(室外空氣質量、室外空氣溫度、濕度、室外噪聲、當地風情況以及城市結構等)、建筑本身結構特性(室內污染源、室內熱源、蓄熱、室內空氣品質要求、通風開口的位置大小、室內溫度、建筑朝向、內部氣流分布等)。目前,國外就自然通風潛力分析方法的研究較少,現有潛力分析方法主要運用簡單的經驗方法進行潛力評估。3.1微觀風速分析的標準這種方法定義了地區自然通風潛力,即如果一個地區能夠建造具有良好通風的建筑,那么就認為該地區具有良好的自然通風潛力。這種評估體系提出了多個評估標準,包括氣象標準(宏觀風速風向分布、宏觀溫度分布、太陽輻射、室外空氣濕度)和城市標準(微觀風速風向分布、微觀溫度分布、建筑規劃、建筑高度、城市地貌指標、室外噪聲與污染),并采用GIS地理信息系統工具。評估分為兩個階段:(1)選擇評估NVP的相關數據,包括氣象數據、建筑高度和布局、街道長寬布局等。輸入數據得到GIS信息層,并作為一個評估標準參與多標準評估;(2)利用多標準評估結論,用一個新的GIS層表示NVP。該模型選取法國南部的三個城市進行實驗,結論通過與實地測量和CFD預測值進行比較得以驗證。這種方法不能判斷某地區的建筑是否通風良好,而只能幫助設計者判斷該地區是否適合建造具有良好通風的建筑、或經過改建后建筑通風將有所改觀與否。不可置否,新建筑的建造也將影響當地的通風性能。這種多標準評估方法的主要缺陷在于缺乏地理信息數據,很難在實踐中應用。3.2自然分辨率法對自然通風潛力的氣候適應性的評估3.2.1根據空氣比熱的總用量來確定最佳組合根據熱平衡原理,室內的總得熱量等于總失熱量,并忽略建筑蓄熱性,假設其絕熱性能良好,室內主要通過通風傳遞熱量,從而建立穩態模型。這樣,室內外溫差通過內部得熱量與通風換熱率之比得到,通風換熱率是滿足室內舒適要求的最小通風量與空氣比熱的乘積。這種方法事先假定內部得熱量為一些具體的數,再根據ASHRAE冬夏舒適區確定通風舒適區的室內溫度范圍,利用穩態模型得到適合自然通風的室外溫度范圍。根據具體的氣候數據來確定僅通過自然通風就能實現熱舒適性的小時百分比,以及夜間通風抵消余熱的天數百分比。通風潛力就是根據這些百分數反映的。3.2.2通風粒度數的確定自然通風度日數法與前一方法相似,也是根據熱平衡原理,根據供熱或制冷的室內設定溫度,可分別得到室外供熱或制冷平衡點溫度,當室外溫度在這兩個平衡點溫度之間時,就是適合自然通風的氣候。類似于供暖度日數的定義,通風度日數是指適合自然通風區間的溫度數與其天數的乘積之和,通風度日數數值越大,表明自然通風潛力越大。因此,根據氣象資料就可計算得到各地區的通風度日數或根據多年來的氣象數據記錄研究各月平均概率分布情況,再利用平衡點的溫度、當月的天數等參數同樣可估計得到當月的通風度日數。這類自然通風的氣候適應性分析方法主要是根據典型的氣象數據來確定適合自然通風的時段,而沒有從自然通風作用力上分析,同時,它做了許多假設,忽略了周圍地形、外界風速風向等因素影響,大大影響了模型的精度。3.3自然通風分析有效壓差分析法是一種從自然通風理論上分析的方法,它采用一種簡單的兩參數回歸模型來計算有效壓差,有效壓差表示為室內外溫差和風速這兩個參數的函數。對于不同的氣象數據、建筑朝向和維護結構滲風,這些參數的穩定性和不確定性得到研究分析。模型還引入NAD(NaturalAiringDevices)對整個滲風量進行調整,如果自然通風不足時,通過改變NAD的面積來調整滲風量。自然通風分析過程分為四步:(1)計算有效壓差,并應用典型氣象數據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,根據理想的通風量計算建筑所需的最小壓差;(3)利用前面的結論,計算僅靠自然通風就能滿足所需通風量的時間累積值;(4)設計者可以根據(3)選擇改變NAD的大小調整流量系數,以取得建筑中合適的自然通風。這種模型雖然是基于自然通風的基本理論建立的,但是其建模較為粗糙,有效壓差簡單的視為熱壓和風壓的疊加之和,不能很好的反映熱壓和風壓共同作用的結果,也不適用于我國的情況。4建筑自然通風特點由于自然通風受氣候、建筑周圍的微環境、建筑結構及建筑內部熱源分布情況的強烈影響,通風孔口的風速、風向都是無法預先確定的。因此自然通風潛力分析應綜合考慮兩方面因素:(1)建筑所在地區的典型氣象參數,如風速和風向、室外空氣溫度、室外空氣濕度等;(2)建筑自身(建筑朝向、結構與高度)與周邊地貌特點(如城市地形、周圍建筑高度、建筑分布、街道布局、植被分布等),同時結合自然通風原理來綜合評估建筑的自然通風潛力。我國位于歐亞大陸的東南部,瀕臨太平洋,由于海洋和陸地熱力性質的差異以及太陽輻射隨季節的變化,導致冬夏間海洋與陸地上氣壓的季節變化。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,于是我國冬季盛行西北風,夏季盛行東南風,形成了我國冬冷夏熱、冬干夏雨的季風性氣候特征。由于我國廣大地區是北溫帶,春秋過渡季節的溫度是很適宜自然通風的,沿海地區往往風壓值較大,房間通風良好,而且我國城鄉絕大部分地區的住宅建筑都是依靠自然通風,各家自行安裝的空調產品,也大多沒有通風功能。這些都促成了自然通風技術在中國的發展。筆者認為,我國自然通風潛力分析評估體系基本可分為三個階段:確定基本輸入參數階段、自然通風量計算分析階段和自然通風潛力評估決策階段(見圖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)數據進行分析,包括室外逐時溫度、濕度、風速、風向等。典型氣象年是指以近30年的月平均值為依據,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,還需要進行月間平滑處理。同時,可根據需要進行城市居民住宅調查,以獲取基本的建筑及其環境數據。調查內容包括典型住宅的結構朝向、內部布置、熱特性、周圍微環境(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,并參考相關法規標準和規范,確定風壓系數、流動指數、流量系數、建筑高度以及開口面積等參數。4.2第4階段:考慮經濟效益下的概率參數確定和最小自然通風量中國幅員遼闊,建立自然通風潛力評估體系是個很大的課題,因此計算自然通風量可運用簡單的經驗方法來計算分析其自然驅動力,而不需要采用復雜的多區模型和CFD方法來進行分析,否則會由于計算量過大過于復雜而無法實現。這一階段又分為三部分:(1)根據4.1所得的基本輸入數據,應用通風量相關公式計算建筑可提供的自然通風量,同時根據獲得的逐時自然通風情況,應用概率統計知識對其進行概率頻譜分析研究。(2)根據4.1中住宅建筑的熱特性、維護結構特征以及人的熱舒適性需要確定合適的最小自然通風量。(3)參照供暖度日數的概念,引入自然通風量帕時數概念。自然通風量帕時數,即指建筑可提供自然通風量高于所需最小通風量的通風量數與具有此通風量數的小時數的乘積之和。根據(2)和(3)計算通風量帕時數。4.3自然通風潛力評估根據4.2中得到的通風量帕時數以及通風概率分布情況,繪制出中國各地的自然通風潛力圖譜,并結合實際綜合評估該地區住宅的自然通風潛力,并對通風策略進行決策,為建筑和暖通工程設計師確定開口面積、是否采用機械通風等提供設計參考依據。我國自然通風潛力評估體系建立的關鍵和難點所在是典型氣象年。逐時氣象資料的收集與處理,并根據這些基本的數據,建立簡單合理