气流建模方法对不同气候条件下住宅建筑能耗的影响研究

《Buildings》：Impact of Airflow Modelling Approaches on Residential Building Energy Demand Under Different Climatic Conditions

　　

在建筑能耗计算中，室外空气流动可采用法规规定的固定假设或基于气象的经验模型与压力网络方法进行表征，所选方法会影响最终计算的能源需求。本研究比较了五种方法在一栋四层住宅参考建筑中的应用：国家保温标准中采用的基于建筑面积的室外空气流量规定假设（M1）、两种经验渗风模型（M2-M3）以及分别采用解析查表法或风洞导出压力系数的两种气流网络模型（M4-M5）。研究人员选取六个代表性城市，采用基于2009-2023年数据的典型气象年文件及区域围护结构配置进行了模拟。相对于M1，M5在两种气候条件下产生更高的年室外空气流量，在四种气候条件下产生更低的流量，同时所有条件下的制冷需求增加0.97%-14.48%。在相同的渗漏网络和15°风向间隔条件下，M5产生的年换气次数和供暖需求分别比M4高3.40%-4.17%和2.26%-10.98%。因此，气流模型选择的影响取决于气候条件以及所考虑的供暖或制冷组件。这些发现突显了在解释简化标准室外空气假设与详细气流模型之间的差异时，需结合每种方法的适用范围和基本假设进行理解的重要性。

气流建模方法对住宅建筑能耗影响的研究解读

一、研究背景与研究意义

建筑能耗计算中，室外空气进入量是决定供暖期显热损失以及制冷期显热与潜热负荷的关键因素之一。自然通风可以改善室内热舒适度和空气质量，同时降低能耗，因此在设计阶段验证其有效性至关重要。然而，室外空气也可通过建筑围护结构的非预期渗漏路径进入建筑内部，从而影响供暖和制冷能量需求。

目前用于评估建筑能耗的气流建模方法多种多样，从简单的解析方程到复杂的计算流体力学方法均有应用。具体而言，标准化的简化方法基于建筑面积或规定的恒定流速运行；经验渗风模型直接考虑温差和风速的影响；而压力网络模型则考虑了建筑表面压力的方向性分布以及各流动路径间的质量平衡。因此，对于相同的建筑和气候条件，所选择的模型形式会改变年均换气次数和能源需求。

在基于压力网络的气流模型中，风压系数是定义外部压力边界条件的重要输入参数。获取风压系数可通过全尺寸现场测量，但该方法成本高昂且耗时。作为替代实验方法，风洞试验能够在控制风速、方向和湍流特性的条件下确定风压系数值。现有研究表明，风压系数的来源和定义方式会影响气流预测结果，而渗风模型和校准输入的选择也会影响计算出的换气率和能源需求。

然而，以往研究通常分别考察简化的室外空气假设、经验渗风模型或压力网络方法，缺乏在同一建筑和运行条件下跨不同气候对这些方法的受控对比分析，特别是当隔离压力系数来源的影响时更为有限。为此，研究人员开展本研究，旨在同一EnergyPlus框架内比较五种气流建模方法在六种气候条件下的表现，并通过匹配的M4-M5分析、固定围护结构控制以及敏感性分析，分别评估压力系数表征、气候、建筑围护结构和渗漏网络假设的影响。

二、主要技术方法

本研究采用基于EnergyPlus的比较模拟方法，涉及一栋参考住宅建筑、代表土耳其六个气候区的条件以及五种不同的室外气流建模方法。基准比较辅以受控敏感性分析，考察风压系数表征和渗漏网络假设的影响。五种方法包括：土耳其国家保温标准TS 825:2024规定的基于建筑面积的室外空气流量假设（M1）、两种经验渗风模型即Sherman-Grimsrud有效渗漏面积公式（M2）和AIM-2流量系数公式（M3）、以及两种气流网络模型即采用解析查表压力系数的方法（M4）和采用东京理工大学风洞测量所得面积加权压力系数的方法（M5）。研究使用基于2009-2023年数据的典型气象年文件，并针对六个城市配置了相应的区域围护结构热工性能参数。敏感性分析涵盖了围护结构气密性、压力-流量指数、屋顶渗漏比例以及楼层间气流连接等因素。

三、研究结果

3.1 压力系数表征比较

研究发现，M4采用的解析查表法与M5采用的TPU测量推导法在风压系数上表现出相似的迎风-背风模式，但在系数大小和方向变化方面存在差异。西立面M4系数范围为-0.681至0.603，M5范围为-0.742至0.702。平屋顶系数在所有方向上均为负值，M4系列范围为-0.700至-0.550，M5系列范围更窄，为-0.712至-0.639。

3.2 基准室外空气流量对比

模型排序在不同气候区域间存在差异。M1表现出相对有限的区域变化，ACH_ref范围为0.197-0.232 h^-1；而依赖天气的模型变化范围更宽，M4为0.116-0.257 h^-1，M5为0.120-0.268 h^-1。M5在伊兹密尔和伊斯坦布尔分别超过M1达16.78%和12.89%，但在其他四个城市低于M1达20.61%-39.35%。在所有城市中，M5始终高于M4，差异范围为3.40%-4.17%。

3.3 基准供暖与制冷需求

年度供暖需求总体上从温暖地区向寒冷地区递增，而制冷需求则递减。所有模型在安塔利亚产生最高制冷需求，在埃尔祖鲁姆产生最高供暖需求。在基准城市-区域围护结构配置下，所有城市的制冷需求均高于供暖需求。M5在安塔利亚和伊斯坦布尔产生最高供暖需求，而在安卡拉和埃尔祖鲁姆由M1产生最高供暖需求。M5在所有城市产生的制冷需求均高于M1，差异从安塔利亚的0.97%增至锡瓦斯的14.48%。

3.4 压力系数表征的匹配效应

通过保持相同渗漏网络、流量指数、气象数据和模拟设置，仅改变外部压力系数输入，M5在所有六个气候区均产生比M4更高的年ACH_ref，绝对增幅为0.0040-0.0106 h^-1，对应相对差异3.40%-4.17%。M5的供暖需求在所有城市也更高，相对差异从埃尔祖鲁姆的2.26%到安塔利亚的10.98%。制冷需求响应较小且方向混合，总热需求差异有限，范围为-0.05%至0.57%。

3.5 屋顶渗漏分布与楼层间连接敏感性

在162个匹配对比案例中，M5在所有情况下均产生比M4更高的年ACH_ref，城市特定相对差异范围为1.765%-7.386%。供暖需求在161个案例中高于M4，而制冷需求的方向取决于气候。方差分解表明，年ACH_ref变异性主要由围护结构气密性主导，其主效应份额为57.29%；供暖需求变异性由城市/区域围护结构因子主导，占比54.04%；制冷和总热需求更强烈地受城市/区域围护结构控制，主效应份额分别为96.43%和84.48%。

3.6 地面传热方法敏感性

在埃尔祖鲁姆的对比中，Foundation:Kiva模型相比月平均地温法使M1的供暖需求降低8.67%，M5降低10.71%，同时使制冷需求分别增加4.27%和4.33%。由于供暖和制冷响应方向相反，对总热需求的影响较为有限，M1减少1.60%，M5减少0.78%。

3.7 城市-模型交互作用

使用固定伊斯坦布尔围护结构重复比较后，模型差异的主要跨城市格局基本保留。M4和M5在CR1-CR3仍产生高于M1的供暖需求，在CR4-CR6产生较低供暖需求。然而，基线状态下所有城市制冷需求高于供暖需求的发现在埃尔祖鲁姆不再成立，表明供暖-制冷平衡受到天气和区域围护结构配置的共同影响。

3.8 方向分辨率与流量指数敏感性

将压力系数间隔从30°细化至15°，年ACH_ref增加1.23%-2.86%。M5在两个间隔下均产生高于M4的年ACH_ref，匹配差异在30°时为2.41%-3.28%，在15°时为3.40%-4.17%。在流量指数实验中，相对于n=0.67，n=0.60使年ACH_ref增加15.10%-24.60%，n=0.80使其减少21.12%-32.47%。M5在所有18个匹配的城市-指数对比中均保持高于M4的年ACH_ref，差异为2.77%-6.60%。

四、讨论与结论

讨论部分指出，气流模型选择不会在所有气候区域产生可比大小的单向偏差。恒定面积比室外空气方法M1在各城市间产生较窄的ACH_ref范围，而经验模型M2-M3相对于M1既可产生较高也可产生较低的值，取决于城市。压力网络模型M4和M5在伊兹密尔和伊斯坦布尔超过M1，但在其他区域低于M1。这表明模型间差异不能归因于单一的缩放效应，而是反映了它们对风速、风向和室内外温差等气象变量的不同响应。

固定围护结构对照分析进一步证实了气候与模型选择之间的交互作用。即使建筑几何形状、气密性和热工围护结构属性保持不变，M4和M5仍在CR1-CR3相对于M1产生正的供暖需求差异，在CR4-CR6产生负差异。这一结果表明，观测到的变异不能完全归因于TS 825:2024气候区域分配的围护结构属性，而是指向了气象强迫与模型表述之间的相互作用。

M4与M5的比较分离了压力系数表征的影响。M5在所有162个敏感性案例中均保持较高的年ACH_ref，但这种系统性的气流增加并未同等幅度地传递到供暖和制冷需求上。M5在161个案例中产生高于M4的供暖需求，而制冷和总热需求差异仍然很小。这表明压力系数直接影响气流，但其对年度能源指标的影响可能部分被气候和季节负荷平衡所调节。

研究结论如下：本研究表明，气流模型的选择不仅影响计算的室外换气率，还影响这种气流如何在不同气候条件下转化为供暖和制冷需求。在六个选定的城市-围护结构配置中，标准化室外空气方法并不一致地产生比压力基础模型更高或更低的热需求。同一模型可能在温暖地区增加供暖需求，同时在寒冷地区减少供暖需求。因此，气流模型选择的效果应结合气候条件和相关能源组件进行评估，而非仅依据模型详细程度。相对于M1，M5在温暖地区产生更高的供暖需求，但在寒冷地区产生较低的供暖需求，而制冷需求在所有城市增加0.97%-14.48%。总热需求在CR1-CR5增加，但在埃尔祖鲁姆减少。这种反转表明，标准化方法与压力基础模型之间的差异无法用单一校正因子表示。匹配的M4-M5比较显示，压力系数表征对气流的影响是一致的。M5产生的年ACH_ref比M4高3.40%-4.17%，这种增加在所有162个敏感性案例中得以保持。相比之下，制冷和总热需求差异仍然很小，证明气流的一致增加并不会按比例转化为年度能源组件。屋顶渗漏比例的变化和楼层间气流连接的引入改变了模型间差异的大小，但并未系统性逆转与压力系数表征相关的主要气流模式。