应用自然风提高建筑能源运用效率的研究

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摘 要：當前，城市工业建筑存在主动通风能耗较大、通风效果差的问题。本文选取陕西省西安市灞桥收费站的空气情况作为研究对象，参考智能空气调节技术，通过分析大量实测数据并建立数学模型，得出行之有效的节能减排方案。交通建筑行业每年能源支出颇多，其工业配套建筑的节能减排势在必行。灞桥收费站作为陕西省第一座大型单体建筑收费站，其存在的许多问题往往极具代表性，因此分析建模得出的结论也具有代表性。笔者着重研究了灞桥收费站的空气环境条件（温度、湿度）和能源损耗，探索如何利用自然风能，提高能源利用效率。

关键词：能源利用;节能减排;自然风;调查

中图分类号：TU8;U45文献标识码：A文章编号：1003-5168（2019）32-0140-03

Study on Improving Energy Efficiency of Building by Usingnatural Wind

NIU Mengkai ZHAN Mofei

（School of Construction Engineering， Chang"an University，Xi"an Shaanxi 710064）

Abstract： At present， urban industrial buildings have the problems of large active energy consumption and poor ventilation. This paper selected the air condition of Baqiao Toll Station in Xi"an， Shaanxi Province as the research object，with reference to intelligent air conditioning technology， by analyzing a large number of measured data and establishing a mathematical model， came up with an effective energy saving and emission reduction program.The transportation and construction industry has a lot of energy expenditure every year， and energy-saving and emission reduction of its industrial supporting buildings is imperative. As the first large-scale single building toll station in Shaanxi Province， the Baqiao Toll Station is often representative of many problems， so the conclusions drawn from the analysis and modeling are also representative. The author focused on the air environment conditions （temperature， humidity） and energy loss of the Baqiao toll station， and explored how to use natural wind energy to improve energy efficiency.

Keywords： energy utilization;energy conservation and emission reduction;natural wind;survey

长期以来，建筑行业从业者存在对“技术至上”观点的片面认识，所以许多建筑物单纯强调依靠高科技手段或设施来达到某些功能要求。此举虽然达到了直接要求，但也带来了许多负面影响。以空调为例，不可否认，空调在现代建筑供暖通风中成效显著，但同时也造成了巨大的能源浪费。《绿色建筑评价标准》（GB/T 50378—2019）对绿色建筑的定义是：在建筑的全寿命周期内，最大限度地节约资源，包括节能、节地、节水、节材等，保护环境和减少污染，为人们提供健康、舒适和高效的使用空间，与自然和谐共生的建筑物。随着近年来国际能源开采技术难度日趋增大，能源价格也日益高涨。

作为开源节流的一个方面，被动通风式建筑在炎热季节可以节省巨额空调运行管理费，这种优势也越来越被人们看重。于是，本文浅谈如何合理利用自然风能，降低工业建筑能源损耗，实现能源高效利用。目前，学术界对建筑通风的研究主要集中在主动通风，即以空调为代表的机械通风，但关于工业建筑通风类型对能源损耗和能源运用影响的研究甚少。灞桥收费站是一处具有代表性的工业建筑，笔者运用专业测量设备对二者进行测量，并在后期进行技术分析，以期充分利用自然风能，提高工业建筑能源利用效率并减少能源损耗。

1 被动通风概述

目前，被动通风方式主要有三种。一是天井，利用热压和风压两种效应（统称烟囱效应），形成上升气流，以带动整体气流，从而达到降温效果。南方气候潮湿，天井不仅可以有效地驱散热空气，而且可以让潮湿的冷空气尽快散去。二是走廊、弄堂，即穿堂风原理，利用室内外温度差，形成气流，从而形成通风效果。三是屋顶结构，皖南的地空调、西南民居的阁楼等也具有降低建筑能源损耗、增强建筑能源利用效率的作用。

但就其应用而言，自然风能在现代建筑中的实践并不多。仅有的优秀应用，如英国瓦特福德建筑研究所办公楼、英国汉诺丁大学朱比丽分校、吉巴欧文化中心、德国商业银行总部大厦等，也是作为经典而存在的。总体来说，现代建筑可以运用自然风能来提高能源利用率，其市场前景广阔。

王若竹等学者通过参考国内外建筑数据得出，充分利用自然环境条件，如调整建筑物朝向，与当地主导风向垂直或利用风压促进空气流动，可以提升工业与民用建筑能源利用效率，减少能源损耗[1]。姜赟程研究认为，被动预热型通风应用在采暖季或秋冬之交的采暖过渡季，而被动预冷型通风用于夏季制冷或者春夏之交的制冷过渡季，自然通风则适用于温和的季节[2]。三者相互配合，可以有效缩短空调使用时间并减少空调载荷，从而降低建筑能源消耗，提高能源利用效率。由此可见，自然通风是一种具有很大潜力的通风方式，是人类历史上调节室内环境的原始手段。通过设计，合理诱导自然通风和控制自然通风，可以减小建筑新风冷热载荷。利用风压和空气热压控制气体沿特定路径流动，使得室内气流循环，改善室内热环境，达到利用自然通风来减少全年空调使用时间、降低建筑能源损耗和提高能源利用效率的目的。

2 调查结果

2.1 使用设备

调查期间，本研究使用的设备如表1所示。

2.2 当地情况

西安属于暖温带半湿润大陆性季风气候区，四季分明，夏季炎热多雨，冬季寒冷少雨雪，春秋时有连阴雨天气。年平均相对湿度为70%左右，年平均风速为1.8m/s，全年盛行风向为东北风。

调查期间进行24h不间断测量，每隔10min测量建筑的实时温度与实时湿度。由于设备问题，测量时间间隔较大，影响测量成果。墙体反射影响建筑温度，不同时间内墙体温度不同，建筑整体封闭，无法达到自然风降温的效果。但是，从整体来讲，建筑固定风口、宽度较大的口处风力较大，风进入建筑内部后，受建筑影响，风向随时发生改变。

首先在收费站附属结构空调机房（见图1）中测定空调压缩机效率和热传导效率，计算分析建筑体能源消耗总量。

接着，分别对建筑内部会议室、数据机房、后勤中心等处进行温度和湿度测试，对空调制冷制热效率和空气流通效率进行计算，如图2至图5所示。

最后，对比运用自然通风的房间和通过空调进行调节的房间，进行数据记录，如表2所示。记录时间为2019年7月8日（星期一上午）。

通过数据对比和分析，笔者发现，通过机械辅助自然通风，两者结合可以产生更强的气流。部分气流强制性改变，使得通风节能具有更好的效果。建筑节能设计时需要对这两种方法进行合理应用。研究结果表明，自然进风口的面积比出风口小10%时可达到最高能源利用率，运用中庭通风，屋頂通风可以显著降低能源损耗，通过计算，通风管道长度不宜超过16m，层间高度应保持在100～250mm。在不同结构设计条件下，自然通风都可以有效降低工业建筑能源损耗，提高能源利用效率。

3 结论

通过调查陕西省西安市灞桥收费站的能源利用方式，笔者得出以下结论。一是风压作用下的自然通风利用大气压力差，经过建筑物的风产生压力差，促使空气从迎风面的窗缝和其他空隙进入室内，而室内空气从背风面孔口排出，形成全面换气的风压自然通风。二是热压作用下的自然通风利用两个开口处的高度差和室内外的空气密度差，使建筑物的垂直方向出现压力梯度，使气体从较低的开口进入，高处流出，这样的设计可以运用到通风塔设计中。三是实现有效被动式制冷，当室外空气温度和湿度较低时，自然通风可以在不消耗不可再生能源的情况下降低室内温度，带走潮湿气体，达到人体热舒适，这有利于减少能耗、降低污染，符合可持续发展的思想。四是可以提供新鲜、清洁的自然空气（新风），排除室内污浊的空气，有利于人的生理和心理健康。五是在符合科学理论的基础之上实现了环境与能源的有机结合，有效利用自然风能，做到低碳环保，对现代建筑通风技术的改进有着重要的现实意义。六是利用自然通风和通风结构的设计可以有效降低建筑结构的能源损耗，提高能源运用效率。在建筑设计中引入自然风，可以成功拉近人与自然的关系，提高人们的生活质量，减少能源消耗，从而降低环境污染，这是实现资源节约型、环境良好型城市房屋建筑设计的有效途径。

参考文献：

[1]王若竹，莫畏，钱永梅.被动式自然通风在国外绿色建筑设计中的应用分析[J].建筑技术开发，2009（9）：86-88.

[2]姜赟程.被动节能与自然通风工程[J].才智，2013（33）：282.

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