夏热冬冷地区被动式建筑示范房节能效果模拟分析

周 斌，张伟林

（安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥230601）

0 引 言

夏热冬冷地区气候特点为夏季闷热、冬季阴冷且持续时间长［1］。源于德国的被动式设计技术为该地区提供了解决热舒适度差、能耗高问题的思路。被动式设计是指在建筑方案设计过程中，根据区域气候特征，遵循建筑环境控制技术的基本原理，综合建筑功能、形态等需要，合理组织和处理各建筑元素，使建筑物具有较强的人体舒适度和气候调节能力［2］。节能率和自然通风效果是衡量被动式设计手法的两个关键指标（自然通风能够有效的降低夏季及过渡季的空调能耗，改善空气质量），本文基于软件模拟方法，分析位于夏热冬冷地区典型城市——合肥市某被动式建筑示范房节能效果，验证其可行性。

1 项目概况

1.1 项目信息

本项目位于合肥市某学校内，距巢湖岸直线距离不足一公里。总建筑面积约321m2，建筑占地面积为199m2，分上下两层。建筑功能为办公用房，可用于学生活动和小型会议（图1）。

1.2 节能及自然通风策略介绍

1.节能策略：严格控制建筑的朝向、体形系数、窗墙比及围护结构热工性能［3］。其中建筑的朝向为正南向，在南偏东15°～南偏西5°的范围内，体型系数为0.51，窗墙比为0.14，增加南向开窗，减少其余三面开窗。外墙采用罗宝板外保温体系，墙体材料为烧结煤矸石空心砌块。采用适当的遮阳措施，其中大门采用挑檐遮阳，其余窗户均采用可活动外遮阳。屋面二层南向部分为观景花园，相当于种植屋面，既可以作为一层天然的棉被隔断热量传到一层，也可以在夏季将主导风南风吹进来的热风进行降温冷却后再输入卧室，降低室内温度，增强自然通风的效果。

2.通风策略：合理组织、调整建筑布局，充分利用我市较为丰富的风力资源形成的风压通风，改善室内空气质量；项目位于巢湖湖畔，水陆风资源丰富，充分利用水陆风资源促进自然通风；采用框架结构，室内地面以下为架空层，在主要功能房间合理布置通风孔位置，如图2所示，在南北向房间各设置两个通风孔2接入架空层，利用室内外空气的温度差形成热压通风，将经过水面冷却过的冷空气经通风孔2输入室内，同时将室内热空气利用通风天井的“烟囱效应”［4］经出口4和5输出室外，形成循环；同时关闭南向阳光房的门窗2、3，利用热空气上升原理将热气不断排出阳光间，减少南向的热量入侵，使建筑物在全关闭门窗及不开空调的情况下仍能实现空气流动，改善室内空气质量，降低室内温湿度。

2 节能效果分析

利用PBECA建筑节能软件计算其节能量。由于模型构造较为复杂，因此对模型做适当简化。其效果图如图3所示。

根据《合肥市公共建筑节能65%设计标准实施细则》规定，该居住建筑的计算条件如下：室内计算温度为夏季26℃，冬季18℃；室外气象计算参数采用典型气象年气象数据；采暖计算期为12月5日至次年3月5日，空调计算期为6月5日至9月5日；其它参数均采用《合肥市公共建筑节能65%设计标准实施细则》所提供的参数。主要计算参数如表1所示。

表1 外墙加权平均传热系数

图4给出了建筑能耗与参照建筑能耗的比较。可以看出，参照建筑节能65%之后的采暖能耗与空调能耗均比设计建筑高。经计算被动房的节能率为70.04%，其节能率不仅满足《合肥市公共建筑节能65%设计标准实施细则》［5］中节能65%的要求，还在此基础上还提高了将近10%，节能效果虽然未达到欧美国家有关被动房的标准，但对于处于夏热冬冷地区的我省来说已经是一个很大的提高，故其设计是符合被动式设计的节能要求的。

3 自然通风效果分析

利用PHOENICS2011软件中的FLAIR模块，分别对建筑物夏季、过渡季的风压通风和夏季的热压通风进行数值模拟。其模型图如图5所示。

计算时共设置3个工况，如表2所示。计算时打开空气龄模块，关闭温度模块，迭代步数设为500步，计算网格为110×200×60。

计算结果见图6～图9。通过对三个工况条件下室内自然通风模拟结果分析可知：

（1）在夏季及过渡季主导风与水陆风的共同作用下，建筑物室内自然通风效果良好，主要功能区间的平均风速在0.3m／s～0.6m／s，空气龄均在300s以下，空气质量优良。较大的风速还有效促进了人体体表汗液的蒸发，加速了空气流通，降低了室内空气的湿度，提高了舒适度，同时解决了夏季“闷”和“热”两个难题。

（2）在夏季完全关闭所有门窗的条件下，室内主要功能区间的空气流速在0.1m／s～0.2m／s之间，主要空间的空气龄均在300s以下。虽然由热压带动的室内风速较低，但通过架空层补入的经过冷却的新鲜空气却能够有效的降低室内温湿度，改善空气质量，有效地减少空调能耗及辅助通风能耗。

通过以上自然通风模拟充分验证了自然通风设计在“被动房”设计策略中的可行性。尤其是热压通风，在日后建筑设计（尤其是进深较大的公共建筑）中应当被广泛重视和运用。

4 结论

被动式设计是一种高效低能耗建筑设计方法，本文通过对“被动式建筑设计”示范项目的节能和通风模拟可以得出以下结论：

（1）通过控制示范房的形体设计以及改善围护结构热工性能使得示范房的节能率提升至70.04%，节能水平大幅提高，有效印证了以上两项被动式设计措施能够较好地解决夏热冬冷地区建筑能耗高和热舒适度差的问题。

（2）通过合理调整示范房的建筑布局以及利用热压通风原理组织气流流向，有效的促进了自然通风。风压通风和热压通风均显著提升了示范房室内空气流速，其中风压通风室内平均风速在0.3m／s～0.6m／s之间，热压通风室内风速在0.1 m／s～0.2m／s之间，二者室内主要功能区域的空气龄均在200s以下。模拟充分验证了自然通风策略是解决夏热冬冷地区夏季和过渡季空调能耗大以及常年空气湿度大的有效手段之一，尤其是热压通风，在日后的建筑设计中应被广泛采用。

1 李明.夏热冬冷地区住宅节能设计研究与实践［D］.武汉：武汉理工大学，2009.

2 赵夏.住宅建筑被动式节能设计研究［D］.太原：太原理工大学，2013.

3 殷超杰.夏热冬冷地区被动式建筑设计策略应用研究［D］.武汉：华中科技大学，2007.

4 张靖岩，霍然，王浩波.烟囱效应的形成机理［J］.中国科学技术大学学报，2006（1）：73－76.

5 合肥市建委.合肥市公共建筑节能65%设计标准实施细则［S］，2013.

6 中国气象局气象信息中心气象资料室，清华大学建筑技术科学系.中国建筑热环境分析专用气象数据集［M］.北京：中国建筑工业出版社，2005.