大空间建筑室外自然空气冷源利用研究

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第一章 绪论
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第一章 绪 论
§1.1 课题的来源及意义
随着社会的进步、经济技术的发展，大空间建筑逐渐成为城市建设的时代特
征。近年来随着北京奥运会和上海世博会的临近，以及各地城市建设等的需要，
大空间建筑建设的步伐加快。大空间建筑室内热环境的舒适性、健康性与空调运
行的节能性如何和谐共处将成为大空间建筑环境工程师需要解决的主要问题之
一，这也将成为 21 世纪建筑环境研究和发展的一个方向，更是地球可持续性发展
的主要要素之一。然而，大空间建筑由于高度高、体积大、人员居留区高度远低
于室内总高，空调能耗往往远大于实际居住域所需能耗，其空调系统往往具有初
投资高和运行能耗大的特点，因此，如何实现最大限度的节能正成为人们日益关
注的焦点。
同时，随着人们对室内环境舒适度和空气品质的不断关注，以及建筑节能意
识的不断提高，最大限度地利用自然通风，已成为居住者追求的目标。满足能耗
低、热舒适度好、空气品质高的要求，使三者和谐共存已成为建筑商投资、建筑
环境工程师设计的主要目标。然而，自然通风并不是一直有利的，随全年季节和
室内热状态的不同，它对降低能耗作用利弊兼有，为此，深入研究大空间建筑全
年或与空调共同利用的自然通风，变自然通风为利，更好地、最大限度地利用这
一取之不尽的自然能源，改善室内空气品质，降低空调能耗以减少使用空调对环
境的压力，对于目前改善大空间建筑室内热环境显得尤为必要。此外，对这一问
题的深入研究，也将推动国内这一领域的学术发展。因此，探讨如何充分利用室
外自然空气冷源向室内供冷，研究最大限度地利用自然通风满足人们对舒适性的
要求，缩短空调开机时间，拉长过渡季节显得尤为重要。
本课题在大空间建筑室内热环境特性、上部开口特性和全年空调通风耦合作
用的研究成果基础上，以世博重大科技专项“世博园区空气环境治理”中室内环
境子课题为背景，将世博大空间展厅建筑作为研究对象，探讨在大空间建筑中如
何更高效、准确、合理地利用自然能源，从而创造一个健康、舒适、节能和谐耦
合的室内热环境。本文主要针对大空间建筑室外自然空气冷源的利用进行研究，
探讨室外自然空气冷源即时和季节性利用的潜力和利用方法，为世博大空间建筑
空调通风系统设计提供参考。
大空间建筑室外自然空气冷源利用研究
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§1.2 国内外研究动态
§1.2.1 大空间建筑通风利用的现状
通风按空气流动动力不同可分为自然通风和机械通风。自然通风是利用空气
的风压和热压进行通风，它无需耗用能量、系统简单、通风效果好，但也受到室
外气象条件、建筑结构和布局的制约，如高层建筑就很难开窗来利用自然通风，
在利用自然通风时，还需要注意避免将室外污染空气引入室内，从而加剧室内空
气污染，同时还要注意城市涡流风对自然通风的影响。尽管如此，自然通风仍被
广泛地应用与工业与民用建筑的通风中。机械通风是利用风机进行强制性通风，
可分为有管道通风和无管道通风，其特点是不受室外气象条件、建筑结构和布局
的制约。
(1) 自然通风利用研究
自然通风被认为是一种可以满足人们的热舒适和健康要求的被动式通风方
式，充分合理地利用自然通风，可以达到节约能源、减少投资、提高经济效益的
目的，是创造可持续发展的绿色建筑环境的必然元素。对于没有环境噪声干扰的
大空间建筑，最大限度地利用自然通风改善室内环境和节约能量消耗是最为合理
的。自然通风的实施可采用风道式，常规利用风压形式和构成回旋流的形式[1]。
80 年代开始，国外对大空间建筑热环境有较多的研究[2]，对大空间建筑利用
自然通风的重视也不断加强，90 年代末、21 世纪初，国外对大空间建筑利用自然
通风降低能耗、提高室内空气品质进行了许多研究[3-5]。日本大阪中央体育馆就是
很好的典范，它利用屋顶上、中、下 3个环形排风窗的有机组合，全年采用自然
通风控制室内热环境的时间约占 75％[6, 7]；福冈圆屋顶体育馆统计数据表明，通过
有组织地控制自然通风，全年节能为冷气 30％，暖气 40％；许多高层建筑利用中
庭、电梯竖井等上部开口排出建筑热量获得了很好的节能效果，空调能耗一般可
降低 10～30％[8, 9]。
自然通风的利用不仅减少了能耗，而且也符合人们对环境舒适度、室内空气
品质的要求，利用自然通风改善室内环境越来越受到人们的重视。国内对于自然
通风的研究实例也不少。重庆大学的郑萍[10]通过研究指出加强室内通风换气，用
室外新鲜空气稀释室内空气污染物浓度，是改善室内空气质量最方便有效的途径
之一，并指出影响室内污染物浓度的主要因素是通风换气量和室内温湿度。
柯尊友等[11]通过 EnergyPlus 模拟分析了影响建筑得热量与通风量的几个因素
对自然通风室内热环境的影响，比较了不同控制策略下室内温度的波动情况，选
取最佳的控制方式，并模拟了室内温度场和速度场的分布情况。
第一章 绪论
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北京工业大学的易涛[12]通过研究提出了体育建筑自然通风利用的策略，为绿
色体育建筑设计提供一定的参考。
天津大学的刘莉[13]采用数值模拟的方法对一种新兴的自然通风系统－带有捕
风装置的通风系统的通风性能及主要的影响因素进行了研究和分析，并对其优缺
点进行了较为全面的评价。
太阳能烟囱是利用吸收太阳辐射热增大烟囱内外温差而增加浮力效应，达到
增加室内通风风量降低室温的目的的一种自然通风形式，西安建筑科技大学的李
安桂[14]通过理论和实验研究对太阳能烟囱的优化设计进行了探讨。
上海理工大学黄晨教授主导的课题组 2002 年完成的上海市自然科学基金项目
“大空间建筑上部开口有效利用的理论研究”，对评价上部开口的有效利用特性进
行了系统的研究，提出了采用冬夏季切换空调温度的方法，最大限度地利用自然
通风指导全年空调节能运行的思想[15-17]。在 2007 年该课题组又完成了国家自然科
学基金项目“大空间建筑居留区空调和自然通风耦合作用机理及其节能运行基础
研究” ，建立大空间建筑居留区空调及自然通风耦合作用的数学模型，通过其机
理研究，掌握在自然通风与居留区空调耦合运行时室内浮升力作用与室内热环境、
能耗等的内在关联，进而控制和最大限度地利用自然通风以改善室内环境和空气
品质，获得与空调的最佳耦合，降低空调能耗，并利用计算结果提出全年自然通
风控制模式与空调节能运行模式[18]。
(2) 机械通风利用研究
建筑机械通风对于大空间厂房、仓库、展厅、体育馆等应用广泛，针对这一
方面的研究也较多。华南理工大学的吕智艳[19]通过研究指出非空调季节机械通风
对大空间展厅节能效果最好，对于空调设计师，减少展厅建筑的能耗最好的方法
是设置满足 2倍卫生要求的新风量的通风设备，对室外月平均温度在 20℃以下的
非空调季节进行通风，开窗率为 20％～80％的侧窗比开窗率为 2～12％的天窗，
对大空间展厅能耗的影响大。
重庆大学的张建刚[20]将网络分析的方法应用于水电站夏季机械通风系统研究
中，对两种可能的通风流程进行分析论证，选择最佳的通风流程进行通风模型试
验，为同类地下高大空间建筑通风系统提供了设计参考。重庆大学的余宇峰[21]同
样对水电站机械通风进行了实验研究，分为春季机械通风和夏季机械通风（空调
送风）两个阶段，研究厂房内的温度分布以及风量分配规律，验证原型通风空调
设计的合理性，并提出了改善措施。
湖南大学的刘小波[22]通过对比现阶段采用的建筑通风模式：自然通风、机械
通风及混合通风，说明了混合通风模式的优越性，并对混合通风系统进行数值模
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拟，得到并分析混合通风的气流分布与气流组织特性。
西安建筑科技大学的王松华[23]通过研究指出机械通风和自然通风相结合的通
风方式，即多元通风的基本模式能很好地充分利用自然条件达到节能的目的，并
进行了初步的理论研究。
2007 年，上海理工大学的刘笙[24]通过全年空调能耗分析，提出了全年空调通
风耦合运行方案的设计思想。利用切换温度的概念，提出了过渡季节空调通风切
换点，并通过过渡季节空调负荷分析，提出了过渡季节风机运行策略，从而系统
地获得了全年空调通风耦合运行方案的确定方法。并就典型实例高大厂房进行了
过渡季、夏季室内热环境、空调系统各参数的现场测定，验证了过渡季节风机运
行方式以及空调通风切换改变室内热环境的有效性。
§1.2.2 夜间通风利用的研究现状
自然通风由于气流不可控性而造成的夏季白天过热，可以通过夜间通风来解
决[25]。夜间通风方法的原理是在夜间引入室外的冷空气，通过冷空气与作为蓄热
材料的建筑围护结构接触换热，冷却建筑材料，达到蓄冷目的[26]。夜间自然通风
有很大的节能潜力，在传统房间中能够节能 5%，在能够充分利用夜间通风而设计
的建筑物中节能高达 40%[27]。影响夜间通风效果的三个因素是：气候因素、建筑
特性和通风手段[28]。
20 世纪 90 年代末，国际上大规模地开展了关于夜间通风的研究项目。夜间通
风在英、美、法、澳大利亚、希腊、以色列、伊朗等国家都很受重视，例如在英
国，夜间通风技术已经成为人们在设计时的首要选择。
Geros 等[29]通过理论与实验研究证明夜间通风可以明显减少建筑冷负荷，提高
室内舒适性，夜间通风效率主要与夜间通风时段室内外温差，通风量和建筑热容
量有关，利用实验探讨了气象参数、通风方式、建筑结构的不同对于夜间通风效
果影响的具体情况。
Kolokotroni 等[30]对英国典型空调房间应用夜间通风后的节能潜力进行研究，
并分析了建筑类型、气候条件和各种参数对于节能潜力的影响。指出在典型空调
办公建筑中应用夜间自然通风可以明显节省制冷量，夜间机械通风的应用则会增
加能耗。同时，如果建筑参数按照低能耗的设计标准进行优化，夜间通风可以进
一步节省能耗，增大通风量，加大墙体厚度以及延长通风时间是改进夜间通风效
果的主要途径。
Liu 等[31]提出了一种简易的分析方法用来评价办公建筑中应用夜间通风的节能
潜力。Daniels[32]研究了不同建筑布局、建筑材料和通风量对夜间通风效果的影响。
第一章 绪论
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Shaviv 等[33]计算了建筑热容量和夜间通风对于夏季室内温度的影响。结果显
示，夜间通风效果主要与建筑热容量、夜间通风量和温度波动有关系，并提出了
一种简易的设计方法，用来预测室内温度降低与上述三个变量之间的关系，计算
结果表明对于湿度较高的以色列地区，重型建筑温度降低可以达到 3-6℃。
国内学者针对夜间通风的利用也进行了大量研究，湖南大学的陈在康教授[34]
通过数值计算指出利用夜间通风完全可以控制室温，在一定范围内解决室温过高
的问题；房间室温的波动与建筑材料、建筑结构、通风量有密切关系，轻型建筑
的波动比重型建筑的波动大，通风量越大波动也越大。湖南大学殷维等[35]对于夜
间通风冷却效果和建筑蓄热材料之间的关系进行研究，提出了夜间通风和建筑蓄
热的非线性耦合模型并编制了计算程序，并利用实验对模型进行了验证。
20 世90 年代中期同济大学的一些学者研究了上海地区的夜间通风应用问题，
李峥嵘等[36-37]对晚间通风及其与蒸发冷却技术的联合应用进行了研究，讨论了通
风时间与通风量的影响，引入间接蒸发冷却技术，以降低送风温度、增强通风降
温效果。曹叔维等[38]研究了晚间通风的计算及其与机械供冷的关系，总结了晚间
通风的设计计算方法，解决了系统通风量、通风时间和室内温度等主要参数的计
算，并实测验证了方法的可靠性。
夜间通风的冷却效果和建筑蓄热材料之间的关系非常密切，文献[39-41]指出相
变材料的应用可以增大建筑围护结构的蓄冷量，有助于提高夜间通风蓄冷节能的
效果，同时还可以调节室内温度。目前研究重点在相变材料蓄冷方面，并取得了
一系列成果[42]。清华大学江亿等[43-45]提出了夜间通风相变贮能堆积床系统（NVP
系统），该系统结合夜间通风和相变贮能技术，采用相变材料（PCM）提高系统的
蓄冷能力。并介绍了在北京搭建的系统实验装置，分析了系统的实测降温效果，
与普通的夜间通风降温方法作的比较表明,该系统降温效果显著。林坤平等[46]还建
立了分析夏季结合夜间通风的相变墙房间热性能的理论模型，提出了评价房间夏
季过热不舒适程度的“累计日室内温度不舒适度”IDCT 和“累计日室内综合温度
不舒适度”IDC 两个指标，对于给定的气象条件和给定的相变墙房间，讨论了夏
季“空调”型相变墙的优化设计方法，并以伊宁地区为例进行了分析和计算，对
相变墙的设计和实际应用有一定指导意义。
§1.2.3 大空间建筑现场实测研究现状
1982 年中国建筑科学研究院空调所邹月琴等人[47]组成的分层空调技术研究课
题组首次对高大空间分层空调系统进行现场实测。在对南京汽轮电机厂分层空调
测试中，经过两年多时间的研究，提出分层空调热转移负荷的确定方法和气流组
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织计算方法，并通过现场实测取得的经验编写了气流组织设计方法。认为分层空
调方式应用在高大空间具有明显的节能效果，是值得进一步研究和推广的。
1998 年起至今，上海理工大学黄晨教授[48]选择上海国际体操中心，历时 4年
余，进行夏季、过渡季节、冬季三个典型季节室内热环境现场实测，分别进行了
比赛主场外环境的测定（室外和主场外围走廊参数）、主场温度场分布的测定（居
住域温度分布及垂直温度分布）和其他参数测定（如壁温、开口风量等）及系统
冷负荷热平衡的测定，得到了大空间建筑室内热环境的第一手资料和大空间建筑
室内热环境现场实测的经验，同时通过对室内热环境的一系列计算，对高大空间
空调负荷构成有了比较清晰的定量概念。这些研究工作揭示了大空间建筑的节能
方向。
1998 年，Nishioka 等人[49]对东京某一大型体育场馆室内热环境进行冬季、夏
季和过渡季节现场实测。该体育场馆需要满足各种体育比赛和娱乐等活动对室内
空调的要求，因此设计并配置了各种形式的机械通风系统，其中包括观众区的座
椅送风和置换通风空调气流组织形式。Nishioka 等人分别对室内温度分布、湿度、
气流组织和室外环境进行测试。温度分布测试结果表明，在大型体育场馆采用座
椅送风和多喷嘴送风的气流组织形式可以很好的满足室内居住域对环境温湿度的
要求，同时利用置换通风和自然通风可以有效防止室内下部空调区冷空气与上部
非空调区热空气混合，对节能非常有利。
2000 年，Hagishima[50]针对建筑物不同外表面维护结构对流换热系数进行现场
实测，同时利用现场实测结果分析建筑物外表面风速风向与对流换热系数的相互
影响和关系，所得结论可用于 CFD 中K－ε模型数值计算。
2004 年，上海理工大学陈剑波教授[51]对某集团高大工艺车间分层中央空调系
统温度场进行现场实测，验证了采用厂房两侧风管喷口侧送风与风管底部散流器
下送风结合的气流组织设计的合理性，并获得大空间分层空调夏季温度场分布实
测数据。该结果为大空间温度场理论研究提供了准确可靠的数据资料。
2005 年5月，上海理工大学黄晨教授[52]对上海建筑科学研究院生态建筑示范
楼过渡季节室内热环境进行了现场测定。测定内容包括室外气象参数、室内温度
分布、PMV 场、壁面温度等热环境参数和室内自然通风等评价参数。并就室外气
温、上下开口面积、内热源等不同影响因素近 20 个工况进行了现场测定。通过对
实测数据深入分析，获得了大空间建筑自然通风作用下室内热环境特性随影响因
素变化的规律。为建立和完善自然通风理论模型，理论研究大空间建筑室内热环
境各因素影响规律，提供了直接的实验依据和基础。
2006 年7、
8月，上海理工大学黄晨教授[53]对上海建筑科学研究院生态建筑示
第一章 绪论
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范楼夏季室内热环境进行了现场测定，对生态办公楼的测试内容、测点布置方法
及其测试技术等进行了系统的研究，并在实测的基础上，进行了室内中庭空间热
环境特性的分析研究，以及舒适性评价指标体系的探讨。
§1.3 展览建筑的特点
近年来，展览业的蓬勃发展，带动了场馆建设的快速增长。据不完全统计，
全国目前有展览场馆约 140 多座，可用于展览的总面积近 100 多万 m2，场馆设施、
规模都已达到相当高的水准。会展建筑是现代的大型公共建筑，它的最大特点是
展厅建筑空间大，人员密度大。
§1.3.1 建筑结构及热环境特点
展馆建筑属于高大空间建筑，其热环境特征如下[54]：
(1) 顶棚高：在高大空间容易造成垂直温度分层。
(2) 容积大：大空间容积大，常因送、回风的安装位置不尽合理造成水平方向
的温度、速度分布不均匀。
(3) 工作区高度低：很难形成小空间的那种贴附射流的效果，上部犹如一开放
空间，使冷、热面难以形成。
(4) 受外界环境的影响大：与办公大楼相比较，大空间的地板面积和外墙面积
都比较大，很容易受到外部环境的影响。
§1.3.2 空调系统特点
(1) 展览建筑属高大建筑，特别是展览大厅，因人员密度大，热湿负荷及送风
量大，新风比高。
(2) 展览馆的空调属舒适性空调，虽然展览大厅容积大，净空高，但一般要求
人们活动的范围即距地面约 2m 的高度内具有舒适的温度和相对湿度，这样就为上
部空间利用高速喷射送风和下部分层送风创造了条件。
(3) 展览馆的顶棚高，容积大的特点，使得室内垂直和水平温度分布较难控制，
特别是在送回风口受到室内装饰限制的情况下，如设计不当，很容易造成室内温
度分布不均匀的现象。
(4) 展览馆通常为大框架结构，而且经常采用轻型材料，从而顶棚及壁面的热
工保温特性都比较差，易受室外气象变化影响，特别容易形成大范围的自然对流
和沿壁面的气流。
大空间建筑室外自然空气冷源利用研究
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(5) 与办公楼相比较，展览馆内人员多为流动状态，因此允许室内局部气流速
度稍高，甚至在 0.5m/s 左右也不会引起馆内观众有明显的不适感。
§1.4 本文主要研究内容
本课题在大空间建筑室内热环境特性、上部开口特性和全年空调通风耦合作
用的研究成果基础上，以世博重大科技专项“世博园区空气环境治理”中室内环
境子课题为背景，将世博大空间展厅建筑作为研究对象，探讨在大空间建筑中如
何更高效、准确、合理地利用自然能源，从而创造一个健康、舒适、节能和谐耦
合的室内热环境。本文主要针对大空间建筑室外自然空气冷源的利用进行研究，
探讨室外自然空气冷源即时和季节性利用的潜力和利用方法，为世博大空间建筑
空调通风系统设计提供参考。
§1.4.1 研究内容
(1) 针对世博大空间展厅建筑的特点，分析其自然能源利用的可行性，并通过对四
个典型地区室外气象参数的分析，探讨室外自然空气冷源季节性利用和夜间利
用潜力；
(2) 在已有空调通风耦合运行理论研究基础上，进一步探讨其节能性（考虑系统特
性），针对特定建筑应用空调通风耦合运行设计方法，确定空调通风耦合使用
的优化方案；并建立耦合运行系统能耗模型，进行能耗和经济性分析；
(3) 根据上海理工大学“大空间建筑室内热环境实验研究基地”现有实测数据研究
机械通风及空调与机械通风耦合时室内热环境预测模型，并研究得到可推广应
用的空调运行模式、设计方法和计算软件；
(4) 通过对不同工况下建筑物基础室温等数据的分析、比较，建立通风数学计算模
型，研究大空间建筑夜间通风效果，指出其影响因素，分析满足室内舒适性前
提下，夜间自然通风和机械通风与人工制冷的耦合运行模式，探讨利用夜间通
风降低建筑储热的可行性和节能性；
(5) 根据所建通风数学计算模型，采用世博期间上海地区历年气象资料，计算不同
建筑容量的夜间通风节能潜力，同时变化夜间通风运行的关键参数进行一系列
节能潜力计算与分析；
(6) 通过对大空间建筑室内热环境实验研究基地的现场实测和分析，实验验证空调
与通风即时和季节耦合使用的优化结果，从而了解大空间展厅建筑室外自然空
气冷源利用方法和效果。
第一章 绪论
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§1.4.2 主要关键技术
(1) 可推广应用的空调通风耦合运行模式、优化设计方法和计算软件的研究；
(2) 通风状态下室内温度数学模型的建立；
(3) 耦合运行系统能耗模型的建立及系统经济性分析。
摘要：

第一章绪论1第一章绪论§1.1课题的来源及意义随着社会的进步、经济技术的发展，大空间建筑逐渐成为城市建设的时代特征。近年来随着北京奥运会和上海世博会的临近，以及各地城市建设等的需要，大空间建筑建设的步伐加快。大空间建筑室内热环境的舒适性、健康性与空调运行的节能性如何和谐共处将成为大空间建筑环境工程师需要解决的主要问题之一，这也将成为21世纪建筑环境研究和发展的一个方向，更是地球可持续性发展的主要要素之一。然而，大空间建筑由于高度高、体积大、人员居留区高度远低于室内总高，空调能耗往往远大于实际居住域所需能耗，其空调系统往往具有初投资高和运行能耗大的特点，因此，如何实现最大限度的节能正成为人们日益...

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