089利用自然通风技术降低建筑能耗研究全文

利用自然通风技术降低建筑能耗研究中国建筑设计研究院重庆建筑设计股份有限公司谭涛重庆大学城环学院王勇罗庆摘要自然通风是一项无能耗的通风技术，利用得当可以解决建筑中的通风和排热等问题，在解决建筑能耗的研究中，利用自然通风是一个很好的选择。本文通过CFD模拟和实验研究得到了利用自然通风技术降低建筑能耗的方法。经过结果对比，得到了较好的结论，为建筑节能提供了一种思路。关键词自然通风建筑能耗建筑节能1概要自然通风有自己独特的优势，不需要外部动力就能够得到较好的通风效果，这种效果应用在建筑领域就能够保证通风换气以及废热的排放。设计较好的水电站通风和高大厂房的通风的主要手段就是利用自然通风技术，并且得到了实践的检验。将自然通风技术应用到建筑中，同样能够起到降低能耗的作用。降低建筑能耗是暖通技术的一个重要课题。降低建筑能耗的途径通常有两种方法，一种从是暖通空调系统出发降低系统运行能耗；另一种即是从建筑维护结构出发降低建筑本身的能耗。后一种方法一般是考虑建筑朝向、建筑材料类型、建筑结构型式等等，如果这些措施处理得当，能够降低建筑负荷。这些措施是一种静态的处理方法，如果采用动态的方法即将自然通风技术引入到能耗处理分析过程，这就为建筑节能又提供了一种新思路。本文提供一种利用自然通风技术降低建筑能耗的途径。2利用自然通风降低建筑外墙负荷房间负荷的形成是房间在各种外扰、内扰及建筑维护结构的热工特性等因素综合作用下的必然结果。外扰主要包括室外气候参数如室外空气温度、太阳辐射、风速及邻室温度；内扰则主要是室内设备、照明、人员及通风等热湿源和空调冷热源等。在通常情况下，房间内的负荷变化受房间空调制冷量（或供热量）、围护结构传热、通过玻璃直接进入的太阳辐射、通风与空气渗透得热、室内人员散热、设备散热、照明散热传热等因素影响。在上述多种影响因素中，维护结构传热就可以通过自然通风技术进行改善，从而降低建筑负荷，起到建筑节能的目的。根据传热原理，维护结构的传热影响因素由维护结构物性参数以及维护结构两侧表面温度决定。在室内设计参数以及维护结构型式确定后，降低维护结构外表面温度就能够降低传热温差，从而降低室内负荷。对于建筑维护结构，外表面除外窗外，主要就是外墙。由于外窗有通风和采光要求，同时窗户的处理已经有很多方法，在此暂不讨论。解决外墙壁面温度的途径就是外墙通风技术。外墙通风原理即是在外墙设置通风墙体，该墙体与建筑外墙构成通风道，利用热压通风使空气在通风道内流动，从而迅速带走墙体内的热量，降低建筑外墙温度，减少传热量。通风墙体的构造如图1所示。建筑型式采用重庆市小城镇节能项目的原始图形，建筑布局如图2所示：根据建筑型式，采用CFD对北向和西向通风墙体进行模拟，模拟北向通风墙体的条件是太阳辐射强度为100W/m2，室外干球温度为35℃，模拟计算结果如图3所示。北向外墙采用了通风墙体后的各层温度分布曲线如图5所示。从夹层内空气分布看，温度梯度比较明显。在这种情况下，在夹层内能够顺利形成热压。通风墙体的外表面在太阳辐射作用下，外墙外壁温＝42.94℃；外墙内壁温＝38.94℃；通风墙内空气温度＝34.96图1通风墙体构图图2模型的原型建筑布局℃；内墙外壁温＝33.03℃；内墙内壁温＝31.03℃。对于建筑外墙，其外表面温度由42.94℃降低到33.03℃，内壁温度为31.03℃。如果在没有采用通风墙体，在其他条件相同情况下采用普通墙体，其温度分布如下：墙外壁温＝43.38℃；墙内壁温＝38.7℃；可以看出，设置通风墙体后建筑内表面温度比没有设置通风墙体的墙体内表面温度下降7.4℃。传热温差由5℃下降为2℃。对于外墙传热，如果导热过程按照稳定传热过程来考虑，可以根据Q＝K·F·Δt进行计算，在传热系数和传热面积确定的条件下，传热量和温差成正比，即外墙传热负荷可下降60%，另一方面，由于外墙内表面温度降低，墙面内表面向室内辐射的热量下降，可以使负荷进一步降低，根据模拟负荷计算，室内负荷可以下降11%左右。图3北向通风墙模拟计算结果图图4西向通风墙模拟计算结果图同理，对西向通风墙进行模拟，模拟条件是太阳辐射强度为60W/m2，室外干球温度为35℃。模拟计算结果如图4所示。通风墙体(北）温度分布010203040501234567891011121314竖向高度温度夹层空气分布外墙外壁温外墙内壁温内墙外壁温内墙内壁温图5北向外墙采用通风墙体后的各层温度分布曲线西向外墙采用了通风墙体后的温度分布如图6所示。通风墙体（西）温度分布图010203040501234567891011121314竖向高度温度夹层空气分布外墙外壁温外墙内壁温内墙外壁温内墙内壁温图6西向外墙采用通风墙体后的各层温度分布曲线模拟结果如下：外墙外壁温＝39.89℃；外墙内壁温＝37.5℃；通风墙内空气温度＝35.05℃；内墙外壁温＝34.02℃；内墙内壁温＝33.02℃。对于建筑外墙，其外表面温度由39.89℃降低到34.02℃，内壁温度为33.02℃。如果在没有采用通风墙体，在其他条件相同情况下采用普通墙体，其温度分布如下：墙外壁温＝41.4℃；墙内壁温＝37.4℃；可以看出，设置通风墙体后建筑内表面温度比没有设置通风墙体的墙体内表面温度下降5.87℃。传热温差由4℃下降为1℃。同理，根据传热原理，可以得到西向外墙传热负荷下降75%，同时室内内表面向室内辐射的热量下降，根据模拟负荷计算，室内负荷可以下降12%左右。综上，外墙通风结构由于有夹层存在，实际是将辐射热外墙体的升温转嫁到通风墙的外墙上，由于辐射升温的热量首先是传导到通风道内，由于热压的存在，形成从下到上的气流，能使热空气迅速将热量带走，气流与建筑的实际外墙外表面的传热才构成了外墙的传热量，因此，负荷降低。以上是夏季模拟结果。在冬季，将风口关闭，通风道成为具有一定厚度不流动空气的保温墙，同样降低外墙负荷。外墙通风的成本很低，实际是仅增加了一个风道，且一面可以利用原建筑外墙的外表面代替，因此，增量成本很低。该方法已有实际工程应用。3结论和建议3.1利用外墙通风可以使外墙传热负荷降低明显，由于各向外墙太阳辐射值的不同，各向通风墙体降低负荷值是不同的。3.2如果有两面以上外墙，室内负荷降低值更加明显。3.3墙体内加强热压可以通过太阳能辐射管来解决。3.4通风道的长宽比例尺寸，对通风量有一定的影响，应有一个昀佳比例。3.5应进行采用通风墙体与采用保温墙体的经济技术分析。3.6该CFD模拟的原型建筑正在建设，能耗降低率待实验验证。参考文献[1]彦启森，赵庆珠.建筑热过程.北京:中国建筑工业出版社,1986[2]朱光俊，张晓亮，外墙保温技术对空调负荷的影响，节能技术，第23卷.总第129期,2005年1月.第1期[3]杨建坤,张旭,刘东,等，自然通风作用下中庭建筑热环境的数值模拟，暖通空调，2005年第35卷第5期[4]李峰、李雪，高层建筑外墙体与空调节能，制冷，1998年第1期(总(2期))