夏热冬冷地区夏季自然通风效果的实测及模拟分析
1、 概述
众所周知，中国的经济发展很快，但同时能源消耗增长的速度也很快。我国正处在城镇化高速发展期，据有关部门测算,目前我国每年建成的房屋面积高达16～20亿平方米, 超过所有发达国家年建成建筑面积的总和[1]。我国居住建筑每年单位建筑面积能耗量为发达国家的2至3倍，建筑能耗在总能耗中占有较大比重, 约为30%左右，其中，以采暖和空调能耗为主,占建筑总能耗的50%至70%[2]，可见加块实行建筑节能迫在眉睫。此外，众多不同使用性质的建筑的组合，建筑的体量和规模也随之逐渐膨胀, 然而，在这些建筑中，由于建筑设计时对自然通风的忽视, 造成大量的建筑用房通风不畅,使居住者常常有烦闷的感觉。在这样的形势下，通过合理的建筑设计来促进自然通风是取得降低能耗、提高室内空气品质的效果是必然选择[2]。
考虑到自然通风本身的一些特点，在自然通风的应用研究方面尚存在一些问题。在设计不当的情况下，自然通风不但不利于建筑内部热环境，反而会引发很多问题，影响了自然通风这一重要设计理念的开展[3]。因此，本文针对夏热冬冷地区的代表城市——重庆的某节能示范楼的自然通风效果进行了实测，分析自然通风在夏季对该建筑室内的通风降温效果，为推进房间自然通风效果的设计理念提供了依据。
2、建筑结构简介
该住宅楼是供检验科研结论的一座示范型住宅，位于重庆市江津市白沙镇，其用地呈西南宽、东北窄的梯形，地势较为平坦，为适应地形，该住宅楼设计分为东、西两个单元，两者间平面夹角为7O，通过开敞式楼梯间连接，一梯两户，板式建筑，可以很好地利用穿堂风形成自然通风。同时在建筑内布置竖向风井，在静风天气可利用热压自然通风，在极端不利的情况下，还可以考虑机械通风方式，保证室内新风量。三楼楼上是建筑阁楼部分，阁楼上设置了老虎窗，夏季老虎窗开启，有效的利用当地风能对屋顶房间进行通风，从而降低室内负荷。该项目的主要技术经济指标为：总用地面积为667m2(约1亩)，总建筑面积为517.6 m2， 建筑占地面积为213.5 m2，建筑密度为32.0%，容积率为0.78，绿化率为50%[4]。建筑二楼和三楼的起居室窗户构造为塑钢+中空，尺寸为2400*2100，卧室1的窗户构造为塑钢+单玻，尺寸为2320*2050，卧室1和餐厅的门的尺寸为2100*800。图1为建筑实物图。
3、测试实验介绍
3.1实验测试仪器
温度测试采用的是温湿度自动记录仪8829，其测量温度的范围是-40℃～85℃，温度精度为±0.6℃。以免仪器误差带来实验结果的不准确，在测试之前，我们将水银温度计置于冰水混合物中进行零点校核，得到水银温度计的准确读数，然后再将使用的温湿度记录仪以及两支校核后的水银温度计置于邻近同一水平位置，取同一时间的温度读数的平均值作为准确值，进行数据校核。我们利用热线风速仪testo 425进行风速测试，该仪器为精密型风速仪，可直接显示风速值。仪器带有时间段/多点平均值计算功能，能够计算出风量、风速和温度的平均值。同时，可以显示最大值、最小值，使用保持键能够保持当前读数。测试范围是0～20 m/s，精度为0.01 m/s。
3.2 实验测试方案
由于重庆2007年7月雨量丰沛，气温与同期相比偏低，因此本次测试安排在夏季8月中旬进行，测试时间为2007年8月15日、17—19日，共测试了4天。此时持续降雨阶段已结束6天，气温与同期较接近，太阳辐射也比较强烈，具有代表性，有一定的测试意义。
该节能示范楼右半部分住有居民，不便于测试，因此对左半部分进行了详细布点。二、三楼为本次实验的主要研究楼层，取起居室、卧室1、餐厅四个房间的横向中轴线和竖向的三等分线的交点布置测点，各房间为两个测试点，温湿度和风速测试高度均为1.5米，人体颈部附近，所有门窗处均取门和窗的中点测试风速。三楼为二楼的对比实验，门窗均关闭且在相似房间同样布置温湿度测点。由于时间的限制，记录了8：00—22：00点的数据，每隔两小时记录一次，布点情况详见图2。
备注：圆形表示温湿度测点，三角形表示风速测点
4、数据分析
4.1 实测数据分析
实验采用对比测试方法将四天测试收集到的数据整理后得到各房间的风速和温度，三楼门窗均处于关闭状态，各时刻的室内风速测试结果均为0或0.01m/s，二楼门窗均开启，室内风速随时间变化情况如图3所示。从图3可以看出，起居室为落地窗，窗面积最大，因此进入室内风量最大，全天室内平均风速为0.20m/s。从建筑结构图可以看到，餐厅受阳台门和厨房门窗开启影响，室内平均风速为0.11m/s，卧室1室内风速逐时值在0.07m/s上下波动 ，全天风速较稳定。各房间均是上午10:00风速最大，其中起居室为三者中最大，达到0.4m/s。
从图4、图5、和图6可以明显看出，各房间的温度逐时变化趋势比较一致。上午8:00至下午13:00二楼房间温度均比三楼低，三者均是上午10:00温差最大，卧室1达2.1℃，起居室、餐厅分别为1.8℃和1.7℃。13:00至15:00左右三楼各房间温度略低于二楼房间，15:00以后二、三楼各房间温度基本持平。将8:00到12：00各房间温度取平均值后得到图9，计算可得，二楼较三楼卧室1平均低1.5℃，起居室低1.4℃，餐厅低1℃。产生这种结果的原因可结合我们在同时刻进行的室外温度测试值分析，根据测试，上午8:00到晚上22:00的室外温度平均值分别为28.2，29.9，31.2，33.4，35.6，33.6，31.2，30.5℃，上午8:00到12:00室外温度平均为29.8℃。较全天温度情况看来，上午温度不是特别高，因此进入室内的气流能带走室内的热空气，从而降低室内温度，中午室外温度较高，在门窗开启的情况下，外界温度相对高的热空气进入室内，增加了室内冷负荷，使其温度较门窗关闭略有升高，而下午室内外温度差别不太大，开窗和关窗时温度差别不大。
4.2 CFD软件模拟分析
为避免实验过程中产生不能抗拒的实验误差，我们应用CFD软件中的FLUENT6.1进行模拟分析，它是目前市场上最流行的CFD 软件，采用非结构网格与适应性网格相结合的方式进行网格划分，使得网格划分更加灵活、简便，计算结果更为准确[5]。模拟的边界条件均采用实验测得的8:00到12:00的平均值，各部分传热系数均按相应材质的传热系数取得。本次模拟中只研究温度场和速度场，进行合理简化后得到二、三楼室内与测试点相同高度处的温度场分布如图7、图8所示。
从图7和图8可以明显看出，二楼蓝色区域面积多于三楼，即二楼处于相对低温度的范围大于三楼。取与实验测点相同点可得到，二楼起居室、卧室1、餐厅各房间温度值为30.2，30，30.7℃，三楼各相应房间为31.8,32,31.9℃。各房间温度整理后得到图10，与实测整理图9对比观察，我们可以发现模拟的温度值之差与实测之差有0.2—0.5℃的波动，但其相对趋势是比较相似的，该模拟结果与实测数据分析结果相吻合，证明了实验的准确性。
另外，该节能建筑还在卧室1门口过道上方设置了机械通风，在以上模拟和实验结果吻合的情况下，考虑根据建筑实际情况假设开启风机，设置开启风机中档风量，根据设备参数吸风口风量为0.015m3/s。二楼即为自然通风和机械通风结合的通风工况，在其它条件均不变的情况下， 模拟二楼室内的与实测高度相同的温度分布情况如图11。从该图中可以看出，当混合通风时，房间的温度在整体上较自然通风的情况降低更多。取与前相同实验测点的温度的平均值可得，起居室室内温度为29.5℃，卧室1为29.8℃，餐厅为29.2℃。图12为混合通风时二、三楼模拟温度值对比情况，可以看出，在混合通风时，房间平均温度较门窗关闭时能降低2.4℃，，尤其是对于餐厅这部分没有窗户的房间降温达2.7℃，机械通风增加了室内风速，将热空气带出室外，从而降低室内温度。
结合上述测试数据和模拟的分析，可以看出，依靠夏季空气流动所产生的气流，在门窗开启的情况下，可以在室内产生明显的气流运动，从而降低室内温度，在混合通风情况下温度降低更为明显。研究表明，不超过0.8m/s的适当的吹风感可以改善室内人员的热舒适度[6]，在测试人员进行本次测试工作时，也能明显的感觉到在二楼有适量吹风感的房间更舒适、更愉悦。另外，我们在各测试时刻也测试了建筑临江面阳台外1.5m处的风速，平均值为0.48m/s，这说明由于建筑构造的影响，室外的风速高于室内，这有两方面的功效，一方面是可以依靠室外较大的风速带走建筑围护结构所吸收的部分热量，降低建筑围护结构的负荷;另一方面，在室外温度不太高的情况下，通过开启门窗对室内空气起到一定的诱导作用，利用空气流动有效带走聚积在室内的热量，减少室内得热，从而促进室内空气的流动, 强化自然通风。这样较小的室内风速在满足人体舒适度的同时，又不至于给室内人员的生活产生明显影响，这说明在设计合理的情况下，自然通风在降低室内温度、改善人体热舒适性方面的是有实际效果的，是有利于人居环境建设的。
5、小结
(1)根据本文的测试和分析可以看出，上午开窗时该建筑室内平均风速能达到0.13m/s,利用自然通风能降低温度1.3℃，最大时能降低1.9℃，表明该节能建筑通过合理的建筑设计达到了有效利用自然通风的目的。说明对于夏热冬冷地区，虽然夏季温度较高，但在设计合理的建筑中，适当开启门窗时能产生良好的 室内通风，有效的降低室内温度。
(2)利用自然通风和机械通风相结合的方式，可以明显地降低室内温度。根据本文的模拟分析，对比发现可降低温度2.4℃，这说明该方式对改善夏季室内热环境行之有效，对于夏热冬冷地区可以根据当地的风资源情况采用恰当的混合通风方式来达到降低室内温度的目的。
(3)在建筑节能上，风能的有效利用可以在一定程度上改变室内的热湿环境，改善人体的热舒适感。有效的利用自然通风要与建筑体型及室外气象条件、室内人员的行为调节方式联系起来。在进行建筑设计时，首先应该确定特定地形环境中的风流方向，进行良好的建筑的布局设计，通过建筑体型的合理调整，控制风流对建筑的影响程度，达到科学地应用外界风能，有效的形成自然通风，保证每个房间的有效通风，实现降低建筑能耗、创造舒适热环境条件的最终目标。
参考文献
[1]黄春霞.浅析建筑节能对建安成本的影响幅度(J).建筑经济，2007(S2).
[2]李百战，彭绪亚，姚润明.改善重庆住宅室内热环境质量的研究(J).建筑热能通风，1999，3：6-8.
[3]国家统计局工业交通统计司、国家发展和改革委员会能源局. 中国能源统计年鉴2006(DB).中国统计出版社，2007. ISBN978-7-5037-5004-5.
[4]李涛, 韦佳. 论建筑设计中的自然通风(J).工业建筑, 2006 (36):97-100.
[5]重庆大学城市建设与环境工程学院·室内环境与建筑节能示范工程技术分析报告，2005,7.
[6]韩占忠，王敬，兰小平.FLUENT—流体工程仿真计算实例与应用(M).北京理工大学出版社，2004:19-22.
[7]徐小林，李百战.室内热环境对人体热舒适影响的研究(J).重庆大学学报，2005，4(28):102-105.
