CN111898190A - 一种自然通风设计室外计算参数确定方法及设备 - Google Patents

一种自然通风设计室外计算参数确定方法及设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自然通风设计室外计算参数确定方法及设备。该方法包括：获取当地气象数据；确定包括室内降温需求温度和室内空调需求温度在内的室内设计温度；依据室内设计温度确定室外判定温度；将得到的室外判定温度同逐日日平均干球温度进行比较，得到累计频次，设定判定频次，确定自然通风设计适用期；将自然通风设计适用期内各参数进行累30年平均获得自然通风设计室外计算参数。以此方法，可确定出某地的自然通风设计室外计算参数，为建筑师进行自然通风设计时提供依据。

Description

一种自然通风设计室外计算参数确定方法及设备
技术领域
本发明涉及建筑热工与节能领域，具体提供一种自然通风设计室外计算参数确定方法及设备。
背景技术
人类所消耗的能源日益增长，建筑行业对于节能有着不可推卸的责任和义务，为降低建筑能耗，推行建筑被动式降温技术势在必行。常见被动式降温技术包括建筑遮阳、自然通风及蒸发冷却等，现行《民用建筑热工设计规范》(GB50176-2016)等国家标准规范中已明确指出民用建筑应优先采用自然通风去除室内热量。
自然通风设计室外计算参数是连接气候潜力分析及后续设计步骤的桥梁。现有针对自然通风设计室外计算参数的研究，集中在表征自然通风应用程度的自然通风潜力上，而对能反映其应用广度的适用时段的研究却十分匮乏，同时，现行《民用建筑热工设计规范》(GB 50176-2016)中虽然给出了自然通风设计方法，但却并未给出对应的自然通风设计室外计算参数值，难以满足建筑师在实际气候条件下进行自然通风设计的需求。
发明内容
为解决上述至少之一问题，本发明提供了一种自然通风设计室外计算参数确定方法及设备，本发明能够反映气象数据的离散现象，同时覆盖的城镇数量能够满足建筑师在实际气候条件下进行自然通风设计的需求。
第一方面，本申请提供了一种自然通风设计室外计算参数确定方法，包括：
S1，获取当地气象数据，选择连续n年(n≥10)的逐日日平均干球温度tm,i；
S2，根据连续n年的逐日日平均干球温度tm,i确定室内设计温度；
S3，依据室内设计温度确定室外判定温度；
初步潜力分析阶段时，确定降温日室外判定温度与过热日室外判定温度分别与室内降温需求温度ti,cr和室内空调需求温度ti,acr的关系；
建筑方案设计阶段时，确定自然通风设计室外判定温度to,j、确定用于居住建筑室外判定温度to,cv和确定用于办公建筑室外判定温度to,nv；
S4，比对不同温度得到累计频次，设定判定频次，得到自然通风设计适用期；
S5，得到自然通风设计室外计算参数。
进一步，步骤S1具体包括：获取当地气象数据，即选择连续n年(n≥10)的逐日日平均干球温度tm,i(1≤m≤n,1≤i≤365)，并形成n个数列。
进一步，步骤S2确定自然通风设计室内设计温度ti,s，包括确定室内降温需求温度ti,cr和室内空调需求温度ti,acr。
进一步，步骤S3具体包括以下步骤：
初步潜力分析阶段时，降温日室外判定温度与过热日室外判定温度分别与室内降温需求温度ti,cr和室内空调需求温度ti,acr相等。
初步潜力分析阶段时，具体包括以下步骤：
降温日室外判定温度与过热日室外判定温度各自与室内降温需求温度ti,cr和室内空调需求温度ti,acr相等；
建筑方案设计阶段时，包括确定室内设计温度，通过室内外传热方程确定自然通风设计室外判定温度to,j；确定用于居住建筑室外判定温度to,cv，即确定舒适通风设计室外判定温度to,cv；确定用于办公建筑室外判定温度to,nv，即确定夜间通风设计室外判定温度to,nv。
进一步，步骤S4具体包括以下步骤：
S41，将tm,i与该天的室外判定温度
Figure BDA0002615593570000031
进行对比，若
Figure BDA0002615593570000032
则记累计频次k＝1，反之计k＝0，形成n个数列；
S42，将n年中各相同日期(i相等)的结果进行累加后形成2个数列；
S43，设判定频次kd＝1,2,…,n，选取步骤S42数列中
Figure BDA0002615593570000033
的第一日与最后一日，其积日数分别记为Ncrpf与Ncrpl，对应日期即为当地降温时段的起止日期；同时选取步骤S42数列中
Figure BDA0002615593570000034
的第一日与最后一日，其积日数分别记Nacrpf与Nacrpl，对应日期即为当地空调时段的起止日期；
S44，对于判定频次的选取，绘制通风天数随累计频次变化的曲线，选择线上斜率变化最为明显的点代表可进行通风的天数在该频次变化最为明显，取该频次作为当地的判定频次kd；
S45，得到自然通风设计适用期NVP：
NVP＝[降温时段开始日积日数Ncrpf～空调时段开始日积日数Nacrpf]
+[空调时段结束日积日数Nacrpl～降温时段结束日积日数Ncrpl]
同样地，采用上述方法可得当地的舒适通风设计适用期、夜间通风设计适用期。
进一步，步骤S5具体包括：将自然通风适用期内各参数进行累30年平均，便得到该地的自然通风设计室外计算参数。
第二方面，本申请提供了一种自然通风设计室外计算参数生成设备，所述设备包括：存储器，用于存储可执行程序代码；一个或多个处理器，用于读取所述存储器中存储的可执行程序代码以执行第一方面所述的自然通风设计室外计算参数确定方法。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
(1)针对现有自然通风设计室外计算参数的研究，集中在表征自然通风应用程度的自然通风潜力上，而对能反映其应用广度的适用时段的研究十分匮乏的问题。本发明通过计算室外判定温度，先逐年比较再累年统计分析的方法解决了自然通风设计适用期及适用期内相应室外计算参数的获取问题。
(2)针对《民用建筑热工设计规范》(GB 50176-2016)中未给出对应自然通风设计室外计算参数值的问题，本发明提出了一种自然通风设计室外计算参数确定方法，解决了自然通风设计室外计算参数缺失的问题。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1为本发明中自然通风设计室外计算参数确定方法流程图；
图2为广州地区降温—过热累计频次分布图(初步潜力分析)；
图3为广州地区累计频次—通风天数示意图(初步潜力分析)；
图4为简化建筑模型示意图；
图5为广州地区自然通风降温—过热日累计频次分布图(建筑方案设计)；
图6为广州地区居住建筑舒适通风降温—过热日累计频次分布图；
图7为广州地区办公建筑夜间通风降温—过热日累计频次分布图；
图8为广州地区累计频次—自然通风天数示意图(建筑方案设计)；
图9为广州地区累计频次—舒适通风天数示意图；
图10为广州地区累计频次—夜间通风天数示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例提出一种自然通风设计室外计算参数的确定方法，具体包括以下步骤：
步骤S1，获取当地气象数据，即选择连续n年(n≥10)的逐日日平均干球温度tm,i(1≤m≤n,1≤i≤365)，并形成下式所列的n个数列：
Figure BDA0002615593570000051
步骤S2，根据连续n年的逐日日平均干球温度tm,i确定自然通风设计室内设计温度；包括确定室内降温需求温度ti,cr和室内空调需求温度ti,acr。
可采用国际标准(DIN EN 15251:2007)中的热舒适适应性模型再结合相关风速补偿模型确定室内降温需求温度与室内空调需求温度。
步骤S3，依据室内设计温度确定室外判定温度；
初步潜力分析阶段时，选用步骤S3a，具体包括以下步骤：
S3a：降温日室外判定温度与过热日室外判定温度各自与室内降温需求温度ti,cr和室内空调需求温度ti,acr相等；
ti,cr＝to,cr＜to,j＜to,acr＝ti,acr (2)
式中，to,cr表示降温日室外判定温度；to,acr表示过热日室外判定温度。
建筑方案设计阶段时，选用步骤S3b，具体包括以下步骤：
S3b-1：基于室内设计温度通过室内外传热方程确定自然通风设计室外判定温度to,j；
Figure BDA0002615593570000061
式中，Qi表示室内内热源散热量与透过窗进入室内的太阳辐射得热量之和，W；∑UA表示各围护结构传热系数与其面积的乘积之和，W/℃；
Figure BDA0002615593570000066
表示透过窗户缝隙渗透的空气质量流量，kg/s；cp表示空气的定压比热容，kJ/(kg·℃)。
S3b-2：确定舒适通风设计(用于居住建筑)室外判定温度to,cv；
Figure BDA0002615593570000067
式中，Qi,cr表示透过窗户进入室内的太阳辐射得热量与室内内热源产热之和，W；Qi,acr表示不需要窗框及玻璃修正的进入室内的太阳辐射得热量与室内内热源产热之和，W；
Figure BDA0002615593570000062
表示开窗通风情况下的空气质量流量，kg/s。
S3b-3：确定夜间通风设计(用于办公建筑)室外判定温度to,nv：
Figure BDA0002615593570000063
步骤S4，比对得到累计频次，设定判定频次，得到自然通风设计适用期；
S41，将日平均干球温度tm,i与该天的室外判定温度
Figure BDA0002615593570000064
进行对比，若
Figure BDA0002615593570000065
则记累计频次k＝1，反之计k＝0，形成下式所列的n个数列：
Figure BDA0002615593570000071
S42，将n年中各相同日期的结果进行累加后形成下面2个数列：
Figure BDA0002615593570000072
Figure BDA0002615593570000073
S43，设判定频次kd＝1,2,…,n，选取式(5)中
Figure BDA0002615593570000074
的第一日与最后一日，其积日数分别记为Ncrpf与Ncrpl，对应日期即为当地降温时段的起止日期；同时选取式(6)中
Figure BDA0002615593570000075
的第一日与最后一日，其积日数分别记Nacrpf与Nacrpl，对应日期即为当地空调时段的起止日期；
S44，对于判定频次的选取，绘制通风天数随累计频次变化的曲线，选择线上斜率变化最为明显的点代表可进行通风的天数在该频次变化最为明显，取该频次作为判定频次kd；
S45，得到自然通风设计适用期NVP：
NVP＝[降温时段开始日积日数Ncrpf～空调时段开始日积日数Nacrpf]
+[空调时段结束日积日数Nacrpl～降温时段结束日积日数Ncrpl]。
同样地，采用上述方法即可获得当地的舒适通风适用期、夜间通风适用期。
步骤S5，将自然通风适用期内各参数进行累30年平均便得到该地自然通风设计室外计算参数。
下面以广州地区自然通风设计室外计算参数的获得为例进行说明。
(1)初步潜力分析阶段时广州地区自然通风设计室外计算参数的确定。
S1，获取1988-2017年广州地区的室外气象数据，即选择连续30年的逐日日平均干球温度，并形成数列；
S2，确定自然通风设计室内设计温度；
S3，选用步骤S3a的方法确定自然通风设计室外判定温度；
S4，将逐日日平均干球温度同室外判定温度比对，得到累计频次，并形成广州地区降温-过热累计频次分布图(图2)和广州地区累计频次-通风天数分布图(图3)，可见其中斜率变化最大的点为图中所示的A、B、C三点，故对应选定的判定频次为3、12、21次，可得到三个不同等级的自然通风设计适用期(初步潜力分析)，分别为1月31日至6月20日及9月9日至11月16日(等级Ⅰ)，5月31日至9月11日(等级Ⅱ)和8月8日至8月9日(等级Ⅲ)。
S5，将得到的自然通风设计适用期内的各参数进行累30年平均便得到该地的自然通风设计室外计算参数(表1)。
表1广州地区自然通风设计室外计算参数(初步潜力分析)
Figure BDA0002615593570000081
(2)建筑方案设计阶段时广州地区自然通风设计室外计算参数的确定。
S1，选择1988-2017年广州地区的室外气象数据，即选择连续30年的逐日日平均干球温度；
S2，确定自然通风设计室内设计温度；
S3，选用步骤S3b的方法确定自然通风设计室外判定温度、舒适通风设计室外判定温度及夜间通风设计室外判定温度；
所选简化建筑模型(图4)的长度、宽度及高度分别为5m、5m及3m、窗墙比为0.4、窗户面积为6m2。
简化建筑模型其余各参数具体取值参考各地居住及办公建筑节能设计标准选取，降温日判定室内总得热量Qi,cr＝降温日判定太阳辐射得热量Qi,crs+内热源散热量Qi,hs；过热日判定室内总得热量Qi,oh＝过热日判定太阳辐射得热量Qi,ohs+内热源散热量Qi,hs。对于办公建筑(表2)，内热源散热量Qi,hs＝人员散热量Qi,pe+设备散热量Qi,e+照明散热量Qi,l，Qi,pe＝人数×群集系数×人体散热量(26℃时)＝2.5×0.96×61＝146.4W，Qi,eq＝设备功率密度×房间面积＝15×25＝375W，Qi,l＝照明功率密度×房间面积＝9×25＝225W。对于居住建筑(表3)，内热源散热量为3.8W/m2。
表2广州地区办公建筑参数表
Figure BDA0002615593570000091
表3广州地区居住建筑参数表
Figure BDA0002615593570000092
Figure BDA0002615593570000101
S4，将室外判定温度同逐日日平均干球温度进行比对，得到累计频次；选取判定频次，得到自然通风设计适用期；对近30年的降温及过热日的判定结果进行累计，做一条平行于横轴的直线并取其与两条累计频次折线的交点(此处以判定频次kd＝5次为例)，得到在此判定频次下的广州地区自然通风适用期为6月19日至9月1日(图5)。也可得到广州地区的舒适通风、夜间通风降温—过热日累计频次分布图(图6及图7)；绘制通风天数随累计频次变化的曲线(图8、图9及图10)，选择线上斜率变化最为明显的点作为该地最合适的判定频次。
S5，最后将自然通风设计适用期内各参数进行累30年平均便得到广州地区自然通风设计室外计算参数、舒适通风设计及夜间通风设计室外计算参数(表4)。
表4广州地区自然通风设计室外计算参数(方案设计阶段)
Figure BDA0002615593570000102
从以上实施例、表1-4和附图1-10可以看出，本发明提供的自然通风设计室外计算参数确定方法，以方案设计阶段的广州为例，自然通风设计适用期为5月26日至9月20日，室外计算温度为28.3℃，室外计算风速为1.7m/s，室外计算相对湿度为79.4％，通风天数为118天。该方法能够帮助建筑师确定包括自然通风适用期在内的自然通风设计室外计算参数，填补现今自然通风设计室外计算参数方面存在的空白，为建筑师进行自然通风的定量化设计提供依据。
进一步，本发明还提供了一种自然通风设计室外计算参数生成设备，该设备包括用于存储可执行程序代码存储器，以及用于读取存储器中存储的可执行程序代码以执行自然通风设计室外计算参数确定方法的一个或多个处理器。
上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (10)

1.一种自然通风设计室外计算参数确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，获取当地气象数据，选择连续n年的逐日日平均干球温度tm,i；
S2，根据连续n年的逐日日平均干球温度tm,i确定室内设计温度ti,s；
S3，依据室内设计温度ti,s确定室外判定温度：
初步潜力分析阶段时，确定降温日室外判定温度与过热日室外判定温度分别与室内降温需求温度ti,cr和室内空调需求温度ti,acr的关系；
建筑方案设计阶段时，确定自然通风设计室外判定温度to,j、确定用于居住建筑室外判定温度to,cv和确定用于办公建筑室外判定温度to,nv；
S4，比对不同温度得到累计频次，设定判定频次，得到自然通风设计适用期；
S5，得到自然通风设计室外计算参数。
2.根据权利要求1所述一种自然通风设计室外计算参数确定方法，其特征在于，步骤S1具体包括：选择连续n年的逐日日平均干球温度tm,i，n≥10，1≤m≤n,1≤i≤365，并形成下式所列的n个数列：
Figure FDA0002615593560000011
3.根据权利要求1所述一种自然通风设计室外计算参数确定方法，其特征在于，步骤S2中，确定室内设计温度ti,s，包括确定室内降温需求温度ti,cr和室内空调需求温度ti,acr。
4.根据权利要求1所述一种自然通风设计室外计算参数确定方法，其特征在于，步骤S3中，初步潜力分析阶段时，降温日室外判定温度与过热日室外判定温度分别与室内降温需求温度ti,cr和室内空调需求温度ti,acr相等；
ti,cr＝to,cr＜to,j＜to,acr＝ti,acr (2)
式中，to,cr表示降温日室外判定温度；to,acr表示过热日室外判定温度。
5.根据权利要求1所述一种自然通风设计室外计算参数确定方法，其特征在于，步骤S3中，建筑方案设计阶段时，室内设计温度ti,s通过室内外传热方程确定自然通风设计室外判定温度to,j；
Figure FDA0002615593560000021
式中，Qi表示室内内热源散热量与透过窗进入室内的太阳辐射得热量之和，W；∑UA表示各围护结构传热系数与其面积的乘积之和，W/℃；
Figure FDA0002615593560000024
表示透过窗户缝隙渗透的空气质量流量，kg/s；cp表示空气的定压比热容，kJ/(kg·℃)。
6.根据权利要求5所述一种自然通风设计室外计算参数确定方法，其特征在于，步骤S3中，建筑方案设计阶段时，确定用于居住建筑室外判定温度to,cv，即确定舒适通风设计室外判定温度to,cv；
Figure FDA0002615593560000022
式中，to,cr表示降温日室外判定温度；Qi,cr表示透过窗户进入室内的太阳辐射得热量与室内内热源产热之和，W；Qi,acr表示不需要窗框及玻璃修正的进入室内的太阳辐射得热量与室内内热源产热之和，W；
Figure FDA0002615593560000023
表示开窗通风情况下的空气质量流量，kg/s；to,acr表示过热日室外判定温度；ti,acr表示室内空调需求温度。
7.根据权利要求6所述一种自然通风设计室外计算参数确定方法，其特征在于，步骤S3中，建筑方案设计阶段时，确定用于办公建筑室外判定温度to,nv，即确定夜间通风设计室外判定温度to,nv：
Figure FDA0002615593560000031
式中，to,cr表示降温日室外判定温度。
8.根据权利要求1所述一种自然通风设计室外计算参数确定方法，其特征在于，步骤S4具体包括以下步骤：
S41，将日平均干球温度tm,i与该天的室外判定温度
Figure FDA0002615593560000035
进行对比，若
Figure FDA0002615593560000036
则记累计频次k＝1，反之则计k＝0，形成下式所列的n个数列：
Figure FDA0002615593560000032
S42，将n年中各相同日期的结果进行累加后形成下面2个数列：
Figure FDA0002615593560000033
Figure FDA0002615593560000034
S43，设判定频次kd＝1,2,…,n，选取式(5)中
Figure FDA0002615593560000037
的第一日与最后一日，其积日数分别记为Ncrpf与Ncrpl，对应日期即为当地降温时段的起止日期；同时选取式(6)中
Figure FDA0002615593560000038
的第一日与最后一日，其积日数分别记Nacrpf与Nacrpl，对应日期即为当地空调时段的起止日期；
S44，对于判定频次的选取，绘制通风天数随累计频次变化的曲线，选择线上斜率变化最为明显的点代表可进行通风的天数在该频次变化最为明显，取该频次作为判定频次kd；
S45，得到自然通风设计适用期NVP：
NVP＝[降温时段开始日积日数Ncrpf～空调时段开始日积日数Nacrpf]
+[空调时段结束日积日数Nacrpl～降温时段结束日积日数Ncrpl]。
9.根据权利要求1所述一种自然通风设计室外计算参数确定方法，其特征在于，步骤S5具体包括：将自然通风适用期内各参数进行累30年平均，便得到该地的自然通风设计室外计算参数。
10.一种自然通风设计室外计算参数生成设备，其特征在于，包括：
存储器，用于存储可执行程序代码；
一个或多个处理器，用于读取所述存储器中存储的可执行代码以执行如权利要求1至9中任一项所述的自然通风设计室外计算参数确定方法。
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