基于城市气候和空气污染的建筑自然通风潜力研究

摘要

建筑业是能源消耗大户之一。随着我国经济社会的快速发展和人民生活水平的不断提高，建筑运行能耗持续增长。因此，开展建筑节能工作对我国节能减排目标的尽早实现具有积极的、显著的作用。　　自然通风一方面可实现有效地被动式冷却，利用室外空气排除室内余热余湿，当室外热湿条件适宜时，在不消耗能源的条件下营造舒适的室内热环境；另一方面，利用室外新鲜空气对室内污染进行稀释，有利于人员的生理和心理健康。因此，自然通风是一种节能、舒适、健康的热环境营造技术。但自然通风的利用依赖于城市环境条件，具体包括气候条件、局地风环境以及城市空气污染等，目前缺乏从多个角度综合评估建筑自然通风应用潜力的系统化方法。　　气象条件主要包含温度、湿度、辐射等因素，由于自然通风实质上是室内、外空气的直接交换，室内与室外的温差和含湿量差值的大小体现了室外气象条件改善室内热湿环境的能力。将供暖度日数(HDD18)和空调度日数(CDD26)设置为一级指标，相对湿度、太阳辐射和风速设置为二级指标，利用聚类分析，建立了分层级的气候分区方法。利用该方法将夏热冬冷地区划分为7个子气候区，提升了分区的空间精度，在各个子气候区内体现出更高的一致性。分区结果为该地区的政策制定者提出更合理的通风及其他被动技术选择策略提供了科学依据。以气候分区结果为基础，确定了不同气候条件与自然通风潜力之间的定量关系。　　城市风环境决定了建筑围护结构表面的压力，使室内与室外形成一定的压差，促进空气的流通，压差的大小决定了房间的通风换气量，体现了对于气象条件利用的程度。基于卫星图像和日影原理，利用地理信息系统(GIS)建立了建筑信息模型。运用聚类分析的方法归纳出典型建筑类型，根据真实小区的建筑布局形式将典型建筑类型以适当的间距组成基本街区形态，再将基本街区形态结合街道峡谷中的道路布置建立起部分城市布局方案。通过计算流体力学(CFD)模拟发现街区内部空气流动水平与建筑密度密切相关。根据不同风向下各种城市布局的流场模拟结果，结合基于风压系数的通风量计算，确定了城市建筑布局与建筑自然通风换气量的响应关系。　　室外空气污染将通过自然通风引入室内环境中，当室内环境中由于室外源引起的空气污染物浓度超标时，人员考虑到对健康的影响将关闭外窗，限制了自然通风的利用。对城市内建筑形体及分布进行大面积实地调研，并利用卫星图像获取道路布局和施工场地布局，选择出表征城市建筑、道路和施工场地信息的特征参数，将城市信息参数化。同时获取了测试期间的气象数据和大气污染观测数据。然后，以背景颗粒物污染浓度、天气条件、城市形态和城市污染源等系列变量作为预测变量，以室外颗粒物浓度监测数据为响应，利用人工神经网络模型进行训练，得到社区尺度空气污染快速预测模型。对模型的预测效果进行验证，PM10预测值与实测值的平均相对误差为17.56％，对于PM2.5为16.04%，该模型具有较高的准确性。同时，对相应地点室内颗粒物浓度进行了测试。当建筑仅采用自然通风时，室内与室外颗粒物浓度存在较高的相关性。在重庆城市区域，渗透系数的取值在0.60~0.85之间，常态下室内源颗粒物浓度取值在0~10μg·m-3之间。利用这些模型可以实现基于室外空气污染程度的自然通风动态控制。　　最后，提出了建筑自然通风潜力的综合分析方法。该系统框架同时考虑气象条件、局地风环境和城市空气质量等多个因素的相互影响，利用城市的上层数据信息，实现在早期规划设计阶段对建筑自然通风潜力进行综合评估。以重庆基准建筑为例，使用自然通风后建筑非供暖空调时间可由48%延长到68%。某实际案例建筑在采用最大10h-1换气次数的自然通风时有70.2%的时间不需要供暖空调系统；但在考虑城市布局后，由于建筑处于稠密型老城区，其非供暖空调时间缩短了3.4%；在考虑空气污染的实际情况下，可用的自然通风时间缩短到52.6%。

目录

1 绪 论

1.1研究背景及意义

1.2建筑自然通风

1.3建筑自然通风潜力

1.4研究目的与内容

2 基础研究数据采集与处理方法

2.1城市日值气象数据收集与处理

2.2局地室内外颗粒物污染实地测试

2.3城市逐时气象数据和颗粒物浓度数据收集与处理

2.4城市信息收集与信息模型建立

2.5建筑室内热湿环境与能耗模拟

2.6城市布局下风场与颗粒物扩散模拟

3 气象条件对自然通风潜力的影响

3.1影响自然通风效果的气象要素

3.2世界各国建筑气候分区基本情况

3.3针对建筑被动设计的层次化气候区划分方法

3.4气候条件对自然通风利用时间的影响

3.5本章小结

4 局部风环境对自然通风潜力的影响

4.1城市街区形态识别

4.2城市布局中小区风环境

4.3城市布局方案对建筑自然通风量的影响

4.4本章小结

5 空气污染对自然通风潜力的影响

5.1城市内部污染物排放对街谷空气质量的影响

5.2社区尺度颗粒物浓度快速预测模型建立

5.3社区尺度颗粒物快速预测模型验证与应用

5.4基于室外污染源的室内污染物浓度预测

5.5本章小结

6 自然通风潜力的综合分析方法

6.1综合分析方法介绍

6.2案例分析

6.3本章小结

7 结论与展望

7.1主要工作与结论

7.2本研究创新点

7.3研究展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读博士学位期间发表的论文

B. 作者在攻读博士学位期间获得的专利

C. 作者在攻读博士学位期间参与的科研项目

D. 学位论文数据集

致谢