冬季北方地区住宅建筑通风方式对比研究

王国建 李庆平 陈 辰 胡颐蘅

北京市住宅建筑设计研究院有限公司

冬季北方地区住宅建筑通风方式对比研究

王国建 李庆平 陈 辰 胡颐蘅

北京市住宅建筑设计研究院有限公司

随着住宅节能技术的广泛推行，对窗户的气密性要求越来越高，冬季冷风渗透远远不能满足室内人员对新风的最低需求。为了寻找节能、舒适的通风方式，本研究利用FLUENT对工程中较为常见的通风方式：自然通风方式、自然进机械排通风方式、带热交换的墙式通风器方式、带热交换的通风换气机组方式在气流组织、舒适性能、能耗特性及初投资方面进行了应用效果评价。最终得出：对于层高和装修标准较高的高级住宅中使用带热交换的通风换气机组，可以使通风系统在满足热舒适性和空气品质的基础上，更加节能，而对于一般住宅建筑，自然进机械排通风方式是相对最优选择。

住宅通风方式住宅节能热舒适性CFD数值模拟技术

0 引言

随着住宅节能技术的广泛推行，对墙体的保温性能和窗户的气密性要求越来越高，窗户的高气密性意味着最大限度地减少房间与外界的空气交换量，减少供暖时房间因冷风渗透而形成的热损失。在常用的塑钢窗的检测报告中，测试压力为10 Pa条件下其冷风渗透量已经小到0.7m3/(m·h)，几近封闭[1]。可见，冬季冷风渗透远远不能满足室内人员对新风的最低需求，室内污染物无法及时排除，由此造成的室内空气品质不合格问题也越来越突出。维持良好的室内空气品质是“健康住宅”的基本要求，而保持良好的室内空气品质最基本也最有效的手段就是通风。住宅节能与通风是一对矛盾，在此情况下，采取何种通风方式，使其既能确保住宅室内良好的空气品质，又使采暖能源消耗处在一个最佳水平，已成为当前较为突出、急需解决的问题[2]。

为此，本研究从舒适性能、能耗特性以及初投资三个方面比较分析了住宅建筑自然通风、自然进机械排、带热交换的墙式通风器、带热交换的通风换气机组四种通风方式的优缺点，以期找出某种通风系统能够在满足热舒适性和空气品质的基础上，更加节能。

1 评价方法

1.1 热舒适性指标

热舒适指标是指人体对热环境各项因素的综合反应。热舒适指数的评价指标有有效温度、热应力指标和预测平均热感觉指标（Predicted Mean Vote，PMV）等几种，在ISO7730标准中，用PMV和PPD指标来描述和评价热环境[3]。本文利用FLUENT软件模拟出房间的温度和风速，然后根据PMV定义式计算出房间PMV分布，再根据PMV值计算出PPD，最终选取PPD来评价室内热舒适性。

1.2 能耗特性指标及初投资

冬季，新风形成热负荷为显热负荷，根据室内外空气的温度差可以计算冬季新风热负荷。结合负荷计算软件对建筑总负荷进行计算分析，最终本文重点对比采用热回收与不采用热回收通风方式时，新风负荷的变化对建筑总负荷的影响。本文除了对四种通风方式的新风负荷做了对比外，还对四种通风方式的初投资进行了分析说明。

2 物理模型及边界条件

本文研究对象为120m2的住宅建筑（如图1所示）。

图1 户型平面图

为了使四种通风方式在同一层面进行对比分析，因此在边界条件设定中，四种通风方式房间的风量设定保持一致，风速大小根据实际风口面积计算确定，且温度边界条件一致，具体选取原则如下：

1）速度边界条件的选取

①风量的确定：按照《室内空气质量标准》[4]新风量规定为30m3/(h·人)计算，室内人数取3.5人，共需新风量105m3/h；按照《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》[5]冬季采暖计算换气次数应取0.5h-1计算，共需新风量168m3/h；按照《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB 50736-2012[6]规定：当人均居住面积为20～50m2，换气次数取0.5h-1计算，共需新风量168m3/h。因此本研究中，通风量按照室内换气次数0.5h-1选定。

②面积的选定：自然通风的进风口面积按照窗户的可开启面积确定，自然进机械排、带热交换的墙式通风器以及带热交换的通风换气机的风口面积按照实际尺寸确定。

③风速的计算：根据①、②计算进风口风速的大小。其中，自然通风中风向的确定参考《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB 50736-2012冬季频率最大风向。

2）温度边界条件的选取

①外墙的温度确定：房屋墙壁在冬季的散热过程为，首先热由室内空气以对流换热的形式传给墙体内表面；再由墙内表面以固体导热方式传递到墙外表面；最后由墙外表面以空气对流换热的方式把热传到室外环境[7]。根据室内向室外的传热量与室内到外墙内表面的传热量相等，可计算出外墙内表面温度t，其温度值作为第一类边界条件赋给外墙。内墙的温度值同室内设计温度。

②外窗内表面温度的确定与外墙的确定方法一致，唯一不同就是外窗的传热系数与外墙不同。

③不带热回收的通风方式的进风口空气温度取供暖室外计算温度，带热回收的通风方式的进风口温度根据热回收效率60%计算确定。

3 通风方式对比分析

3.1 舒适性对比

利用FLUENT软件模拟出房间的温度和风速，然后根据PPD定义式计算出室内PPD分布，室内距地1.5m平面上PPD数值散点分布如图2～图5所示。

图2 自然通风PPD分布图

图3 自然进机械排PPD分布图

图4 带热交换的墙式通风器PPD分布图

图5 带热交换的通风换气机组PPD分布图

通过图2～5的PPD计算结果可以看出，自然通风以及带热交换的墙式通风器两种通风方式中PPD超过10%（图中直线所示）的测点较多，甚至有超过30%以上，超出《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》要求。而自然进机械排与带热交换的通风换气机组PPD都在10%以内，可见舒适度较高。

3.2 能耗特性对比

建筑总负荷包括室内负荷（即图6、图7中室内采暖负荷）与新风负荷，本文把四种通风方式分成采用热回收与不采用热回收两种方式进行对比，其中室内采暖负荷保持不变，主要考虑新风热回收与否对能耗的影响。

图6 新风负荷与室内采暖负荷所占比例分布

图7 考虑热回收后的新风负荷与室内采暖负荷所占比例

通过图6和图7可以计算得出，采用热回收方式（带热交换的墙式通风器、带热交换的通风换气机组）比不采用热回收方式（自然通风、自然进机械排通风方式）节能4%左右。

3.3 初投资对比

四种通风方式所需设备的初投资如表1所示。

表1 四种方式的经济性对比

4 结论

通过四种通风方式的能耗对比、人体舒适性指标的对比以及经济性分析比较，对四种方式的综合评价指标如表2所示。针对综合性能指标本研究对不同类型住宅推荐通风方式如表3所示。

表2 四种通风方式性能比较

表3 不同住宅类型推荐通风方式

[1]欧阳沁,朱颖心.北方地区住宅冬季通风换气方案研究[J].技术交流,2004,(6):26-28

[2]王智超.住宅通风设计及评价[M].北京:中国建筑工业出版社, 2011

[3]薛殿华.空气调节[M].北京:清华大学出版社,1991

[4]室内空气质量标准(GB/T 18883-2002)[S]

[5]严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准(JGJ26-2010)[S]

[6]民用建筑供暖通风与空气调节设计规范(GB 50736-2012)[S]

[7]章熙民,任泽霈,梅飞鸣.传热学(第四版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2001

Com pa ra tive Stud y on the Ven tila tion M od e o f the Res iden tia l Bu ild ing in No rth A rea in W in te r

WANGGuo-jian,LIQing-ping,CHEN Chen,HU Yi-heng
Beijing Instituteof Residential Building Design&Research Co.,Ltd.

With the development of residential energy conservation technology,the air tightness requirement of the w indow ishigherand higher.So inw inter the cold penetrationw ind cannotsatisfy the requirementof indoor personnel to fresh air.The common ventilation mode includes natural ventilation,natural inlet and mechanical exhaust,wall type ventilator w ith heat exchange,ventilation unit w ith heat exchange.Looking for energy saving,com fortable way of ventilation,the application effectof theway of ventilation is evaluated in air distribution and com fortperformance and theenergy consumption featuresby using FLUENT software.Resultsshow thatventilation unitw ith heatexchangemode is the best ventilation mode in the senior residential,which can satisfy the ventilation system in thermal com fort,air quality andmore energy efficient.For general residential building,the natural inletand mechanical exhaust ventilation mode is theoptimalchoice.

residentialventilationmode,residentialenergy-saving,thermalcom fort,numericalsimulation technology

1003-0344（2014）02-087-3

2013-4-25

李庆平（1969～），男，本科，高工；北京市东城区东总布胡同5号（100005）；E-mail:lqp13611154321@163.com