广州地区住宅通风潜力评估

广州地区住宅通风潜力评估

建筑是一个能源消耗的大领域。世界约50%的能源消耗与建筑物的施工和使用过程有关。然而，中国的空调能源消耗占建筑能耗的50%65%。因此，研究自然通风潜力对通过建设项目实现节能环保建筑环境的调整具有重要意义。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.自然通风潜力分析应综合考虑建筑所在地区的典型气象参数以及建筑自身与周边地貌特点等因素,同时结合自然通风原理来综合评估自然通风.目前,国外已开展的研究大都根据气候参数进行气候适应性分析,模型较粗糙,可信度也不高,不能很好地反映热压和风压共同作用的结果.为此本文提出自然通风潜力评估体系.1该自然通风潜力评估体系的结构1.1典型气象年的选取和月间平滑处理在这一阶段,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年的平均值的年份.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,确定风压系数、流量系数、建筑高度以及开口面积等参数.1.2自然压差帕时数1)根据1.1所得的基本输入数据,应用通风量公式计算建筑可提供的自然通风压差.2)根据1.1中室内空气品质要求以及人的热舒适性需要确定合适的最小自然通风量.3)引入自然压差帕时数概念,类似于供暖度日数,定义自然通风压差帕时数:指建筑可提供自然通风有效压差高于所需最小压差的压差数与具有此压差数的小时数的乘积之和.根据2)和3)计算自然通风压差帕时数.数值越大,表明自然通风潜力越大.1.3住宅通风策略分析根据1.2中得到的压差帕时数以及通风概率分布情况,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提供设计参考依据.2自然因素评价体系的建立2.1自然通风量q计算由于居民住宅建筑结构复杂,为研究简化起见,做如下假设:建筑为蜂窝状箱体结构;建筑物坐北朝南,只有南北朝向的墙体即A1和A3有蜂窝状孔口,平面图见图1;室内温度恒为22℃,且温度分布均匀;根据布辛涅斯克近似,取空气密度ρ0为一定值(1.2kg/m3).根据基本的自然通风量q计算公式:q=CdAtot√2ΔΡeffρ0.(1)式中:Atot=(A1+A3)η;η=AopeningAwall,为开口率;Cd为流量系数.由于q=qtot=√q2s+q2w.(2)因此ΔΡeff=ρ0q22C2dA2tot=ρ0(q2s+q2w)2C2dA2tot.(3)2.1.1通风量模型可以视为两个单侧通风(见图2).根据单侧通风计算公式得到模型在热压作用下的通风量为:qs=13CdA1η√gΗ|ΔΤ|Τo+13CdA3η√gΗ|ΔΤ|Τo=13CdAtot√gΗ|ΔΤ|Τo.(4)2.1.2风压作用下的通风方程将风向分为8种,以北面窗孔为例,风向与该窗孔的法向成的夹角θ顺时针方向为0°(北风),45°,90°等等,其它以此类推.风压作用下的通风方程:qw=q1=q3=CdA*η√2|ΔΡw|ρ0(5)式中ΔΡw=12ρ0Cp1v2-12ρ0Cp3v2‚1A*2=1A21+1A23.2.1.3建筑相对两端墙体面积等时东综上所述,将式(4)和(5)代入式(3),得到总的有效压差公式为:ΔΡeff=ρogΗ18⋅|ΔΤΤo+A21A23ρo2(A21+A23)(A1+A3)2|ΔCp13|v2(6)一般而言,建筑相对两面墙体面积相等,即A1=A3时,公式简化为:ΔΡeff=ρogΗ18⋅|ΔΤ|Τo+ρo16|ΔCp13|v2(7)2.2气象站的风速转化为城市污水站的风速,与实际建筑的风速转化比较,将地形系数为地形系数输入参数中最为重要的是典型气象年的逐时风速风向、温度数据,其中,需要根据气象站的风速转化成建筑所在地风速,根据风向数据转化成风压系数.气象站的风速v0通常是在郊区标准高度10m测得.因此在实际建筑中,需要将气象站的风速转化为建筑所在地的风速v.这一风速的计算公式:v=kv0za(8)式中:k,a为地形系数(表1为地形系数的选择依据);z为建筑高度.根据风向确定建筑的风压系数Cp,可参考文献.如低层建筑风压系数数据,长宽比为2∶1,周围无建筑遮挡条件下,Cp取值见表2.综上所述,有效压差计算公式为:ΔΡeff=ρogΗ18⋅|ΔΤ|Τo+ρo16|ΔCp13|v2=ρogΗ18⋅|ΔΤ|Τo+ρo16|ΔCp13|k2z2av20(9)2.3新风量的确定根据ASHRAE标准,新风量用于稀释房间污染源和人的新风需求,每人每秒需新风量为7.5L;而对于污染源,新风量为0.1L/(s·m2).需要说明的是,本文研究的自然通风量仅满足了室内空气品质需要,并未考虑热舒适要求,则Af面积内,N人所需新风量为:qR=0.0075×N+0.0001×Af(10)同时又由压差与通风量的关系式(1)得到所需的自然通风压差为:ΔΡR=ρ0q2R2C2dA2tot=ρ0q2R2C2d(A1+A3)2η2.(11)2.4时数的计算根据自然通风压差帕时数的定义,自然通风压差帕时数的计算公式为:ΡDΡΗ=Ν∑i=1(ΔΡeffi-ΔΡR)⋅δp.(12)式中δp={1‚ΔΡeffi＞ΔΡR0‚ΔΡeffi≤ΔΡR.3广州地区分析广州地区气候温暖,属亚热带季风气候,由于北回归线从北郊通过和海洋性气候的调节,夏无酷暑,冬无严寒.由于其全年气候适合进行自然通风,因此我们选择广州地区进行分析.3.1月平均风速、风速变化情况根据美国能源部开发的EnergyPlus软件中的典型气象年的数据,可以得到广州地区的典型气象年逐时风速风向和温度参数,进而统计得到广州地区月平均逐时温度、风速变化情况以及全年风速累积概率分布情况.各月温度逐时变化都是早晚低,午间较高,全年温度和日温差变化不大.风速波动变化较为剧烈,波动有一定的周期性.从全年风速累积概率分布情况则看出,全年有50%的风速大于1.8m/s,约85%的风速小于3.5m/s.3.2南北墙、南墙做法考虑一栋在旷野的两层居民建筑,将两层楼视为一整体,基本输入参数如下:建筑尺寸(L×W×H)为20m×10m×7m,建筑体积V为1400m3,南、北墙面积A1,A3为140m2,建筑面积Af为200m2,取建筑内居民数9人,Cd为0.61,k为0.68,a为0.17.3.3实际建筑通风潜力与改性参数的关系图3表示在几种不同开口率(即不同的窗孔面积)下各月的自然通风压差帕时数.从图中可以看出,不同开口率对其帕时数影响甚微,这主要是因为,图4中所示的有效压差累积概率分布图显示,90%的有效压差大于0.05Pa,而根据居民人数以及建筑面积可以得到所需最小通风量为0.0875m3/s,计算得到的所需压差甚小,即使在η较小如0.01时,所需压差值也不超过0.002Pa,远远小于实际的有效压差值.这样一来几乎100%的有效压差都可以满足,这说明广州地区的自然通风潜力很大.事实上,根据式(11),开口率越大,墙体面积相同情况下,窗孔面积也越大,所需压差就会越小,而有效压差与开口率无关,从而帕时数会增加,通风潜力也越大.因此,在相同情况下,如增大开口率可以增大通风潜力.另外从图3中,还可以看出,12月份的通风潜力最高,其次是3月份和11月份,4,5,6月份较小,这与室内外温差、室外风速有很大关系.需要强调的是,由于所需通风量仅满足室内空气品质需求,因此这只能说明广州地区自然通风满足室内空气品质的潜力比较大.实际上由于夏季室外温度较高,仅靠自然通风并不能满足人体的热舒适性要求,仍然需要空调等设备加以调节.由于本数据结果是根据事先假设的建筑模型和建筑所在地的地形地貌情况得到的,因此,我们可以根据实际的建筑模式、特点以及周围环境情况类似计算得到自然通风压差帕时数和逐时有效压差,以判断实际建筑的通风潜力.如果大部分时间累积有效压差低于所需压差,那么可以通过增大开口率或加入机械通风方式满足实际通风量需要.4制膜法体系的设计和应用本文引入新的潜力分析指标,即自然通风压差帕时数PDPH来评估建筑的自然通风潜力,PDPH值越大,自然通风潜力也越大.应用广州地区的典型气象年的气象数据对某拟定的广州郊区两层住宅建筑的自然通风潜力加以分析.结果表明,即使对于较小