绿色室内水乐园被动式节能的探讨与应用

卫军锋 赵兴 张少良 董巧慧

中国建筑标准设计研究院有限公司

随着人们对物质生活要求的不断提高，大量娱乐性建筑异军突起，比如可在室内享受阳光沙滩、水上漂流、温泉等设施的室内水乐园。为了达到美观等建筑外在形体要求，室内水乐园多采用大面积玻璃幕墙，因此高能耗、高运行费用成为其一大特点。被动式节能技术是实现绿色建筑的第一手段。与主动式节能技术相比，被动式节能技术可从根本上降低建筑物的全年能耗，且应用成本低，节能效果明显。对于严寒地区来说，被动式节能措施还包括增大外围护结构的热阻、加强窗户的遮阳与自然通风效果等。

本文以长春市某室内水乐园为例，在建筑整体方案和外立面效果均已确定的前提下，在严寒地区室内水乐园采用屋面玻璃天窗的内遮阳和围护结构的自然通风这两种被动式节能技术，通过CFD模拟不同工况下水乐园室内气流组织和温度场分布情况，在满足人体舒适度前提下探讨被动式节能的实际效果。

1 工程概况

1.1 项目概况

项目位于吉林省长春市，北面紧邻温泉酒店。水乐园长161m、宽92m，屋面最高点距地面35m，功能以戏水为主，包含造浪池、过山车、水寨及漂流河等设施。外墙采用加气混凝土砌块加保温，K=0.31W/（m2·K），外窗采用Low-E+白玻中空4+9A+4Low-E和断桥铝5+12A+5Low-E，K分别为2.06W/（m2·K）和2.4W/（m2·K）；屋顶为弧形屋面，透明部分为双银Low-E中空玻璃，氩气层12mm，K=1.86W/（m2·K），透明部分面积占屋面面积的28%。

1.2 气象条件

长春市的建筑气候区划属于严寒C区，冬季寒冷而漫长，夏季凉爽而短促，全年温差高达60℃。从长春市全年逐时干球温度可以看出长春市夏季及过渡季干球温度基本在30℃以下，仅有52h干球温度超过了30℃，为自然通风提供了绝佳的条件。同时，通过观察长春市全年逐时水平面上太阳直射辐射强度，我们发现该地太阳辐射强度较强，有972h太阳直射辐射强度大于500W/（m2·h）。

2 屋面玻璃天窗的内遮阳

从长春市的气象参数可以看出，全年逐时水平面上太阳直射辐射强度较高，尤其是夏季太阳辐射热占室内得热量比重较大，在屋面玻璃天窗内设置内遮阳成为节能的重要措施。水乐园屋顶天窗采用内含12mm氩气层的双银Low-E中空玻璃与PA断桥铝合金，K=1.86W/（m2·K），太阳得热系数为0.47。考虑到水乐园室内的装饰效果，在玻璃天窗的内表面设置白色织物面料用于内遮阳，遮阳系数为0.5。

2.1 模型设置

首先对该水乐园进行三维建模，由于水乐园内水面形状不规则，建模时我们将其简化为等面积的矩形组合，其他尺寸与实际尺寸一致，用结构化网格对几何模型进行网格划分。太阳光照射到玻璃天窗上时有反射、吸收、透射三种方式，玻璃天窗吸收太阳光后形成潜热负荷，通过玻璃天窗透射到室内的太阳光形成显热负荷。为简化模拟，本文将通过玻璃天窗的太阳辐射负荷折合到地面上作为热源进行模拟。

1 水乐园室内场景

2 水乐园总平面图

业主：长春复华文化旅游发展有限公司

建设地点：吉林省长春市

建筑设计：中国建筑标准设计研究院建筑设计二所

项目负责人：张林振、狄明

设计团队：尹灵、涂欣（设计主持人）；吴冰（建筑）；邢万里（结构）；

王岩（给排水）；黄凌洁（电气）；卫军锋、赵兴、张少良、董巧慧（暖通）

总建筑面积：16 973.05m2

项目状态：施工中

设计时间：2017.04

图片版权：中国建筑标准设计研究院建筑设计二所

2.2 遮阳前后模拟结果分析

长春市夏季室外通风计算温度为26.6℃，将此温度作为水乐园进风口的进风温度进行模拟，可以得到玻璃天窗采用内遮阳前后水乐园的空气温度分布图，可以看出：

（1）水乐园属于高大空间建筑，空气温度分层效果明显。玻璃天窗遮阳前，进风口下部空气温度为30～34℃，上部空气温度可达36℃；玻璃天窗遮阳后，进风口下部空气温度为28～30℃，上部空气温度为30～31℃。

（2）人员活动区范围内进风口附近温度低，北侧气流盲区温度较高。玻璃天窗遮阳前，人员活动区温度在32～35℃范围内，北侧最高温度可达37℃；玻璃天窗遮阳后，人员活动区温度在29～30℃范围内，北侧局部温度高于31℃。

因此，相较于玻璃天窗无遮阳的工况，水乐园内人员活动区的温度有明显降低，降低幅度约3～5℃。数据表明，玻璃窗遮阳对减少建筑物冷负荷、降低建筑物内温度值有非常明显的作用，是一种有效的绿色节能方式。

3 长春市全年逐时干球温度和逐时水平面上太阳直射辐射强度

4 某水乐园x=0m 处温度分布

5 某水乐园据地面1.8m 处温度分布

6 水乐园屋顶天窗效果图

7 水乐园南立面处网格示意图

8 水乐园北立面处网格示意图

9 窗户全开时，某水乐园据地面1.8m 处温度分布

10 窗户全开时，某水乐园x=0m 处温度分布

11 室外温度为9℃窗户部分开时，某水乐园温度分布

3 自然通风

长春市夏季室外通风计算温度为26.6℃，较为凉爽，因此可通过自然通风解决室内的余热问题。依据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB50736—2012），长春市夏季主导风向为西南偏西风，为充分利用自然通风，在水乐园南立面设置低窗作为进风口，进风口尺寸136.7m×1.5m，底距地面4m（南侧为附属用房及设备机房，高度为4m），在北立面设置高窗作为出风口，风口尺寸121.5m×1.5m，底距地面27.2m，外窗户均为平开窗，可以完全开启，利用风压及热压作用完成自然通风。为研究一年内自然通风的使用时长，我们选取了两个极限工况进行模拟研究。工况一为水乐园所有窗户都打开，室外温度达到多少时，水乐园内人员活动区的温度可满足舒适度要求；工况二为仅部分窗户打开，室外温度达到多少时，水乐园内人员活动区的温度可满足舒适度要求且符合卫生标准下人员所需新风量。

3.1 模型设置

对水乐园外轮廓建模（与遮阳模型一致），特别在进风口、出风口和水面附近进行加密处理，得到水乐园南北立面处网格示意图。

3.2 窗户全部打开

在窗户全开的情况下，首先用长春市夏季室外通风计算温度26.6℃进行模拟，发现室内温度略微偏高，因此将进风口温度降低后重新进行模拟，得到水乐园室内空气温度分布图。

当室外温度为25℃时，人员活动区的温度大部分在27～29.5℃，北部局部温度高于30℃；水乐园进风口下部空气温度较低，约为27～29℃，随着高度的增加空气温度不断上升，水乐园上部温度为29～30℃。

因此，当室外温度为25℃时，人员活动区温度满足自然通风状态下室内设计温度为25～29℃的要求。即室外温度为25℃及以下时，可以通过自然通风带走水乐园内多余的热量而不用开启空调。

3.3 窗户部分开启

过渡季节室外温度较低，若将所有窗户都打开，室内温度也随之降低，戏水的游客会有明显的吹风感，不符合人体的舒适度要求。因此随着室外温度的降低，窗户也要随之部分关闭，但最终窗户开启面积需满足水乐园内按卫生标准规定的人员最小新风量。经过多次不同工况下的模拟实验，我们假设进风口的温度是9℃，窗户的开启面积为总面积的九分之一，通过模拟得到了该工况下水乐园的空气温度分布图。

可以看出：1）人员活动区的温度大部分在28～29℃，北部局部点温度高于29℃；2）水乐园进风口下部空气温度较低，约为22～28℃，随着高度的增加空气温度不断上升，水乐园上部温度为29℃。需注意的是，由于过渡季室外温度低，进风口附近温度也较低，其数值约等于室外温度，但该水乐园进风口底部标高4m，因而不会直接受到室外冷空气的侵袭。观察模拟结果还可发现，该工况下进/排风口的新风量为17.91m3/s，当水乐园人数为2 000人时，人均新风量为32.23m3/h，满足人员卫生标准新风量的要求。

综上，该工况下人员活动区温度满足自然通风状态下室内设计温度为25～29℃的要求。

12 室内沙滩效果图

4 运行费用

假设水乐园的营业时间为8:00～22:00，每天营业14h。长春市空调季为6月1日～8月31日，共92天，夏季工作时长为1 288h。长春市过渡季为4月11日～5月31日和9月1日～10月19日，共100天，过渡季工作时长为1 400h。

根据上文模拟分析可知，当室外空气温度tw≤25℃时，即可采用自然通风降低夏季室内温度；当室外空气温度tw≥9℃时，可采用自然通风降低过渡季室内的温度。由图3可知，室外空气温度tw≤25℃时，夏季工作时长为864h，占夏季总工作时长的67.1%；室外空气温度tw≥9℃时，过渡季工作时长为1 265h，占过渡季总工作时长的90.4%。

自然通风可减少夏季空调和新风的运行，以及过渡季时新风机组的使用。因此，我们可以计算夏季和过渡季自然通风状态下节省的运行费用。表1列出了采用非人工冷热源时需要运行的设备及其功率。假设长春市商业用电价格为0.92元/（kW·h），由此可计算出夏季和过渡季节省的运行费用为139.53万元，占夏季过渡季总运行费用的67.85%。

表1 夏季非人工冷源设备表

13 水乐园剖面图

14 水上娱乐效果图

5 结论

通过对长春市某水乐园的模拟及数据分析，绿色室内水乐园被动式节能设计结果如下：

（1）对长春市某水乐园进行有无遮阳的模拟分析，结果表明：有遮阳的工况比未遮阳的工况人员活动区的温度降低3～5℃。

（2）模拟长春市某水乐园的开窗百分比及室外温度的变化来观察水乐园内部温度场的分布，结果表明：当室外空气温度在9℃≤tw≤25℃时，通过调节外窗的开启面积，可完全通过自然通风的方式达到舒适的室内温度。

（3）通过屋面透明部分的内遮阳以及外窗的自然通风两项被动式节能设计，可节约运行费用139.53万元，占夏季和过渡季总运行费用的67.85%。