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摘 要：建筑行业是能耗大户，发展绿色建筑势在必行。在这种形势下，空调系统的绿色设计逐渐成为了绿色建筑领域的重要议题。本文结合某商业建筑工程，模拟了空调系统的自然通风、自然采光空调负荷，对空调负荷与能耗结果进行了详细分析，最终确定了该商业建筑空调系统绿色设计方案和措施。
关键词：商业建筑；空调系统；自然通风；自然采光；负荷；能耗
随着社会经济的不断发展，能源是人类赖以生存和发展的基本条件。当前，能源供应的紧张对我国的经济发展和社会生活产生的巨大冲击，人们逐渐认识到了节约能源的重要性。为了建设可持续发展的和谐社会，作为能耗大户的建筑行业，推广绿色建筑势在必行。目前空调系统能耗占到建筑能耗的60%，可见实现空调系统绿色环保运行起着十分重要的作用。
1 项目概况
某商业建筑，一、二期工程已完工，其三期工程概况见表1。
表1 三期工程概况
建筑地上主要布置有展览厅、商品房及设备机房等辅助用房，地下主要有商业区、餐饮区、车库以及特装加工用房。
2 工程所在地气候特征
该地位于夏热冬暖气候区，高温期长，气温变化小，气候湿润，年平均气温20.5℃，年平均相对湿度77.1%。过渡季节平均气温16.5℃，相对湿度74.3%。气温通常在5℃以上，超过34℃的时间只有18h；超过26℃的时间为2 172h，占全年时间的24.79%。全年相对湿度超过70%的时间为5 897h，占全年时间的67.32%。日平均温度低于10℃的时间为16d，高于22℃的时间为4 076h（约170d）。全年相对湿度很大，建筑空调系统冷负荷相对较小，除湿负荷较大。此气候特点适合采用通风和温度湿度独立控制系统。
3 自然通风模拟
3.1 自然通风模拟方法
采用通风模型与热计算程序耦合求解的方法对建筑的自然通风状况进行模拟，对自然通风效果的影响因素进行研究。其中通风模型使用CONTAMW软件建立。自然通风模型见图1。
图1 自然通风模型
3.2 自然通风方式及位置
结合总平面布局，在满足各种流线布局和室外布展需要及不破坏前广场的庄严和美观的前提下，考虑不同形式的通风方式。自然通风位置见图2。
图2 自然通风位置
3.3 展厅自然通风
对展厅低侧窗、高侧窗进行自然通风分析，并研究侧墙开窗面积对自然通风效果的影响。
模拟时以10月至次年4月共6个月为过渡季，平均温度为16.5℃，考虑热压及风压的影响，并以小区风场模拟结果作为风压取值依据。
由于地下1层与地上4层相对独立且通风效果差别较大，因此对各层分别模拟分析。
展厅为建筑的主要区域，对其开口面积比例为20%～100%的情况进行分析，模拟不同开启面积下自然通风的通风量，并结合设计冷负荷进行耦合计算，计算室内的自然通风温度分布。
根据展厅模拟分析结果可知，在设计条件下，自然通风室内外温差为8.5℃，建筑外开口面积约为可开启总面积的25%以上，可达到控制要求。
3.4 展厅室内热舒适模拟
过渡季节按照室外平均温度16.5℃进行模拟，展厅内人员活动区域平均温度21.7℃，平均风速0.6m/s，基本满足设计要求。从图3可以看出，人员活动区域内温度由南向北呈由低到高分布，北部一些区域温度达到25℃以上，其原因是外界低温空气从建筑一侧进入，从另一侧排出，导致进口处温度较低，诱导大量带有余热的空气从压力较低一侧排除，使出风口一侧热量聚积，温度偏高。
图3 1.5m高处室内温度分布（右侧为南，左侧为北）
展厅南侧的开口为进风口，北侧开口及天窗为出风口，迎风一侧风口进风风速偏高，应采取适当措施加以缓解。
3.5 調整后的展厅热舒适模拟模型
在通风模拟的基础上，在北侧1层增加风口，无天窗，模拟北侧高窗高度增加至2m，50%开口率时的自然通风效果。
图4 调整后的模型
从图5可以看出，控制区域内平均风速0.7m/s，基本达到控制要求，东侧入口处最高风速5m/s，应采取措施解决。
图5 调整后模型1.5m高处速度分布（右侧为南，左侧为北）
综上，屋顶不设置通风窗，1层设置进风口，4层设置可开启通风高窗，满足展厅自然通风的需求。
4 自然采光模拟
4.1 自然采光模拟方法
采光分析采用能够与专业采光分析软件Radiance的数据接口的生态建筑设计软件Ecotect建模。利用该模拟软件导出的模型可以对任何形状的三维空间中的采光与照明系统进行分析，在给出计算数据结果的同时，软件提供了分辨率很高的可视化图形，便于设计师直接得到直观效果并完善设计方案。
4.2 自然采光方式及位置
结合总平面布局，在满足各种展览流线布局需要和室外布展需要及不破坏前广场庄严和美观的前提下，在前广场设计不同形式的自然采光方式。
4.3 展厅自然采光
利用展厅低侧窗、高侧窗进行自然采光。由于展厅周边门厅及商业用房占据部分外墙面积，低侧窗自然采光受到一定限制。采用天窗采光可以有效改善大进深展厅空间中部区域的照度情况，降低人工照明能耗。
4.4 展厅自然采光模拟分析
取开口率为9%，模拟结果得出，满足自然采光要求的面积比例晴天和多云天为100%，阴天为95%。
4.5 展厅自然采光节能分析
采用全年逐时分析统计方法，在某地区标准气象参数中抽取08：00-17：00共计10个时刻代表每天10h作为自然采光的时间基数，全年共3 650h。统计各个季节的太阳辐射状况，结果为：晴天1 314h，多云天949h，阴天1 387h。
针对晴、多云、阴三种天气分别选取典型日期的典型时刻进行采光计算，各计算区域达到采光标准的面积比例如表1所示。各采光部位面积见表2。
表1 各区域满足自然采光要求的面积比例%
表2 各采光部位面积统计m2
以区域中75%以上面积满足自然采光要求为标准，高于或等于75%的认为该区域满足自然采光要求，统计得到的各区域全年满足自然采光的时间为：方案1，3 650h；方案2，2 263h；方案3，1 314h。
5 空调负荷与能耗分析
5.1 建筑能耗分析
根据某地区典型年的气象参数和建筑功能条件，利用TRNSYS模拟软件对该建筑的全年空调负荷进行了模拟。
展厅人员密度为0.25人/m2，照明及电气负荷指标为25W/m2；商业区人员密度为0.2人/m2，照明及电气负荷指标为40W/m2。室内设计温度为25℃，相对湿度为60%，展厅屋顶天窗开窗率为9%。计算得展厅最大冷负荷为3 541kW，商业区最大冷负荷为1 216kW，总建筑最大冷负荷为4 757kW。
通过各个方案的能耗对比得知，在天窗开窗率为9%时，自然采光就能满足展厅的照明要求，不需要灯光照明，此时所节约的电量达到最大值。
6 结语
总之，面临空调系统的应用呈现不断上升的趋势，实现空调绿色、节能环保是势在必行的。在本工程中，通过利用建筑能耗模拟软件对不同自然通风、自然采光方案进行了建筑能耗模拟对比，得到了较为合理的自然通风、采光方案及空调能源方案，为今后建筑空调系统绿色设计提供了参考。
参考文献：
[1]章宇峰.自然通风与建筑热模型耦合模拟研究[J].清华大学，2004年
[2]何金刚；王磊；吴杨.节能环保技术在暖通空调系统中的应用[J].建筑节能，2008年07期
关键词：商业建筑；空调系统；自然通风；自然采光；负荷；能耗
随着社会经济的不断发展，能源是人类赖以生存和发展的基本条件。当前，能源供应的紧张对我国的经济发展和社会生活产生的巨大冲击，人们逐渐认识到了节约能源的重要性。为了建设可持续发展的和谐社会，作为能耗大户的建筑行业，推广绿色建筑势在必行。目前空调系统能耗占到建筑能耗的60%，可见实现空调系统绿色环保运行起着十分重要的作用。
1 项目概况
某商业建筑，一、二期工程已完工，其三期工程概况见表1。
表1 三期工程概况
建筑地上主要布置有展览厅、商品房及设备机房等辅助用房，地下主要有商业区、餐饮区、车库以及特装加工用房。
2 工程所在地气候特征
该地位于夏热冬暖气候区，高温期长，气温变化小，气候湿润，年平均气温20.5℃，年平均相对湿度77.1%。过渡季节平均气温16.5℃，相对湿度74.3%。气温通常在5℃以上，超过34℃的时间只有18h；超过26℃的时间为2 172h，占全年时间的24.79%。全年相对湿度超过70%的时间为5 897h，占全年时间的67.32%。日平均温度低于10℃的时间为16d，高于22℃的时间为4 076h（约170d）。全年相对湿度很大，建筑空调系统冷负荷相对较小，除湿负荷较大。此气候特点适合采用通风和温度湿度独立控制系统。
3 自然通风模拟
3.1 自然通风模拟方法
采用通风模型与热计算程序耦合求解的方法对建筑的自然通风状况进行模拟，对自然通风效果的影响因素进行研究。其中通风模型使用CONTAMW软件建立。自然通风模型见图1。
图1 自然通风模型
3.2 自然通风方式及位置
结合总平面布局，在满足各种流线布局和室外布展需要及不破坏前广场的庄严和美观的前提下，考虑不同形式的通风方式。自然通风位置见图2。
图2 自然通风位置
3.3 展厅自然通风
对展厅低侧窗、高侧窗进行自然通风分析，并研究侧墙开窗面积对自然通风效果的影响。
模拟时以10月至次年4月共6个月为过渡季，平均温度为16.5℃，考虑热压及风压的影响，并以小区风场模拟结果作为风压取值依据。
由于地下1层与地上4层相对独立且通风效果差别较大，因此对各层分别模拟分析。
展厅为建筑的主要区域，对其开口面积比例为20%～100%的情况进行分析，模拟不同开启面积下自然通风的通风量，并结合设计冷负荷进行耦合计算，计算室内的自然通风温度分布。
根据展厅模拟分析结果可知，在设计条件下，自然通风室内外温差为8.5℃，建筑外开口面积约为可开启总面积的25%以上，可达到控制要求。
3.4 展厅室内热舒适模拟
过渡季节按照室外平均温度16.5℃进行模拟，展厅内人员活动区域平均温度21.7℃，平均风速0.6m/s，基本满足设计要求。从图3可以看出，人员活动区域内温度由南向北呈由低到高分布，北部一些区域温度达到25℃以上，其原因是外界低温空气从建筑一侧进入，从另一侧排出，导致进口处温度较低，诱导大量带有余热的空气从压力较低一侧排除，使出风口一侧热量聚积，温度偏高。
图3 1.5m高处室内温度分布（右侧为南，左侧为北）
展厅南侧的开口为进风口，北侧开口及天窗为出风口，迎风一侧风口进风风速偏高，应采取适当措施加以缓解。
3.5 調整后的展厅热舒适模拟模型
在通风模拟的基础上，在北侧1层增加风口，无天窗，模拟北侧高窗高度增加至2m，50%开口率时的自然通风效果。
图4 调整后的模型
从图5可以看出，控制区域内平均风速0.7m/s，基本达到控制要求，东侧入口处最高风速5m/s，应采取措施解决。
图5 调整后模型1.5m高处速度分布（右侧为南，左侧为北）
综上，屋顶不设置通风窗，1层设置进风口，4层设置可开启通风高窗，满足展厅自然通风的需求。
4 自然采光模拟
4.1 自然采光模拟方法
采光分析采用能够与专业采光分析软件Radiance的数据接口的生态建筑设计软件Ecotect建模。利用该模拟软件导出的模型可以对任何形状的三维空间中的采光与照明系统进行分析，在给出计算数据结果的同时，软件提供了分辨率很高的可视化图形，便于设计师直接得到直观效果并完善设计方案。
4.2 自然采光方式及位置
结合总平面布局，在满足各种展览流线布局需要和室外布展需要及不破坏前广场庄严和美观的前提下，在前广场设计不同形式的自然采光方式。
4.3 展厅自然采光
利用展厅低侧窗、高侧窗进行自然采光。由于展厅周边门厅及商业用房占据部分外墙面积，低侧窗自然采光受到一定限制。采用天窗采光可以有效改善大进深展厅空间中部区域的照度情况，降低人工照明能耗。
4.4 展厅自然采光模拟分析
取开口率为9%，模拟结果得出，满足自然采光要求的面积比例晴天和多云天为100%，阴天为95%。
4.5 展厅自然采光节能分析
采用全年逐时分析统计方法，在某地区标准气象参数中抽取08：00-17：00共计10个时刻代表每天10h作为自然采光的时间基数，全年共3 650h。统计各个季节的太阳辐射状况，结果为：晴天1 314h，多云天949h，阴天1 387h。
针对晴、多云、阴三种天气分别选取典型日期的典型时刻进行采光计算，各计算区域达到采光标准的面积比例如表1所示。各采光部位面积见表2。
表1 各区域满足自然采光要求的面积比例%
表2 各采光部位面积统计m2
以区域中75%以上面积满足自然采光要求为标准，高于或等于75%的认为该区域满足自然采光要求，统计得到的各区域全年满足自然采光的时间为：方案1，3 650h；方案2，2 263h；方案3，1 314h。
5 空调负荷与能耗分析
5.1 建筑能耗分析
根据某地区典型年的气象参数和建筑功能条件，利用TRNSYS模拟软件对该建筑的全年空调负荷进行了模拟。
展厅人员密度为0.25人/m2，照明及电气负荷指标为25W/m2；商业区人员密度为0.2人/m2，照明及电气负荷指标为40W/m2。室内设计温度为25℃，相对湿度为60%，展厅屋顶天窗开窗率为9%。计算得展厅最大冷负荷为3 541kW，商业区最大冷负荷为1 216kW，总建筑最大冷负荷为4 757kW。
通过各个方案的能耗对比得知，在天窗开窗率为9%时，自然采光就能满足展厅的照明要求，不需要灯光照明，此时所节约的电量达到最大值。
6 结语
总之，面临空调系统的应用呈现不断上升的趋势，实现空调绿色、节能环保是势在必行的。在本工程中，通过利用建筑能耗模拟软件对不同自然通风、自然采光方案进行了建筑能耗模拟对比，得到了较为合理的自然通风、采光方案及空调能源方案，为今后建筑空调系统绿色设计提供了参考。
参考文献：
[1]章宇峰.自然通风与建筑热模型耦合模拟研究[J].清华大学，2004年
[2]何金刚；王磊；吴杨.节能环保技术在暖通空调系统中的应用[J].建筑节能，2008年07期