建筑物夜间通风降温设计的简化计算方法

摘要

本发明公开了一种建筑物夜间通风降温设计的简化计算方法，该方法将复杂的实际建筑概括为简单的夜间通风降温建筑几何模型，并确定蓄热体种类、表面积、烟囱高度、烟囱断面积等基础计算参数；然后通过某地室外逐时气象数据以及设定的蓄热体初始温度，按照对流换热机理计算出蓄热体逐时蓄热量和蓄热体表面逐时温度，当室外空气温度高于蓄热体表面温度时对流换热计算停止。通过统计可得到总蓄热量Qtotal、蓄热体表面最后温度Tend以及最大小时蓄热量Qmax。由Qmax可获得带走最大小时蓄热量所需要的通风量Greq。运用热压及风压通风计算式，可获得建筑蓄热量最大时刻通风所产生的实际通风量Gvir。将需要通风量Greq和实际通风量Gvir进行比较，可判断建筑设计能够满足夜间通风的需求。

说明书

技术领域

本发明涉及建筑节能领域，具体涉及一种建筑物夜间通风降温设计的简化计算方法。

背景技术

1、夜间通风降温技术简介

随着我国城市化进程与人民生活水平的不断提高，人们对建筑居住环境的热舒适性要求越来越高，夏季使用空调降温在建筑中的迅速普及。特别是上个世纪90年代以后，空调更是快速的从公共建筑向居住建筑普及，并由南方向北方扩展。据统计，我国每百户拥有空调率近5年来以20％的速度增长。2006年中国城镇家庭每百户空调保有量为87.79台，发达国家平均每户空调保有量已超过一台。即使在夏季相对温和的北方城市，有些地区居住建筑的户均空调拥有率已超过80％，空调的广泛使用消耗了大量的能源，近年来我国建筑行业消耗的能源在逐年增长，正逐步上升到30％，其中空调的使用引起的能耗占很大的比例。据统计，我国夏季高温期空调负荷已占到全部电力负荷的30％-50％。空调建筑的迅速普及不仅加剧了城市的电力紧张，引起环境的破坏与污染，而且加重了城市的热岛现象，使城市气候进入恶性循环。因此，减少夏季空调能耗已成为近年来建筑节能的重要方面。

这种背景下，可再生自然资源的利用被提到议事日程，其中，利用自然气候资源的被动式降温方式例如蒸发冷却降温、地埋管空调、自然通风以及夜间通风成为研究的热点问题。

夜间通风降温技术(Night ventilation cooling technique，以下简称夜间通风)利用大量夜间和清晨的凉风，降低室内空气温度，同时将冷量蓄存在建筑围护结构以及室内家具、陈设中，是一种有针对性利用室外气候资源的被动式降温方式。由于这种降温方式主要的通风时段一般在夜间，所以被称作夜间通风。在我国北方大部分地区，夏季白天室外温度较高，但昼夜温差大，夜间室外温度往往比室内低很多，这些地区都具有良好的夜间通风利用潜力。在国外，建筑利用夜间通风已经成为了一种流行趋势，很多建筑在设计阶段均考虑了夜间通风的构造体系，而在我国还鲜有利用夜间通风的建筑实例。

在夜间通风的利用实例中，往往利用蓄热体调节室内的温度波动。利用蓄热体可以降低室内空气温度波动幅度，延迟最高温度出现的时间，蓄热体在夜间通风建筑中承担着蓄存夜间冷量的作用，对夜间通风降温的效果有直接影响。蓄热材料可以就是建筑围护结构本身，例如外墙、隔墙、天花板和地板等，这些部位一般是由混凝土、砖、瓦等高蓄热性能的材料建造的，往往具有很好的热容量。另外，还可以设置专门的蓄热材料或者是通风系统。如图1空心楼板通风系统，利用楼板间隙通风，而楼板本身可以充当蓄热材料。图2为采用其它类型的材料作为蓄热体。

2.夜间通风简单计算方法的引入

夜间通风建筑和普通建筑的差别在于，除了受室外空气温度波动、太阳辐射以及室内热扰等因素的影响以外，还受到：

1)自然通风的作用；

2)蓄热体，包括外部内部和附加蓄热体对室内环境的作用；

3)自然通风与热环境的耦合作用，以热压通风为例，这种作用可以用图3表示。

这个过程既与建筑自身的空间组织、围护结构有关系，又与系统控制有关。要全面准确的建立夜间通风建筑的物理模型并求解是非常复杂的问题，需要专业人员进行大量的操作才能获得规律性的信息。然而，对于建筑设计的初级阶段而言，最为关注的问题是，一个地区夜间通风的降温潜力如何，建筑应该如何布置才能使夜间通风发挥有效的作用。而且，这个问题的确定过程应该是方便快捷的。这样以来，就需要一些更加简便的方法。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种建筑物夜间通风降温设计的简化计算方法。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种建筑物夜间通风降温设计的简化计算方法，其特征在于，主要包括下列步骤：

步骤一，将复杂的实际建筑概括为简单的几何模型，建立夜间通风降温建筑模型，设置蓄热体种类、表面积、烟囱高度、断面积等基础计算参数；

步骤二，获取某地室外逐时气象数据，主要包括室外空气温度的逐时数据；

步骤三，按照表面对流换热量的简化计算公式，计算各时刻储存在蓄热体中的热量，如下式1所示：

Q_i＝α_mass·A_mass(T_mass，i-1-T_out，i)            式1

式中，Q_i为i时刻蓄热体蓄存的热量，W；T_mass，i-1为i-1时刻蓄热体表面温度，K；T_out，i为i时刻室外空气温度，K；A_mass为蓄热体表面积，m²；α_mass为蓄热体表面对流换热系数，W/(m²·K)；

步骤四，按照下式2计算经过与室外空气对流换热后，蓄热体表面各个时刻的温度，假设蓄热体内部和表面温度均匀分布：

$T_{\mathrm{mass},i}=\frac{{\mathrm{MT}}_{\mathrm{mass},i-1}-Q_{i-1}}{M}$式2

式中，T_mass，i为i时刻蓄热体表面温度，K；T_mass，i-1为i-1时刻蓄热体表面温度，K；Q_i-1为i-1时刻蓄热体的蓄热量，J；

M为蓄热的体积比热容，J/K，按下式3来确定：

M＝C_pρV                     式3

式中，C_p为材料的定压比热，KJ/Kg·K，ρ为材料的密度，kg/m³；V为蓄热体的体积，m³；

按照室外空气温度的逐时变化值，循环进行步骤三和步骤四，当计算所得的室外空气温度高于蓄热体表面温度时，表示室外空气已经没有冷却蓄热体的能力，这时停止计算；

步骤五，计算蓄热体各个时刻的总蓄热量Q_total及蓄热体表面最后温度T_end，其中总蓄热量Q_total按式4来计算，T_end为步骤四计算停止时的蓄热体表面温度；

$Q_{\mathrm{total}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{Q}_i$式4

式中，n为蓄热体温度低于室外空气温度的小时数。

步骤六，找出蓄热体逐时蓄热量的最大值Q_max，按照消除室内余热的全面通风量计算公式5，计算带走此时刻蓄热量需要的通风量：

$G_{\mathrm{req}}=\frac{3.6Q_{\max }}{\mathrm{c\rho }(T_i-T_o)}$式5

式中，G_req为带走最大时刻蓄热量所需要的通风量，m³/h；c为空气的比热，其值为1.01KJ/Kg·K；T_i为排除空气温度，这里认为空气温度与蓄热体表面温度相同，所以取该时刻蓄热体表面温度，℃；T_o为进入室内通风系统的空气温度，即室外空气温度，℃。

步骤七，根据步骤一至步骤六的计算，可以获得蓄热体总的蓄热量和带走最大时刻蓄热量所需通风量；

在热压或风压作用下，实际产生的通风量不一定能够满足上述通风量的要求，为此，需要分别计算出热压和风压以及两者综合作用下实际产生的通风量大小，将实际通风量和需要的通风量进行比较，如果不能满足需要，可以对热压通风烟囱高度、热压通风风道断面积以及风压通风的相关参数进行调整；其中关于热压通风实际产生的通风量大小，采用美国ASHRAE国家标准给出的简化计算式6进行计算：

$G_{\mathrm{vir}}=C_{D}A\sqrt{2\mathrm{gH}(T_i-T_o)/T_i}$式6

式中，G_vir为热压通风实际产生的通风量，m³/s，CD为开口的流量系数；A为热压风道断面积，m²；g为重力加速度，m/s²；H为热压通风系统开口中点到中和面的距离；T_i为室内空气温度，℃；T_o为室外空气温度，℃；

步骤八，当进行到步骤六以后，也可以直接将得到的G_req值带入式5，获得需要的热压风道断面积A以及热压通风开口中点到中和面的距离H，计算公式如下：

$A=\frac{G_{\mathrm{req}}}{C_D\sqrt{2\mathrm{gH}(T_i-T_o)/T_i}}$式7

$H=\frac{{G_{\mathrm{req}}}^2{T}_i}{2g{C_D}^2{A}^2(T_i-T_o)}$式8；

步骤九，对于采用风压通风或者风压与热压混合通风的建筑，关于实际产生的通风量大小，亦采用美国ASHRAE国家标准给出的简化计算公式进行计算，计算公式分别为：

G_vir＝c_vAU                     式9

式中，G_vir为风压通风换气量，m³/s；c_v为风压通风开口的流量系数，为无量纲常数；A为风压通风开口的横截面积，m²；U为风速，m/s。

$G_{\mathrm{vir}}=\frac{A_L}{1000}\sqrt{C_s\mathrm{\Delta t}+C_w{U}^2}$式10

式中，G_s和G_w分别为热压与风压通风量，m³/s；A_L为有效渗透面积，cm²；Cs为热压有效系数，(L/s)²/(cm⁴·K)；Cw为风压有效系数，(L/s)²/[(cm⁴·(m/s)²]。Δt为计算时间段内室内外空气的平均温度，K；U为计算时间段内的平均风速，m/s。

本发明的建筑物夜间通风降温设计的简化计算方法，提炼夜间通风降温建筑关键的热物理过程，运用ASHRAE标准中关于热压、风压以及两者混合时通风量的确定方法，可以用于确定某地区夜间通风降温的效果，烟囱高度以及开口面积等设计参数。

附图说明

图1是空心楼板通风系统；

图2是采用围护结构以外的其它材料作为蓄热体图示；

图3是蓄热与热压通风耦合作用示意图；

图4是四城市夏季三个月总蓄热量比较图；

图5是西安地区6月需要通风量与实际产生通风量对比图；

图6是西安地区典型日逐时蓄热量与室外温度的关系图。

以下结合部分附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

本发明的建筑物夜间通风降温设计的简化计算方法，主要包括下列步骤：

步骤一，将复杂的实际建筑概括为简单的几何模型，建立夜间通风降温建筑模型，确定蓄热体种类、表面积、烟囱高度、断面积等基础计算参数；

步骤二，获取某地室外逐时气象数据，设定蓄热体的初始温度。这里的逐时气象数据可以是气象台站的实际观测值，也可以是典型气象年、标准气象年数据，用到的气象参数主要是室外空气温度的逐时值；

步骤三，按照表面对流换热量的简化计算公式，计算各时刻储存在蓄热体中的热量，如下式所示：

Q_i＝α_mass·A_mass(T_mass，i-1-T_out，i)             式1

式中，Q_i为i时刻蓄热体蓄存的热量，W；T_mass，i-1为i-1时刻蓄热体表面温度，K，根据实验测定结果，蓄热体初始温度一般可以设置在27℃左右；T_out，i为i时刻室外空气温度，K；A_mass为蓄热体表面积，m²；α_mass为蓄热体表面对流换热系数，W/(m²·K)。

步骤四，按照下式2计算经过与室外空气对流换热后，蓄热体表面各个时刻的温度，假设蓄热体内部和表面温度均匀分布：

$T_{\mathrm{mass},i}=\frac{{\mathrm{MT}}_{\mathrm{mass},i-1}-Q_{i-1}}{M}$式2

式中，T_mass，i为i时刻蓄热体表面温度，K；T_mass，i-1为i-1时刻蓄热体表面温度，K；Q_i-1为i-1时刻蓄热体的蓄热量，J；

M为蓄热的体积比热容，J/K，按下式3来确定：

M＝C_pρV                            式3

式中，C_p为材料的定压比热，KJ/Kg·K，ρ材料的密度，kg/m³；V为蓄热体的体积，m³；

按照室外空气温度的逐时变化值，循环进行步骤三和步骤四，当计算所得的室外空气温度高于蓄热体表面温度时，表示室外空气已经没有冷却蓄热体的能力，这时停止计算；

步骤五，计算蓄热体各个时刻的总蓄热量Q_total及蓄热体表面最后温度T_end，其中T_end为步骤四的式2计算停止时的蓄热体表面温度，总蓄热量Q_total按下式4来计算：

$Q_{\mathrm{total}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{Q}_i$式4

式中，n为蓄热体温度低于室外空气温度的小时数。

步骤六，找出蓄热体逐时蓄热量的最大值Q_max，按照消除室内余热的全面通风量计算公式，计算带走此时刻蓄热量需要的通风量，计算公式为：

$G_{\mathrm{req}}=\frac{3.6Q_{\max }}{\mathrm{c\rho }(T_i-T_o)}$式5

式中，G_req为带走最大时刻蓄热量所需要的通风量，m³/h；c为空气的比热，其值为1.01KJ/Kg·K；T_i为排除空气温度，这里认为空气温度与蓄热体表面温度相同，所以取该时刻蓄热体表面温度，℃；T_o为进入室内通风系统的空气温度，即室外空气温度，℃。

需要指出的是，这里按照带走最大时刻蓄热量计算所得的通风量是能够满足所以时刻的通风要求的，但是这样可能导致通风系统尺寸偏大，也可以采用其他数值的蓄热量计算需要的通风量，例如可以计算出满足70％或80％时间通风要求的通风量，这样通风的保证率有所下降，但是可以减小通风系统尺寸。实际设计时需要综合权衡考虑。

步骤七，根据步骤一至步骤六的计算，可以获得蓄热体总的蓄热量和带走最大时刻蓄热量所需通风量。在热压或风压作用下，实际产生的通风量不一定能够满足上述通风量的要求，为此，需要分别计算出热压和风压以及两者综合作用下实际产生的通风量大小，将实际通风量和需要的通风量进行比较，如果不能满足需要，可以对热压通风烟囱高度、热压通风风道断面积以及风压通风的相关参数进行调整以达到设计目的。关于热压通风实际产生的通风量大小，采用美国ASHRAE国家标准给出的简化计算方法进行计算，计算公式为：

$G_{\mathrm{vir}}=C_{D}A\sqrt{2\mathrm{gH}(T_i-T_o)/T_i}$式6

式中，G_vir为热压通风实际产生的通风量，m³/s，C_D为开口的流量系数；A为热压风道断面积，m²；g为重力加速度，m/s²；H为热压通风系统开口中点到中和面的距离；T_i为室内空气温度，℃；T_o为室外空气温度，℃。

C_D是考虑开口的粘滞与混合效应的一个参数，当烟囱效应总是从底部流入冷空气，顶部流出热空气时，C_D值可由下式来确定：

c_D＝0.40+0.0045|T_i-T_o|                   式7

当建筑的开口较多，每个开口气流的流动方向不统一时，也可以简单将C_D取值为0.65。

步骤八，当进行到步骤六以后，也可以直接将得到的G_req值带入式5，获得需要的热压风道断面积A以及热压通风开口中点到中和面的距离H，计算公式如下：

$A=\frac{G_{\mathrm{req}}}{C_D\sqrt{2\mathrm{gH}(T_i-T_o)/T_i}}$式8

$H=\frac{{G_{\mathrm{req}}}^2{T}_i}{2g{C_D}^2{A}^2(T_i-T_o)}$式9

步骤九，对于采用风压通风或者风压与热压混合通风的建筑，关于实际产生的通风量大小，亦可采用美国ASHRAE国家标准给出的简化计算方法进行计算，计算公式分别为：

G_vir＝c_vAU                       式10

式中，G_vir为风压通风换气量，m³/s；c_v为风压通风开口的流量系数，为无量纲常数；A为风压通风开口的横截面积，m²；U为风速，m/s；

$G_{\mathrm{vir}}=\frac{A_L}{1000}\sqrt{C_s\mathrm{\Delta t}+C_w{U}^2}$式11

式中，G_s和G_w分别为热压与风压通风量，m³/s；A_L为有效渗透面积，cm²；Cs为热压有效系数，(L/s)²/(cm⁴·K)；Cw为风压有效系数，(L/s)²/[(cm⁴·(m/s)²]。Cs和Cw值可以按照建筑等级和建筑层数从ASHRAE标准中查取。Δt为计算时间段内室内外空气的平均温度，K；U为计算时间段内的平均风速，m/s。上述方法的具体应用：

下面以一栋利用热压通风的建筑，6月8日夜间至6月9日上午的计算过程为例进行说明，计算结果见下表所示。

表1：夜间通风逐时蓄热量计算过程举例

从上表可以看出，在6月8日夜间20时开始，室外空气温度下降到27℃以下，夜间通风开始进行，该时刻的蓄冷量为2484.7W。由于蓄热体蓄存了一定的冷量，所以表面温度会降低，21时蓄热体表面温度降低到26.8℃，而此时室外空气温度为23.2℃，与蓄热体表面温度仍有较大温差，换热继续进行，21时室外空气与蓄热体之间的换热量达到5201.6W。这个过程一直持续到在6月9日上午9时，室外气温为21.1℃，高于此时蓄热体表面温度20.7℃，计算停止。

从逐时蓄热量来看，6月9日夜间2时的蓄热量是最大的，为8175.6W，热压通风所提供的通风量如果能够将此时刻的蓄热量带走，那么其它时刻也可以满足要求。按照公式4，可以得出此时刻需要的通风量为5647.2m³/h。

按照这样的计算过程，可以获得月总蓄热量、月均蓄热量、月最大时刻蓄热量、需要通风量等一系列的计算结果。

总蓄热量情况分析：

运用这种方法可以获得一个地区夜间通风的总蓄热量情况，从而可以看出夜间通风技术在该地区的适用性。以北京、陕西西安、新疆乌鲁木齐和上海四个城市为例进行分析，夏季三个月总蓄热量分析结果如图4所示。蓄热量在一定程度上是降温效果的体现，夜间蓄热体蓄热量越大，那么构件温度降低越多，对白天室温调节作用越明显，降温效果也越好。从这个角度来说，可以发现城市间夜间通风降温潜力的差异。

通风量设计分析：

根据每月的逐时计算结果，可以获得该月最大小时蓄热量G_req，从而可以获得带走最大小时蓄热量所需要的通风量G_req以及实际产生的通风量G_vir。将所获得的G_req值与计算获得的G_vir值进行比较可以判断不同设计工况能否满足通风量的需求。以西安地区6月份为例进行分析，可以发现当热压通风烟囱高度为单层层高时，不能满足带走最大小时蓄热量的通风需求，当热压通风烟囱高度为2层层高时，基本能够满足通风需求(图5)。

逐时蓄热量曲线：

蓄热体逐时蓄热量与室外空气温度密切相关。运用这种方法可以对逐时蓄热量与室外空气之间的关系进行分析。从图6中可以看出，首先逐时蓄热量与室外空气温度变化显著相关，室外空气温度降低则逐时蓄热量变大，室外空气温度最低值附近可以达到最大的蓄热量。另外，可以看出夜间温度降低幅度越大，则逐时蓄热量越大。

简化计算方法的适用范围：

当热压或风压通风实际产生的通风量不能满足通风量需求时，除了调节烟囱高度以外，还可以运用这种设计方法对通风风口面积进行调整。另外，也可以按照需要的通风量直接进行通风相关参数的设计。另外，本实施例选择的蓄热体为混凝土材料，其它材料例如砖、石和水都可以用作有效的蓄热体，还可以对相关的建筑参数来进行调整。限于篇幅，这里不再做一一分析。

同时也可以看出，这种基于最主要热物理过程的方法，并不能对夜间通风问题做详尽的考虑，一些参数例如通风和蓄热体的细部特征、室内的流动特征以及室外风速、风向的影响都没有详细考虑。另外，这种方法假设空气温度等于蓄热体表面温度实际上是忽略了材料表面的动态蓄热性能。可以说，这种简化计算方法是一种新的尝试，但是这种方法作为一种工具，考虑了最主要的影响因素，计算步骤明确，计算参数简单，能够手算，非常适合建筑设计的初期的决策。这种方法用于城市之间的比较、夜间通风相关参数的设计是非常有效的，这一点上面的分析过程中可以看出。所以，与复杂的数值模拟相比，对于设计人员而言这是一种直观便捷的设计方法，非常适合建筑工程中的设计计算过程。