論文作者：劉小波 陳友明
 
    摘要：本文介紹了混合通風(fēng)產(chǎn)生的背景及定義，對現(xiàn)有混合通風(fēng)在建筑中的應(yīng)用進(jìn)行了概述，并簡要介紹了控制方法和分析方法，指出了混合通風(fēng)發(fā)展的障礙。

    關(guān)鍵詞：混合通風(fēng) 自然通風(fēng) 機(jī)械通風(fēng)

    0引言

　　通風(fēng)的主要目的是提供新風(fēng)和排出受污染空氣。機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)能夠提供穩(wěn)定的新風(fēng)，在不受外部環(huán)境干擾的情況下，確保室內(nèi)空氣品質(zhì)（IAQ）和熱舒適。然而，機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)安裝費(fèi)用高，操作復(fù)雜；風(fēng)機(jī)要消耗大量的能量；呈上升趨勢的病態(tài)建筑綜合癥以及由于消耗大量能量引起的溫室效應(yīng)等等問題的出現(xiàn)，最終導(dǎo)致這種傳統(tǒng)的通風(fēng)模式受到了質(zhì)疑。

　　對于機(jī)械通風(fēng)所產(chǎn)生的問題，如噪音、健康問題、日常維護(hù)和能源消耗等，可通過自然通風(fēng)得以解決。自然通風(fēng)更易為使用者所接受，能提供更節(jié)能的且健康、舒適的室內(nèi)環(huán)境。然而傳統(tǒng)自然通風(fēng)系統(tǒng)，氣流控制非常有限，不能達(dá)到現(xiàn)代建筑舒適要求。

　　近年來出現(xiàn)的混合通風(fēng)為自然、機(jī)械通風(fēng)建筑所存在的問題提供了一種全新的解決方法?；旌贤L(fēng)結(jié)合了自然和機(jī)械通風(fēng)各自的優(yōu)點(diǎn)，在滿足日益嚴(yán)格的空氣品質(zhì)要求的同時還具有環(huán)保節(jié)能的特點(diǎn)。

　　國際能源組織于1997年6月通過了關(guān)于在新建以及改建建筑中應(yīng)用混合通風(fēng)的計劃Annex 35。自1998年8月開始的四年里，15個參與國對混合通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了積極的先導(dǎo)性研究。Annex 35的目的在于促進(jìn)混合通風(fēng)的節(jié)能增效，為建筑中混合通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行提供控制和預(yù)測分析方法[1]。

    1混合通風(fēng)的定義及目的

　　在一年中不同的季節(jié)或是一天中不同的時間段，混合通風(fēng)系統(tǒng)變換使用不同的通風(fēng)系統(tǒng)部分，及時地、最大限度地利用周邊環(huán)境以降低能耗。它與傳統(tǒng)通風(fēng)系統(tǒng)最大的區(qū)別在于混合通風(fēng)系統(tǒng)中設(shè)置了智能控制系統(tǒng)，能自動切換自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)以減少能耗[2]。表1列出的是在Annex 35中通過的混合通風(fēng)的定義和目的。

    表1 混合通風(fēng)的定義和目的

    2現(xiàn)有混合通風(fēng)建筑的概述

　　目前全世界已經(jīng)建造了一些混合通風(fēng)建筑，如丹麥的Bang & Olufsen 指揮中心等分布在10個不同國家的22座建筑[3]，而且還有許多正處于計劃或是建造中?，F(xiàn)階段的混合通風(fēng)研究主要是如何使用控制方法以及分析方法保證建筑良好的IAQ和熱舒適度，以及對其組成部分進(jìn)行研究探討。通過對現(xiàn)有混合通風(fēng)建筑的觀察，可以很清楚地發(fā)現(xiàn)，一個成功的混合通風(fēng)設(shè)計是一種整體化設(shè)計。設(shè)計中還可能需輔助以建筑設(shè)計和熱設(shè)計等。

　　這些先導(dǎo)性混合通風(fēng)建筑主要是低層建筑（除日本東京明治大學(xué)），一般位于低、中等含塵濃度及噪聲污染的區(qū)域。

　　建筑中的控制方法通常是基于溫度控制，某些建筑特別是學(xué)校還進(jìn)行CO2控制。建筑通風(fēng)口和風(fēng)機(jī)可采用手動或者自動控制?；旌贤L(fēng)的研究需要更多的對控制方法實(shí)際應(yīng)用的反饋信息，如通風(fēng)口自動操作的可靠性等類似問題。

　　在大多數(shù)建筑中，混合通風(fēng)基本組成包括風(fēng)機(jī)、CO2和溫度傳感器、手動或是自動操作的門窗及其它特殊通風(fēng)口（如通風(fēng)塔等）。其中有些建筑還利用地下風(fēng)道、地下管路或是地下靜壓室來預(yù)處理新風(fēng)。

　　一些建筑成功地應(yīng)用混合通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了改建。由于辦公設(shè)備、低效的照明系統(tǒng)、高人員密度和大量的日照負(fù)荷等造成室內(nèi)負(fù)荷的上升，許多辦公建筑在夏天過熱或者必須消耗大量能量來維持可接受的室溫。為解決這些問題，建筑需要安裝新的空調(diào)系統(tǒng)來取代建筑中的自然通風(fēng)系統(tǒng)或者現(xiàn)有的空調(diào)系統(tǒng)。在通風(fēng)系統(tǒng)翻新中，混合通風(fēng)在能源消耗和使用者滿意度方面的優(yōu)勢使得混合通風(fēng)的推廣應(yīng)用很有潛力。

　　研究表明，混合通風(fēng)能夠提供良好的IAQ、卓越的節(jié)能性能、宜人的舒適度、滿意的運(yùn)行效果。當(dāng)然其中某些建筑的混合通風(fēng)控制方法還需要改進(jìn)，例如不當(dāng)?shù)目刂品椒〞?dǎo)致噪音和吹風(fēng)感等問題。

    3控制方法

　　混合通風(fēng)結(jié)合了自然和機(jī)械通風(fēng)兩種通風(fēng)模式，因此需控制的項(xiàng)目較多。主要包括以下項(xiàng)目：

    1自然通風(fēng)

    2機(jī)械通風(fēng)

    3兩種通風(fēng)模式的轉(zhuǎn)換

    4自然通風(fēng)中輔助風(fēng)機(jī)

    5夜間冷卻

　　無論采取何種控制系統(tǒng)，控制參數(shù)的定義和選擇是控制方法設(shè)計的重點(diǎn)。根據(jù)控制的目的不同（舒適度，IAQ，能量等），混合通風(fēng)控制包括溫度、壓降、濃度、氣流速度等參數(shù)的測定。而通風(fēng)模式切換策略是混合通風(fēng)系統(tǒng)整體節(jié)能的關(guān)鍵。

　　控制方法主要分為三種：經(jīng)典控制方法、最優(yōu)和預(yù)見性控制、先進(jìn)控制方法[4]-[7]。混合通風(fēng)控制是多種控制技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用，包括簡單的開關(guān)控制到先進(jìn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制或是模糊控制等。

    1 經(jīng)典控制方法：相對簡單，但有很多的限制，參數(shù)不能多于一個。對外部擾動敏感。

    2 最優(yōu)和預(yù)見性控制方法：克服了經(jīng)典控制的一些局限，但是沒有發(fā)展到規(guī)?；a(chǎn)水平。

    3 先進(jìn)控制方法：包括模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。它結(jié)合了專家控制系統(tǒng)知識，能控制多個參數(shù)，并能控制那些定義不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膮?shù)（如舒適指數(shù)）。

　　一般控制系統(tǒng)，如建筑能源管理系統(tǒng)（BEMS）由現(xiàn)場層、自動控制層、管理層、用戶層四層組成。現(xiàn)場層包括建筑所有設(shè)備，如傳感器和執(zhí)行器；自動層包括通過網(wǎng)絡(luò)互連的局部控制裝置，與監(jiān)視器相連；管理層在能量分析、警報、確定設(shè)定值等方面起關(guān)鍵作用；用戶層包括建筑管理者和使用者。

圖1 建筑能源管理系統(tǒng)（BEMS）

    4分析方法

    4.1分析方法的功能和應(yīng)用

　　通風(fēng)系統(tǒng)要滿足新風(fēng)供給要求，同時通過有效的氣流形式滿足IAQ和室內(nèi)溫度標(biāo)準(zhǔn)。通過正確設(shè)計和控制，混合通風(fēng)系統(tǒng)能提高居住者滿意度，降低能耗，降低生命周期費(fèi)用，有時還能降低原始投資(Arnold,1996)。分析是正確地設(shè)計和控制混合通風(fēng)的關(guān)鍵，從混合通風(fēng)的設(shè)計到運(yùn)行各個階段都貫穿了分析方法。

　　在概念設(shè)計階段，建筑師和工程師需決定基本通風(fēng)模式；在初步設(shè)計階段，工程師需快速估算通風(fēng)系統(tǒng)大小和對設(shè)計選擇進(jìn)行評價；在施工圖設(shè)計階段，工程師需設(shè)計通風(fēng)系統(tǒng)細(xì)節(jié)和選擇最佳設(shè)計參數(shù)；在運(yùn)行階段，管理者需借助分析方法對整個系統(tǒng)性能進(jìn)行評估。

　　用來評價機(jī)械和自然通風(fēng)系統(tǒng)的分析方法的主要任務(wù)有：

    1 估量自然和機(jī)械通風(fēng)模式的通風(fēng)系統(tǒng)，包括其中的通風(fēng)口、風(fēng)道、風(fēng)機(jī)等；

    2 評價整個建筑或是穿過通風(fēng)口的氣流速度；

    3 分析整個建筑每間房間的氣流流型；

    4 選擇控制方法和通風(fēng)方法，以達(dá)到能量最省并滿足IAQ和熱舒適要求。

　　由于混合通風(fēng)系統(tǒng)的研究還不成熟，所以幾乎沒有專門關(guān)于混合通風(fēng)分析方法的文獻(xiàn)。但是從原理上講，大多數(shù)應(yīng)用于自然或是機(jī)械通風(fēng)的分析方法同樣也是適合于混合通風(fēng)的。

　　分析方法分為簡單分析和經(jīng)驗(yàn)分析方法、單個或多個區(qū)域分析方法、帶狀分析方法及計算流體動力學(xué)（CFD）分析方法等。

    （1） 簡單分析和經(jīng)驗(yàn)分析方法。靈活易用，需要相對少的輸入數(shù)據(jù)，能綜合分析熱和風(fēng)現(xiàn)象。該方法非常適合靈敏分析[8]-[11]。

    （2） 單個或者多個區(qū)域分析方法。多區(qū)域分析方法使用了一種網(wǎng)格處理手段，把建筑分成多個區(qū)域，區(qū)域的邊界表現(xiàn)外部環(huán)境。氣流通道，如窗戶、門、豎井連接形成網(wǎng)絡(luò)。如果建筑內(nèi)部通風(fēng)口面積足夠大，建筑近似地認(rèn)為是單區(qū)域，否則為多區(qū)域[12]-[13]。多區(qū)域分析方法對具有多房間建筑的流體模擬十分有效。但是，它不能預(yù)計建筑每個區(qū)域的具體流體形式。

    （3） 帶狀分析方法。帶狀方法可以認(rèn)為是多區(qū)域和CFD兩種分析方法的過渡。帶狀方法能提供一個空間內(nèi)溫度剖面，用于預(yù)測輻射和對流系統(tǒng)的熱舒適度，提供較精確設(shè)計信息和確定輻射和對流系統(tǒng)的大小，對混合通風(fēng)系統(tǒng)壓力流和對流組件性能進(jìn)行評估[14]-[15]。

    （4） 計算流體動力學(xué)方法（CFD）。CFD能預(yù)計每間房間或者建筑的每個劃分區(qū)的具體流體信息。CFD技術(shù)對于建筑內(nèi)部和周圍的氣流運(yùn)動預(yù)測效果突出，并能非常詳細(xì)地分析在通風(fēng)空間的氣流流型和污染物分布。因此，CFD在通風(fēng)工程界被稱為現(xiàn)場模擬工具[16]-[19]。

    4.2分析方法的問題和發(fā)展

　　現(xiàn)階段，分析方法存在不少問題。

    ①分析方法的種類很多，從簡單的到精密復(fù)雜的，廣泛應(yīng)用于建筑自然和機(jī)械通風(fēng)設(shè)計及評估。盡管這些分析方法大多數(shù)原則上同樣適用于混合通風(fēng)分析，但是目前并沒有關(guān)于專門應(yīng)用于混合通風(fēng)的分析方法的文獻(xiàn)資料。每種方法在通風(fēng)分析和設(shè)計中都有其自身的應(yīng)用空間，但沒有一種通用方法。

    ②需要輸入的很多數(shù)據(jù)如建筑周圍的風(fēng)壓系數(shù)和通過大通風(fēng)口氣流的換熱系數(shù)等等不易得到，且多是經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，不全面也不準(zhǔn)確。

    ③混合通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行中，有很多隨機(jī)影響因素，而現(xiàn)在并沒有成熟的概率方法對此進(jìn)行分析。

    ④缺少評估分析方法和系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)。

  　總體上講，混合通風(fēng)分析方法今后的發(fā)展方向是：

    ①在風(fēng)和熱模式的聯(lián)合中加入控制方法

    ②在風(fēng)和熱模式的聯(lián)合中考慮熱梯度

    ③現(xiàn)有的物理模式中引入隨機(jī)影響因素，發(fā)展概率分析方法

    ④開發(fā)估算通風(fēng)通風(fēng)口面積的新方法

    ⑤建立通過大風(fēng)口的風(fēng)壓流和估計風(fēng)壓系數(shù)的模型

    ⑥校正輸入數(shù)據(jù)（如交換系數(shù)，壓力系數(shù)等）

    ⑦建立一系列分析系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果和評價分析方法的基準(zhǔn)

    5混合通風(fēng)發(fā)展的主要障礙

　　通風(fēng)系統(tǒng)的費(fèi)用是通風(fēng)系統(tǒng)選擇的主要決定因素?；旌贤L(fēng)的原始投入要比機(jī)械通風(fēng)高。但混合通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)之間的費(fèi)用比較不能僅僅簡單地看原始投入，而應(yīng)當(dāng)通過由原始投入、運(yùn)行費(fèi)用、維護(hù)和修理費(fèi)用組成的生命周期費(fèi)用(LLC)進(jìn)行比較。為得到更多的關(guān)于混合通風(fēng)系統(tǒng)生命周期費(fèi)用數(shù)據(jù)，研究工作者正從不同的先導(dǎo)性混合通風(fēng)建筑中收集混合通風(fēng)系統(tǒng)的費(fèi)用信息。

　　通常，國家不會嚴(yán)格限制使用自然或是混合通風(fēng)，但是在特殊場合，如城市污染嚴(yán)重或地表存在氡等情況下，就會要求或者推薦使用機(jī)械通風(fēng)。一些國家（澳大利亞、德國、挪威等）要求較高的換氣率，這就意味著通風(fēng)系統(tǒng)需要較大的風(fēng)機(jī)功率?；旌贤L(fēng)基本上都是依靠自然風(fēng)力，不能保證高且穩(wěn)定的換氣率。

　　一些國家（挪威、丹麥、瑞典等）推薦的CO2水平要求少于1000ppm，這就意味著需要大量的新風(fēng)。對于處于低污染區(qū)域，這樣將造成大量的能源浪費(fèi)。

　　防火排煙法規(guī)是混合通風(fēng)現(xiàn)階段最大的障礙。關(guān)于這方面的法規(guī)條例，國家一般是要求強(qiáng)制執(zhí)行的?；旌贤L(fēng)建筑要求通風(fēng)口面積大，這往往提高了煙和火的蔓延速度。設(shè)計師須小心設(shè)計以達(dá)到混合通風(fēng)系統(tǒng)對通風(fēng)口面積要求并滿足防火排煙法規(guī)條例。只要安裝自動防火噴淋裝置等補(bǔ)償性設(shè)備，防火規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)通常是可以達(dá)到的，但這些防火設(shè)備的安裝，意味著混合通風(fēng)比機(jī)械通風(fēng)在此方面要有更大的投入。

　　其它?；旌贤L(fēng)系統(tǒng)的組件如換熱器、熱回收裝置、通風(fēng)口等需要定做而不能進(jìn)行規(guī)模化生產(chǎn)；混合通風(fēng)缺乏設(shè)計工具和參考方法，只有少數(shù)經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計師才有能力進(jìn)行設(shè)計，大多數(shù)設(shè)計師可能不采用混合通風(fēng)而選擇他們更為熟悉的機(jī)械通風(fēng)；混合通風(fēng)熱回收效率比較低，有可能導(dǎo)致較機(jī)械通風(fēng)更多的供熱能耗；混合通風(fēng)安裝了少量的風(fēng)機(jī)，可能對外界環(huán)境和使用者通風(fēng)需求響應(yīng)速度較慢；氣流路徑的短循環(huán)、使用者對于IAQ和熱舒適的擔(dān)憂等等問題也成為了混合通風(fēng)的障礙[20]-[21]。

表2中列出了混合通風(fēng)存在的主要問題[1]。

　　盡管混合通風(fēng)的發(fā)展存在許多阻礙，但它作為一種全新的通風(fēng)模式，以其自身具有的自然和機(jī)械通風(fēng)所不能替代的優(yōu)勢，必將對通風(fēng)系統(tǒng)的不斷完善和發(fā)展起到積極的推動作用

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