自然通风潜力分析

自然通风潜力分析

1系统综合的自然通风能力在我国各地区都有自然通风是一种古老的技术，不需要任何机器能。这是一种经济和实践的通风模式。它不仅能满足室内的舒适条件，改善室内的质量，达到节能的目的。然而,目前国内对自然通风的研究还处于初级阶段,尚缺乏相关的法规与标准,也不能提供各地区自然通风潜力状况等基础数据和资料,这使得很多建筑物的设计与使用环节相背离。实践中一些建筑没有考虑当地的气候和周围微环境,没有合理地进行建筑物的总体布局和设计建筑物的门窗来组织自然通风,也没有将自然通风与空调设备相结合,浪费了大量能源,而且引起了许多建筑相关疾病。因此,有必要根据自然通风的作用原理,根据气象数据确定我国各地区的自然通风能力,进行系统综合的潜力分析。本文旨在借鉴国外的自然通风潜力研究进展,提出建立一种适合我国住宅建筑的自然通风潜力评估体系的新思路,推动自然通风的发展与应用。2实现自然通风自然通风主要是利用室内外温度差所造成的热压或风力作用所造成的风压来实现换气的。如果建筑物外墙上的窗孔两侧存在压力差,就会有空气流过窗孔,实现自然通风。自然通风与机械通风的主要区别在于自然通风的通风孔口的风速、风向都是无法预定的。目前现有的分析方法主要可分为四大类:2.1间气流模型的建立分析经验模型对计算机的要求不高,它灵活简便、输入数据较少,一般用于解决两类问题:(1)预测房间或建筑里的通风量简单的分析方法一般针对简单建筑,房间气流一般假设为理想无粘性流体,并受伯努利方程控制,开口压力的粘滞损失可通过建立通风量与开口压差的关系计算得到。这类模型仅考虑稳态情况。迄今为止,国外已经对单侧通风、两风口的单区建筑、简单的多区建筑以及热分层等情况进行了研究。(2)预测房间的气流速度和温度分布情况在预测房间的空气流速和温度分布时,一般可应用射流、热烟羽和边界层理论,射流可视为自由射流或沿壁射流。Heiselberg等采用半经验公式计算三维沿壁射流速度和温度衰减情况。2.2输入数据的处理Multi-zone方法是基于伯努利方程,采用网络方法,将建筑看作由许多区组成。各区通过通风路径如窗户、门、缝隙等与其他区域相连,形成网络。如果内部开口相当大,建筑可视为一个单区。Multi-zone模型所需的输入数据应包括:气象数据(风速、风向、建筑周围压力场以及室外温度)、区域数据(分区数量、尺寸、各区温度)、开口数据(内外开口、缝隙的尺寸和位置)等。各区利用物质守恒定律得到一系列非线性方程,解方程的数值方法可采用迭代法,如NewtonRaphson方法或松弛法加速其收敛。近年来,许多Multi-zone程序得以发展,如BREEZE,COMIS,AIRNET,MIX和CHEMIX,ESP-air,AIOLOS和Tas-Flows。Multi-zone方法的优点是简单,可以预测通过整个建筑的风量,但不能提供房间的温度与气流分布情况。它只适用于预测各房间参数分布较均匀的多区建筑的通风量,不适合预测建筑内的气流分布。2.3模型方法原理Zonal模型可认为是Multi-zone模型与CFD的中间方法。它的基本思想是:将房间划分为一些有限的宏观区域,认为区域的相关参数如温度、浓度等相等,而区域间存在热质交换,通过建立质量和能量守恒方程并充分考虑了区域间压差和流动的关系来研究房间内的温度分布及流动情况。它与Multi-zone模型的主要区别在于射流、热烟羽、热层等理论的不同运用。该方法比Multizone模型复杂和精确,但比CFD简单。它可嵌套在多区建筑能源和气流分析软件中预测气流及温度分布。目前已有一些Zonal模型被建立,并将其预测值与实验值和CFD预测值进行比较。2.4气流场分布的模拟计算流体力学(CFD)方法可数值解决气流偏微分方程,在通风工程中也被称为场模型。CFD方法将房间划分为大量小的控制单元(数千到数十万个),并运用物质、能量和动量守恒定律,把一系列控制空气流动的连续的微分方程组通过有限差分或有限元法离散为非连续的代数方程组,并结合实际的边界条件在计算机上求解这些代数方程组,由于划分的控制单元足够小,可认为离散区域的离散值代表整个房间内空气分布情况,因此它可详细描述流场分布情况。但是由于求解的问题往往是非线形的,需进行多次迭代,故较耗时复杂。同时由于计算机能力有限,CFD方法实际上不可能对整个建筑的气流进行模拟。现有自然通风分析研究方法大多是建立确定性模型,这些模型没有考虑输入参数的波动性,在测试建筑里进行的现场实验表明由于风速的变化可引起换气率50%的波动。随机性模型则认为压力、风速、风向等参数都有一定概率。Haghighat等采用随机差分方程预测不确定性因素,后又提出一种新的方法,即频谱分析方法模拟通过开口的脉动气流。自然通风分析研究工具的发展趋势应该是建立随机性的模型,将热模型与通风模型进行耦合,全面地预测建筑热特性和通风之间的关系,并发展确定自然通风分析工具的评估准则。3自然通风潜力的研究因素自然通风潜力(NaturalVentilationPotential,简称NVP),是指仅依靠自然通风就可确保有可接受的室内空气品质和室内热舒适性的潜力。影响自然通风潜力的因素很多,主要包括建筑周围微环境(室外空气质量、室外空气温度、湿度、室外噪声、当地风情况以及城市结构等)、建筑本身结构特性(室内污染源、室内热源、蓄热、室内空气品质要求、通风开口的位置大小、室内温度、建筑朝向、内部气流分布等)。目前,国外就自然通风潜力分析方法的研究较少,现有潜力分析方法主要运用简单的经验方法进行潜力评估。3.1微观风速分析的标准这种方法定义了地区自然通风潜力,即如果一个地区能够建造具有良好通风的建筑,那么就认为该地区具有良好的自然通风潜力。这种评估体系提出了多个评估标准,包括气象标准(宏观风速风向分布、宏观温度分布、太阳辐射、室外空气湿度)和城市标准(微观风速风向分布、微观温度分布、建筑规划、建筑高度、城市地貌指标、室外噪声与污染),并采用GIS地理信息系统工具。评估分为两个阶段:(1)选择评估NVP的相关数据,包括气象数据、建筑高度和布局、街道长宽布局等。输入数据得到GIS信息层,并作为一个评估标准参与多标准评估;(2)利用多标准评估结论,用一个新的GIS层表示NVP。该模型选取法国南部的三个城市进行实验,结论通过与实地测量和CFD预测值进行比较得以验证。这种方法不能判断某地区的建筑是否通风良好,而只能帮助设计者判断该地区是否适合建造具有良好通风的建筑、或经过改建后建筑通风将有所改观与否。不可置否,新建筑的建造也将影响当地的通风性能。这种多标准评估方法的主要缺陷在于缺乏地理信息数据,很难在实践中应用。3.2自然分辨率法对自然通风潜力的气候适应性的评估3.2.1根据空气比热的总用量来确定最佳组合根据热平衡原理,室内的总得热量等于总失热量,并忽略建筑蓄热性,假设其绝热性能良好,室内主要通过通风传递热量,从而建立稳态模型。这样,室内外温差通过内部得热量与通风换热率之比得到,通风换热率是满足室内舒适要求的最小通风量与空气比热的乘积。这种方法事先假定内部得热量为一些具体的数,再根据ASHRAE冬夏舒适区确定通风舒适区的室内温度范围,利用稳态模型得到适合自然通风的室外温度范围。根据具体的气候数据来确定仅通过自然通风就能实现热舒适性的小时百分比,以及夜间通风抵消余热的天数百分比。通风潜力就是根据这些百分数反映的。3.2.2通风粒度数的确定自然通风度日数法与前一方法相似,也是根据热平衡原理,根据供热或制冷的室内设定温度,可分别得到室外供热或制冷平衡点温度,当室外温度在这两个平衡点温度之间时,就是适合自然通风的气候。类似于供暖度日数的定义,通风度日数是指适合自然通风区间的温度数与其天数的乘积之和,通风度日数数值越大,表明自然通风潜力越大。因此,根据气象资料就可计算得到各地区的通风度日数或根据多年来的气象数据记录研究各月平均概率分布情况,再利用平衡点的温度、当月的天数等参数同样可估计得到当月的通风度日数。这类自然通风的气候适应性分析方法主要是根据典型的气象数据来确定适合自然通风的时段,而没有从自然通风作用力上分析,同时,它做了许多假设,忽略了周围地形、外界风速风向等因素影响,大大影响了模型的精度。3.3自然通风分析有效压差分析法是一种从自然通风理论上分析的方法,它采用一种简单的两参数回归模型来计算有效压差,有效压差表示为室内外温差和风速这两个参数的函数。对于不同的气象数据、建筑朝向和维护结构渗风,这些参数的稳定性和不确定性得到研究分析。模型还引入NAD(NaturalAiringDevices)对整个渗风量进行调整,如果自然通风不足时,通过改变NAD的面积来调整渗风量。自然通风分析过程分为四步:(1)计算有效压差,并应用典型气象数据确定压差的频率和累积频率分布情况;(2)采用合适的流量系数,根据理想的通风量计算建筑所需的最小压差;(3)利用前面的结论,计算仅靠自然通风就能满足所需通风量的时间累积值;(4)设计者可以根据(3)选择改变NAD的大小调整流量系数,以取得建筑中合适的自然通风。这种模型虽然是基于自然通风的基本理论建立的,但是其建模较为粗糙,有效压差简单的视为热压和风压的叠加之和,不能很好的反映热压和风压共同作用的结果,也不适用于我国的情况。4建筑自然通风特点由于自然通风受气候、建筑周围的微环境、建筑结构及建筑内部热源分布情况的强烈影响,通风孔口的风速、风向都是无法预先确定的。因此自然通风潜力分析应综合考虑两方面因素:(1)建筑所在地区的典型气象参数,如风速和风向、室外空气温度、室外空气湿度等;(2)建筑自身(建筑朝向、结构与高度)与周边地貌特点(如城市地形、周围建筑高度、建筑分布、街道布局、植被分布等),同时结合自然通风原理来综合评估建筑的自然通风潜力。我国位于欧亚大陆的东南部,濒临太平洋,由于海洋和陆地热力性质的差异以及太阳辐射随季节的变化,导致冬夏间海洋与陆地上气压的季节变化。夏季大陆形成低气压,海洋形成高气压;冬季则相反,大陆气压高,海洋气压低,于是我国冬季盛行西北风,夏季盛行东南风,形成了我国冬冷夏热、冬干夏雨的季风性气候特征。由于我国广大地区是北温带,春秋过渡季节的温度是很适宜自然通风的,沿海地区往往风压值较大,房间通风良好,而且我国城乡绝大部分地区的住宅建筑都是依靠自然通风,各家自行安装的空调产品,也大多没有通风功能。这些都促成了自然通风技术在中国的发展。笔者认为,我国自然通风潜力分析评估体系基本可分为三个阶段:确定基本输入参数阶段、自然通风量计算分析阶段和自然通风潜力评估决策阶段(见图1)。4.1选取典型气象年的月间折合在这一阶段,需要选择典型气象年(TMY)数据进行分析,包括室外逐时温度、湿度、风速、风向等。典型气象年是指以近30年的月平均值为依据,从近10年的资料中选取一年各月接近30年的平均值作为典型气象年。由于选取的月平均值在不同的年份,资料不连续,还需要进行月间平滑处理。同时,可根据需要进行城市居民住宅调查,以获取基本的建筑及其环境数据。调查内容包括典型住宅的结构朝向、内部布置、热特性、周围微环境(城市地形与布局、街道的布局、植被分布、室外噪音水平、室外污染)等,并参考相关法规标准和规范,确定风压系数、流动指数、流量系数、建筑高度以及开口面积等参数。4.2第4阶段:考虑经济效益下的概率参数确定和最小自然通风量中国幅员辽阔,建立自然通风潜力评估体系是个很大的课题,因此计算自然通风量可运用简单的经验方法来计算分析其自然驱动力,而不需要采用复杂的多区模型和CFD方法来进行分析,否则会由于计算量过大过于复杂而无法实现。这一阶段又分为三部分:(1)根据4.1所得的基本输入数据,应用通风量相关公式计算建筑可提供的自然通风量,同时根据获得的逐时自然通风情况,应用概率统计知识对其进行概率频谱分析研究。(2)根据4.1中住宅建筑的热特性、维护结构特征以及人的热舒适性需要确定合适的最小自然通风量。(3)参照供暖度日数的概念,引入自然通风量帕时数概念。自然通风量帕时数,即指建筑可提供自然通风量高于所需最小通风量的通风量数与具有此通风量数的小时数的乘积之和。根据(2)和(3)计算通风量帕时数。4.3自然通风潜力评估根据4.2中得到的通风量帕时数以及通风概率分布情况,绘制出中国各地的自然通风潜力图谱,并结合实际综合评估该地区住宅的自然通风潜力,并对通风策略进行决策,为建筑和暖通工程设计师确定开口面积、是否采用机械通风等提供设计参考依据。我国自然通风潜力评估体系建立的关键和难点所在是典型气象年。逐时气象资料的收集与处理,并根据这些基本的数据,建立简单合理