混合通风技术在住宅建筑中的应用研究.pdf

Green Performance 绿 色 性 能绿色建筑2023年 第3期069混合通风技术在住宅建筑中的应用研究混合通风技术在住宅建筑中的应用研究邹芳睿1,2，朱 能1，郭而郛2，杜 涛2(1.天津大学环境学院，天津 300072；2.天津生态城绿色建筑研究院有限公司 天津 300467)摘要：对于被动设计的研究表明，在炎热气候下，提高风速是提高热舒适的一个非常关键的指标，但其在空调设计中其往往被忽视。根据用户需求在不影响热舒适的前提下，改变传统意义的空气调节将会是节能减排的新方向。混合通风技术与传统空调系统相比，能够在显著降低能耗的情况下提供热舒适性。以天津地区夏季炎热气候为例，探索被动式设计与调节空气输送耦合，实现热舒适性最优的节能方法。关键词：混合通风；热舒适；节能减排中图分类号：TU834.5+1 文献标志码：A 文章编号：1674-814X（2023）03-069-040 引 言通风的根本目的是改善室内的空气条件，保证人们的身体健康1。通风系统按作用原理分为机械通风和自然通风。自然通风需要依赖外部自然条件，具有不确定性，而机械通风导入新风是可以有效控制的，如风量大小、时效、风路等。我国的能源问题日趋严峻。在建筑节能中,通风技术的发展方向起着至关重要的作用，既满足室内舒适条件又降低能量消耗是通风技术的可持续发展目标。天津属于寒冷地区，冬季较长且气候干燥，夏季则炎热湿润。笔者通过对寒冷地区气候特征进行分析后得出，在该气候区条件下，全年需要使用空调制冷的频率很低，夏季的大部分时间只需要通过自然通风的方式即可维持室内舒适的温度。相关研究人员通过气候分析发现，天津市在夏季存在连续高温与高湿度的天气（约15 d左右），但由于此种天气历时较为短暂，因此长久以来并未引起相应的重视2。常用的应对方式为开启空调并调低温度直至满足体感舒适度为止，而此种情况必然导致夏季空调能耗的升高。笔者利用Weather Tool软件对天津市室内热舒适度区间进行分析，分析结果如图1所示。图 1 天津市热舒适度区间由图1显示的结果可知，天津市供热采暖和空调使用的时间较长，节能的潜力也较大。1 混合通风技术策略风压通风在炎热季节是十分有效的降温方式。对于我国大多数紧凑式高层住宅建筑而言，热压通风较难实现，这是因为楼上楼下分属不同产权，使得自下而上的通风设施无法实现。以如图2所示的典型高层住宅平面布局为例，可在建筑的迎风面采用风压通风。由于高层建筑平面布局十分复杂，其迎风房间会阻挡气流进入北风房间。此时，采用混合通风技术可有效解决高层住宅建筑通风效果不佳的问题。混合通风技术是一种在空调管理中采用自适应热模型的混合通风方法以实现居住者舒适度，同时最大限度降低能耗和碳排放量的被动式节能技术3。图 2 某住宅建筑平面图1.1 试验设计在住宅客厅内安装两台风扇，根据空间限制选择小功率风扇，按照常规住宅客厅设计净宽为3.55 m，风扇尺寸规格一般如下：（1）1 050 mm，功率为6365 W；（2）1 绿 色 性 能 Green Performance绿色建筑2023年 第3期070200 mm或1 400 mm，功率为6570 W。本试验以基于600 600矩阵的物理边界约束的条件建模，风扇布置点如图3所示。通过模拟软件可得，由于来自两个相邻风扇的相互冲突的空气运动产生的湍流，风扇与风扇中心轴之间的空气流动速度较单个风扇系统的高。因此，与单风扇系统相比，在双风扇系统中的有效风扇覆盖范围应进一步扩大。图 3 双风扇安装位置示意图（网格模数为600600）1.2 物理测试与验证对于混合通风系统，本试验需验证以下内容：一是天津市夏季炎热气候下混合通风系统提供热舒适性（定义为在0.5 PMV范围内）的能力；二是优化风扇和空调空气分配器的间距，以更好地提高空气流动速度和冷却空气分配。为了验证混合通风技术对天津市夏季炎热气候的适应性，笔者建立混合通风系统以进行测量验证。1.2.1 不同风速模式下的室内气流组织情况本试验分别检测了3 m/s、4 m/s和5 m/s三档风扇速度模式在室内的风速分布情况。风扇形成的风速在距离地面1.1 m的高度，以5 m/s为宜。风扇转速分别为3、5、7m/s情况下在1.1 m处形成的风速如图4所示。从中可以看出，风扇在5 m/s转速下带来的风速最为适宜。以上所述适宜风速，其特点为符合GB 507362012民用建筑供暖通风与空气调节设计规范3.0.2条对于人员长期逗留区域室内风速的规定。图 4 不同风扇转速下在距地1.1 m处形成风速分布图1.2.2 配风方式分析风速在4 m/s下的空气分配模式非常重要，因为该风速对应的能耗为15 W，节能且能够提供足够的空气流动速度。单台风扇空气流速分析如图5所示。图 5 单风扇在4 m/s下不同高度的风速分布H1100和H600代表建立传感器阵列以测量空气流动速度的高度。在靠近风扇的位置A1处，H1100和H600的差异更大。离位置A1越远，差异越小。H1100的风速一般高于H600。在单个风机配置中，风速通常会从风机的中心轴降低1.2 m。随后，风速从1.2 m处开始略有增加，在约1.8 m处达到峰值，然后在1.82.4 m处逐渐减小。合理的假设是，相对于风机中心轴的距离，风速将继续从2.4 m处下降。这意味着在距离风扇1.8 m处，可能存在轻微的热舒适区。此外，有效风扇覆盖范围从风扇的中心轴延伸至约2 m。由于我国住宅起居室长度一般在3.55 m，单个风扇无Green Performance 绿 色 性 能绿色建筑2023年 第3期071法实现应有效果。因此，笔者进行了一项试验，以测试双风扇系统协同工作的效果。试验数据如表5所示。表 1 4 m/s下双风扇系统在不同高度下的风速H1100风速分布H600风速分布风机正下方0.7 1.5 m/s0.6 1.1 m/s距离600 mm风速降低至0.2 0.4 m/s及0.5 1.1 m/s稍有增加至0.6 1.3 m/s距离1200 mm 风速降低至0.1 0.5 m/s及0.4 0.6 m/s风速降低至0.2 0.7 m/s及0.4 0.6 m/s距离1800 mm 风速增加至0.5 1 m/s风速增加至0.5 1 m/s距离2 400 mm 风速降低至0.4 0.8 m/s风速降低至 0.4 0.8 m/s该试验的风速分布如图6所示。风速的计量单位为m/s，空间的最大高度为地面以上2.4 m，与安装风扇的高度相对应。图 6 双风扇系统风速分布图从图6可以看出，来自相邻两个风扇的气流运动发生冲突而产生的湍流，与单风扇系统相比，距风扇中心轴3 m处的风扇之间的气流速度更高（0.5 0.9 m/s）。因此，与单风扇系统相比，双风扇系统的有效风机覆盖范围进一步扩大。在风扇放置方面，风扇应始终放置在一个网络中，以便增强和扩展其有效覆盖范围。在混合通风系统的布局中，其部署高度取决于风扇供应商提供的保证性能。笔者通过对不同风扇型号的比较，发现风扇的覆盖范围取决于风扇叶片的倾斜角度。根据笔者收集到的数据，可得到模拟空间的风速分布。用户保持坐姿时，胸部的平均高度为1.1 m，这个高度影响他们对空气流动速度的感知，从而影响热舒适性。需要注意的是，座椅可直接放置在吊扇下，桌子可放置在较低风速的区域，距离风机的中心轴1.8 m左右为宜（这一效果在研究单个风机的气流分布模式时得到强调），以从气流运动中产生更多的湍流，并使得空气流动速度更快。笔者将这些结果与热舒适性研究中的其他参数进行比较，并在后续的章节中解释。2 热舒适性分析PMV热舒适研究PMV热舒适（以下简称“PMV”）模型是根据空气温度和平均辐射温度以及适用的代谢率、衣物隔热、风速和相对湿度计算的。如果模型生成的PMV值在推荐范围内（0.5PMV0.5），则称为在舒适区内。在前面的部分中，笔者已经给出收集的空气流动速度和温度相关参数的数据。将相对湿度假定为65%，对于传统的空调房间来说是很高的，但对于混合式通风系统来说是合理的，同时用精密空气处理机组（PAHU）将空气温度降低到1720，而不是传统的14。由于回风温度较高，因此预计新鲜空气供应中的水分会减少。同时，将代谢率假定为1.1，与坐着工作条件或站着交谈等轻活动相对应。正如美国采暖、制冷与空调工程师学会（ASHRAE）标准所强调的，当代谢率增加到1.0以上时，汗液的蒸发成为热舒适性的一个日益关键的因素，这一因素在PMV方法中未被充分考虑。在混合通风系统中，与传统的空调系统相比，提高风速有助于蒸发。这是由于移动空气的性质，以防止局部形成湿度较高的区域。当用户长时间在附近就座，会感觉舒适度较高，而当用户站起来四处走动时，则会感到寒冷，这归因于传统空调系统中冷却空气分布不均。在典型的空调设计中，当考虑到空间的总热负荷时，由于分配器和家具的定位，一些区域并不需要降温，因此混合通风的缺陷将被有效消除。利用从模型室收集的数据，以600600网格的分辨率计算模型室每个网格的PMV，测得风机运行时的空气流动速度，其大约相当于0.30.7 m/s空间经验风速的81%。12%的经验风速介于0.70.8 m/s，约6%的经验风速介于0.81.0 m/s。相对湿度假定为65%，由中央空气处理装置（AHU）提供的空气控制。由于辐射热增量，PMV值更接近立面，空间内部的PMV值更低（距离立面约9 m）。同时，由于较高的风速，风机正下方的PMV值也较低，并且因为湍流较大，因此风机之间的PMV值也较低。总体来说，26.56%的区域的PMV在 0.5到0之间，68.75%的空间的PMV在0到0.5之间，只有4.69%的空间的PMV值大于0.5，并且这些区域只是靠近立面的周边区域。这一结果支持混合通风系统的概念，因为超过95%的面积达到ASHRAE 55规定的热舒适性。绿 色 性 能 Green Performance绿色建筑2023年 第3期072同样，根据从模拟室收集的数据，计算模拟室每个网格的PMV，测得风机运行时收集的风速。这大约相当于0.30.7 m/s空间经验风速的56%，19%的经验风速介于0.70.8 m/s，19%的经验风速介于0.81.0 m/s，6%的经验风速超过1.0 m/s。同样地，相对湿度假定为65%，因为由中央空气处理装置（AHU）提供的空气控制。PMV值的趋势与风扇转速的结果非常相似。PMV值越大，由于辐射热增量，越接近立面，空间内部的PMV值越小。53.12%的区域达到0.5到0之间的PMV值，43.75%的空间达到0到0.5之间的PMV值，只有3.13%的区域的PMV值大于0.5，并且这些区域只是靠近立面的周边区域。这一结果支持了混合通风系统的概念，因为超过96%的面积达到ASHRAE 55规定的热舒适性。虽然以上两种风扇转速配置都实现了热舒适性，但前一种配置更节能。在混合通风系统中，由于空气流动速度较快，居住者有必要控制其室内环境。从以上对风机转速PMV的研究可以看出，PMV值在2个风速之间变化很大。目前，市场上的吊扇型号至少能提供5种运行速度。虽然PMV是一套综合测试的分析工具，但由于热舒适性是一种主观感知，并且总是存在不符合标准模型的异常值4，通过控制空气流动速度，混合通风系统对个人舒适感有更好的适应性。风扇安装原则为房间地板到棚顶的距离至少为3 m，要达到最佳的通风效果需要净高至少为2.7 m。两个风扇中心到中心的距离至少需要3.5 m，且风扇应尽量靠近空调系统的出风口。需要注意的是，桌面和座椅直接放在吊扇下面使得空气流动速度更快。3 结 语混合式通风系统代表了提供热舒适性的模式转变。本研究为PMV提供了经过处理的经验数据，以证明混合通风在北方湿热环境下的有效性。同时，笔者给出了一些关键的实现技术，如最佳风扇布置、控制要求及空气分配器布置等。此外，混合通风系统适用于高温、高湿气候地区建筑内的被动通风降温操作，如医院社会空间、机构等以及各种公共空间，如社区中心、多功能大厅、公寓功能空间等。参考文献：1 陆耀庆.供暖通风设计手册M.北京:中国建筑工业出版社,1987.2 邹芳睿.寒冷地区被动式超低能耗住宅建筑设计理论与方法研究D.天津:天津大学,2019.3 JI Y,LOMAS K J,COOK M J.Hybrid ventilation for low energy building design in south ChinaJ.Building and Environment,2009,44(11):2245-2255.4 曹彬,朱颖心,欧阳沁,等.北京地区冬季室内人体热舒适性及热适应性调查J.暖通空调,2010,40(5):98-101,131.收稿日期：2023-02-10作者简介：邹芳睿，博士研究生，高级工程师，主要从事绿色建筑、超低能耗建筑技术研究工作，现供职于天津生态城绿色建筑研究院。通信地址：天津市滨海新区中新天津生态城中天大道2018号低碳体验中心5F楼。