070机械通风与自然通风对室内环境营造的差异性分析.pdf

机械通风与自然通风对办公建筑室内环境 营造的差异性分析 清华大学建筑学院建筑节能研究中心 安晶晶 1 燕达 周欣 王祎 摘要 通风换气对营造室内环境有着重要作用 同时对室内热湿环境与供暖空调能耗也有很 大影响 通风对室内空气质量具有两重性 可以排除室内污染 又在室外出现严重污染时 引入室外污染 对供暖空调能耗也具有两重性 室外环境好时可以节能 室外环境差时增 加能耗 现有的通风方式主要有自然通风和机械通风两种 机械通风是一种定量持续恒定 的通风方式 而自然通风是一种不定量间歇反馈的方式 这两种通风方式在营造室内环境 上存在很多差异 本文以北京夏季的中小型办公建筑为典型案例进行模拟计算 通过对比 分析两种通风方式的 CO2 浓度 温度及冷负荷 探讨两种通风方式的差异及适宜性 关键词 自然通风 机械通风 冷负荷 室内环境 差异性 1 1 引言引言 人在其一生中 90 的时间都生活在建筑中 1 2 而通风是维持室内良好的空气质量 的重要手段 一方面室内污染源由于装修 家具等产生各种可挥发性有机物 VOCs 而 且室内散发源呈逐年增长的趋势 3 如图 1 所示 另一方面又会在室外出现高污染时如 雾霾天随空气进入室内 因此 如何通过合理的通风方式营造良好的室内环境显得尤 为重要 4 同时 通风产生的能耗也是不容忽视的 仅考虑风机电耗一项 完全依靠 机械通风换气的建筑风机电耗可高达 130kWh m2 年 5 如何在保证室内空气品质的前 提下 有效地降低能耗成为一个重要课题 1安晶晶 第一作者 女 在读本科生 邮编 100086 通讯地址 清华建筑节能研究中心 201 室 电话 010 62789761 传真 010 62770544 邮箱 ajj10 图 1 室内化学材料逐年变化趋势 实现室内通风的方式主要包括自然通风和机械通风两种方式 自然通风就是利用开窗的 方式实现通风 其主要优点为简单 经济 使用者可以自主调节 缺点是在室外温湿度过热 或过冷 以及污染物浓度偏高时 自然通风可能会造成室内空气质量下降或者能耗增加 而 且不是所有的建筑都可以实现有效的自然通风 比如对于某些进深大的建筑而言 很难实现 自然通风 机械通风是指利用电力设备例如风机 风扇来实现通风目的的方式 其优点是可 以控制新风的温湿度和送风量 对室外空气进行过滤 降低室外环境的影响 但是机械通风 能耗比较高 而且风道和过滤网有颗粒物沉积 容易产生二次污染 6 7 机械通风和自然通 风在本质上有什么不同呢 机械通风是一种稳定的 定量的 连续的通风方式 而自然通风 是不稳定的 间歇的 反馈的通风方式 5 但是这些差异在营造室内环境及能源消耗上究竟 有何影响 这些问题在许多方面仍有待明确 为了对该问题有更深入的理解 本文用 CO2 浓 度作为室内空气品质的指标 对夏季位于北京的中小型办公建筑在采用不同通风方式的情况 下温度 通风量 CO2 浓度和冷负荷进行模拟计算 通过对比分析探讨两种通风方式的差异 及适宜性 2 2 技术路线技术路线 图 2 技术路线 本文的技术路线如图 2 所示 本研究首先对清华两栋办公建筑进行详细调研测试 而 且在国内其他办公建筑进行了气密性及通风量的调研测试 基于之前的调研测试对人员位移 和开窗行为有了一些了解和认识 在研究中采用DeST软件 8 9 和Matlab软件进行模拟分析 0 100 200 300 400 500 20002005201020152020202520302035204020452050 年 预计增长指数 全球化学产品全球人口 主要对机械通风和自然通风方式在冷负荷 室温和 CO2 浓度等方面 以及不同通风次数对 能耗的影响进行模拟计算 并进行分析讨论 进而探讨不同通风方式的适宜性 3 3 模拟计算模拟计算 3 1 建筑基本建筑基本信息信息 案例建筑是一栋位于北京的三层中小型办公建筑 每层有三个房间和一个走廊 我们选 取房间 A 为研究对象 房间 A 位于该建筑的二层中间位置 仅有一面外墙 如图 3 所示 建筑的主要信息如表 1 所示 表中列出案例建筑的所在地 楼层数 层高 建筑围护结构参 数 空调方式 空调设定温度 典型房间空调面积等基本信息 图 3 案例建筑 表 1 建筑基本信息 所在地 楼层数 层高 空调 方式 空调设定 温度 围护结构 典型房 间面积 外墙 K 值 W m2 K 屋面 K 值 W m2 K 窗户 K 值 W m2 K 北京 3 层 3m FCU 16 26 0 564 0 812 2 5 30 办公建筑 A 采用机械送风的方式 并且风道上装有过滤器 如图 4 所示 办公建筑 B 采用 开窗通风的方式 而且室内有净化器 如 图 5 所示 图 4 办公建筑 A 图 5 办公建筑 B 3 2 基本基本作息情况作息情况 本文给定两种类型的人员位移作息 如图 6 所示 位移 A 表示一人工作时间比较固定 另外一人工作时间比较随机而且比较长 位移 B 是再位移 A 的基础上增加了某一时间房间 人数突然增加的情况 我们用这两种典型的人员位移方式代表办公建筑中人员位移情况 图 6 人员位移作息 机械通风和自然通风的主要差别在于通风量和空调开启时间 机械通风的通风时间和通 风量比较固定 工作时间保持通风次数为 0 7ACH 恒定通风 下班时间不通风 仅靠窗户渗 风维持 0 3ACH 的通风量 而自然通风通风时间比较灵活 可能受到室内外温度 室内 CO2 浓度等多种因素影响 开窗时通风换气次数为 5ACH 关窗时窗户渗风量为 0 3ACH 我们给 出一种开窗逻辑 即固定时刻开窗结合适宜温度开窗 为了维持室内 CO2 浓度在 1200ppm 10 以下 我们需要维持每天早中晚固定通风次数 此外 如果室外温度在 15 26 之间 开 窗通风有利于减少室内冷负荷 增加开窗次数 由于室内人数和北京夏季室外温度的变化 开窗通风的时间和次数也会发生改变 在这里仅给出夏季最热典型日 7 月 30 日两种通风方 式分别在三种人员位移作息下的通风量 如图 7 所示 由于机械通风和空调开启是耦合在 一起的 所以通风时刻空调也同时开启 而对于自然通风方式 空调开启和开窗是两个独立 的过程 我们认为工作时间开启空调 但是开窗时刻不开启空调 机械通风机械通风 自然通风自然通风 人人 员员 位位 移移 A 人人 员员 位位 移移 B 0 1 2 3 0123456789 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 人数人数 时刻时刻 人员位移A 0 1 2 3 4 5 6 0123456789 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 人数人数 时刻时刻 人员位移B 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0123456789 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 换气次数ACH 时刻 0 1 2 3 4 5 6 0123456789 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 换气次数ACH 时刻 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0123456789 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 换气次数ACH 时刻 0 1 2 3 4 5 6 0123456789 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 换气次数ACH 时刻 图 7 夏季最热典型日 7 月 30 日通风作息 3 3 模拟计算方法模拟计算方法 本文的模拟计算方法如图 8 所示 文章的分析讨论基于此方法 本文给定了两种类型 的人员位移方式 给出相应的开窗与开空调逻辑 并建立 DeST 模型对冷负荷 温度 T 和通 风量进行模拟计算 将通风量和人员 CO2 产生量输入基于 Matlab 的室内 CO2 模型中计算出 室内 CO2 浓度 同时 室内 CO2 浓度和温度可以影响开窗人行为和开空调人行为 图 8 模拟计算平台 4 4 计算计算结果分析与讨论结果分析与讨论 4 1 人员人员作息作息 A 条件下条件下两种两种通风方式的差异通风方式的差异 本部分人员作息采用人员作息 A 进行模拟计算 模拟工况设计如下 两种通风方式在气 象参数 围护结构 人员 灯光 设备能耗等参数相同的情况下 仅改变通风方式和空调开启 时间进行模拟计算 分别得到室温 CO2 浓度和建筑夏季冷负荷量 DeST 开窗人行为开窗人行为 开空调人行为开空调人行为人员位移人员位移 开窗状况开窗状况 开空调状况开空调状况 三类人员位移 人员位移较随机 人员固定较固定 考虑某一时刻突 然人数增加 能耗能耗通风量通风量温度温度T 人员人员CO2产生量产生量 基于基于Matlab的室的室 内内CO2模型模型 室外室外CO2浓度浓度 反馈反馈 CO2 反馈反馈 图 9 机械通风 CO2 浓度 图 10 5 月 15 日自然通风 CO2 浓度 图 11 7 月 30 日自然通风 CO2 浓度 可以看出在本计算案例中 不管是机械通风还是自然通风方式 CO2 浓度都可以维持在 1200ppm 以内 满足人的健康需求 从另一个角度来看 自然通风和机械通风案例的室内 CO2 浓度差异不大 对于机械通风 室内 CO2 浓度随着室内人数的变化而产生波动 但是可 以将室内 CO2 浓度控制在 1000ppm 以内 自然通风方式同样可以将室内 CO2 浓度控制在 1000ppm 左右 而无需持续提供定量的新风 这是由于当开窗大量通风换气后 可以将室内 的 CO2 水平迅速降低到室外 CO2 水平 而室内具有一定的体积 关窗后还需要一定的时间 才能使 CO2 水平升至 1000ppm 而另一方面室内人员数量也是不断变化的 开窗通风的方 式可以很好的适应这一人员数量变化而带来的通风量需求 图 12 累积冷负荷对比 kWh 图 12 为机械通风案例与开窗通风案例累积冷负荷的对比 可以看出开窗通风案例的 累积冷负荷要低于机械通风案例 大约是其 1 2 同时考虑到机械通风系统的耗电量 因 而自然通风系统可以在实现同等室内空气品质的同时 有效地降低空调系统能耗 就北京 夏季小型办公室来看 开窗通风方式更加节能 400 600 800 1000 1200 0 00 1 00 2 00 3 00 4 00 5 00 6 00 7 00 8 00 9 00 10 00 11 00 12 00 13 00 14 00 15 00 16 00 17 00 18 00 19 00 20 00 21 00 22 00 23 00 0 00 CO2浓度 ppm CO2浓度 0 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617181920212223 机械通风换气次数 开窗通风换气次数 0 1 2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617181920212223 室内人数 400 420 440 460 480 500 0 00 1 00 2 00 3 00 4 00 5 00 6 00 7 00 8 00 9 00 10 00 11 00 12 00 13 00 14 00 15 00 16 00 17 00 18 00 19 00 20 00 21 00 22 00 23 00 0 00 CO2浓度 ppm CO2浓度 400 600 800 1000 1200 0 00 1 00 2 00 3 00 4 00 5 00 6 00 7 00 8 00 9 00 10 00 11 00 12 00 13 00 14 00 15 00 16 00 17 00 18 00 19 00 20 00 21 00 22 00 23 00 0 00 CO2浓度 ppm CO2浓度 0 2 5 5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617181920212223 开窗通风换气次数 0 1 2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617181920212223 室内人数 1043 481 0 200 400 600 800 1000 1200 机械通风累计耗冷量开窗通风累计耗冷量 耗冷量kwh 图 13 5 月 15 日冷负荷对比 图 14 7 月 30 日冷负荷对比 为了进一步分析间歇式的开窗通风方式对室内温度及冷负荷的影响 采用模拟软件 DeST 进行模拟计算 图 13 图 14 为机械通风案例和开窗通风案例分别在过渡季典型日和 夏季最热典型日的逐时冷负荷 通风量和室温对比 在过渡季典型日 5 月 15 日 室外温度 比较凉爽 可以维持全天开窗通风 室温在 20 25 范围内波动 室温维持在一个比较舒 适的范围内 由于自然通风空调开启和通风是两个独立的过程 过渡季全天不需要开启空调 自然通风的冷负荷为 0 要远小于机械通风的累积冷负荷 在夏季最热典型日 7 月 30 日 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617181920212223 逐时冷负荷 kw 机械通风冷负荷 自然通风冷负荷 14 16 18 20 22 24 26 28 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617181920212223 室温 机械通风室温 开窗通风室温 室外干求温度 0 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617181920212223 机械通风换气次数 开窗通风换气次数 0 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617181920212223 机械通风空调作息 自然通风空调作息 0 1 2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617181920212223 室内人数 0 0 5 1 1 5 2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617181920212223 逐时冷负荷 kw 机械通风冷负荷 自然通风冷负荷 24 25 26 27 28 29 30 31 32 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617181920212223 室温 机械通风室温 开窗通风室温 室外干求温度 0 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617181920212223 机械通风换气次数 开窗通风换气次数 0 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617181920212223 机械通风空调作息 自然通风空调作息 0 1 2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617181920212223 室内人数 开窗时刻的室温高于空调设定值 26 考虑到人对温度的适应范围以及开窗带来的吹风感 可以增加舒适度 认为在开窗时刻的温度仍处于可接受的范围内 而机械通风的室温一直稳 定在 26 室温维持在一个比较舒适的温度 由于开窗通风造成大量空气进入室内 夏季 最热典型日室外温度显著高于室内温度 而开窗时刻不开空调 造成关窗后需要处理的负荷 增加 综合来看 在最热典型日 开窗通风案例的累积冷负荷要略小于机械通风案例 图 15 过渡季至最热日之间冷负荷对比 从过渡季至最热日的冷负荷变化如图 15 所示 随着室外温度的变化 开窗时间逐渐减 少 导致自然通风的优势逐渐减少 4 2 人员人员作息作息 B 条件下两种条件下两种通风方式的差异通风方式的差异 本部分人员作息采用人员作息B进行模拟计算 人员作息B与之前的差异是在下午2 00 3 00 室内人数增加到 6 人 模拟工况设计如下 两种通风方式在气象参数 围护结构 人员 灯光 设备能耗等参数相同的情况下 仅改变通风方式和空调开启时间进行模拟计算 分别 得到室温 CO2 浓度和建筑夏季冷负荷量 图 16 机械通风 CO2 浓度 图 17 5 月 15 日自然通风 CO2 浓度 图 18 7 月 30 日自然通风 CO2 浓度 可以看出在本计算案例中 由于下午 2 00 3 00 室内人数突然增加至 6 人 机械通风无 法满足人数增加导致的新风量增加 导致下午 2 00 3 00 出现室内 CO2 浓度短暂超标 升至 1400ppm 的情况 而自然通风可以增加开窗时间 使室内 CO2 浓度维持在 1000ppm 左右 开窗通风的方式可以更好的适应人员数量变化带来的通风量需求 0 5 10 15 20 25 冷负荷 kWh 机械冷负荷 kWh 开窗冷负荷 kWh 5月15日5月30日6月15日6月30日7月15日 7月30日 400 600 800 1000 1200 1400 1600 0 00 1 00 2 00 3 00 4 00 5 00 6 00 7 00 8 00 9 00 10 00 11 00 12 00 13 00 14 00 15 00 16 00 17 00 18 00 19 00 20 00 21 00 22 00 23 00 0 00 CO2浓度 ppm CO2浓度 0 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617181920212223 机械通风换气次数 开窗通风换气次数 0 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617181920212223 室内人数 400 450 500 550 600 650 700 0 00 1 00 2 00 3 00 4 00 5 00 6 00 7 00 8 00 9 00 10 00 11 00 12 00 13 00 14 00 15 00 16 00 17 00 18 00 19 00 20 00 21 00 22 00 23 00 0 00 CO2浓度 ppm CO2浓度 400 600 800 1000 1200 0 00 1 00 2 00 3 00 4 00 5 00 6 00 7 00 8 00 9 00 10 00 11 00 12 00 13 00 14 00 15 00 16 00 17 00 18 00 19 00 20 00 21 00 22 00 23 00 0 00 CO2浓度 ppm CO2浓度 0 2 5 5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617181920212223 开窗通风换气次数 0 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617181920212223 室内人数 图 19 累积冷负荷对比 kWh 图 19 为机械通风案例与开窗通风案例累积冷负荷的对比 可以看到开窗通风案例的累 计耗冷负荷要低于机械通风案例 图 20 5 月 15 日冷负荷对比 图 21 7 月 30 日冷负荷对比 如图 20 图 21 所示结果 基本与之前的结论相似 值得注意的是 在下午 2 00 3 00 由于开窗通风造成室内温度比较高 达到了 30 左右 同时由于设备容量的限制 下一时 刻开启空调无法迅速把室温控制到 26 出现了空调时刻室温高于空调设定值的现象 5 5 结论结论 机械通风方式和自然通风方式是两种不同的室内环境营造的方式 机械通风是一种定量 的 恒定的 连续的通风方式 而自然通风是不定量 间歇 反馈式的通风方式 通过模拟 手段加深对这两种通风方式差异性的理解 探究北京夏季中小型办公建筑中这两种通风方式 1630 739 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 机械通风累计耗冷量开窗通风累计耗冷量 耗冷量kwh 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617181920212223 逐时冷负荷 kw 机械通风冷负荷 自然通风冷负荷 14 16 18 20 22 24 26 28 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617181920212223 室温 机械通风室温 开窗通风室温 室外干求温度 0 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617181920212223 机械通风换气次数 开窗通风换气次数 0 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617181920212223 机械通风空调作息 自然通风空调作息 0 2 4 6 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617181920212223 室内人数 0 0 5 1 1 5 2 2 5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617181920212223 逐时冷负荷 kw 机械通风冷负荷 自然通风冷负荷 24 25 26 27 28 29 30 31 32 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617181920212223 室温 机械通风室温 开窗通风室温 室外干求温度 0 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617181920212223 机械通风换气次数 开窗通风换气次数 0 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617181920212223 机械通风空调作息 自然通风空调作息 0 2 4 6 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617181920212223 室内人数 在室温 CO2 浓度和冷负荷方面的差异 主要结论如下 1 在本案例中 开窗通风时室内 CO2 浓度与机械通风系统的水平相同 而且可以很好的 适应人员数量变化带来的新风量需求 而机械通风在室内人员数量突然增加时出现 CO2 浓度超标的现象 2 在室内温度基本满足要求的情况下 开窗通风的冷负荷普遍低于机械通风系统 开窗通 风依靠使用者直接参与调节控制 当室外出现极端高温或空气品质差的天气 用户可以 通过调整开窗时间实现空气品质和温度的需求平衡 这可以使极端天气下能耗降低 同 时室内空气质量基本满足需求 同时当室内无人时 开窗通风的案例中空调不开启 降 低空调能耗 而机械通风需要在工作时间维持定量连续的通风 如果考虑到机械通风的 风机能耗 开窗通风的能耗将大幅低于机械通风的案例 3 在本案例中 自然通风方式的室内空气品质与机械通风的水平相近 而且能耗低于机械 通风系统 因而 对于具有室内人员密度低 人员活动随机性大 房间进深小等特点的 中小型办公建筑而言 自然通风方式要优于机械通风方式 致谢致谢 本文受 十二五 国家科技支撑计划课题 建筑节能基础数据的采集与分析和数据库建 立 2012BAJ12B01 资助 参考文献参考文献 1 Leech J A Nelson W C Burnett R T et al It s about time A