超低能耗建筑中置换通风与辐射供暖复合系统的气流组织优化

随着能源危机和环境保护意识的增强，超低能耗建筑作为一种绿色建筑形式，受到了广泛关注。在这种背景下，如何优化建筑的通风与供暖系统，提高能源利用效率，是当前研究的热点问题之一。本文旨在探讨置换通风与辐射供暖复合系统的气流组织优化，通过研究不同气流组织形式对系统性能的影响，为超低能耗建筑的设计与运行提供有效的技木支持。

1 超低能耗建筑的特点与发展现状

1.1 超低能耗建筑概念及特点

超低能耗建筑是指在建筑全生命周期内，通过优化建筑设计、采用高效节能技术和设备，使建筑能耗显著低于常规建筑的新型建筑。其核心特点包括高隔热性，外墙、屋面等围护结构采用高效保温材料，传热系数通常低于 0.15W/(m²⋅K) ，如某被动房项目外墙保温层厚度达 300mm ，有效阻隔室内外热交换；高气密性，通过特殊构造和密封技术，使建筑在 50Pa 压力下的空气渗透量不超过 0.6 次/h，减少冷风渗透和热量散失；高效新风系统，配备热回收装置，热回收效率超 75% ，在引入新鲜空气的同时回收排风中的能量；可再生能源利用，如光伏板、地源热泵等，实现建筑能源的部分或全部自给。这些特点使超低能耗建筑比传统建筑节能 70% 以上，显著降低碳排放。

1.2 能源危机背景下超低能耗建筑的重要性

在全球能源危机和碳中和目标推动下，超低能耗建筑具有关键战略意义。一方面，建筑能耗占全球总能耗的 30%40% ，发展超低能耗建筑可大幅减少能源需求，缓解化石能源短缺压力。如我国建筑能耗年增长率达 5% ，若全面推广超低能耗建筑，预计 2030 年可节省标准煤 10 亿吨/年。另一方面，其是实现“双碳”目标的重要途径，建筑运行阶段碳排放占全国总量的 21.9% ，超低能耗建筑可使单位面积碳排放降低 80% 以上。

1.3 超低能耗建筑发展现状与挑战

当前超低能耗建筑在全球呈快速发展态势。德国被动房标准已认证项目超 5 万栋，我国近三年新建超低能耗建筑项目超 2000 个，总面积超 2000 万㎡。但仍面临诸多挑战：技术层面，高效保温材料成本高，如真空绝热板价格是传统保温材料的 5 倍，增加建筑造价 10%-15% ；施工要求严格，高气密性节点处理复杂，某项目因施工误差导致气密性不达标，能耗增加20% 。经济层面，增量成本使开发商积极性不高，需政府补贴才能盈利，如北京对超低能耗建筑补贴 500 元/㎡。市场层面，公众认知不足，对其舒适性和经济性存在疑虑，某调查显示仅 12% 的购房者了解超低能耗建筑。此外，相关标准体系不完善，不同地区气候差异大，缺乏针对性设计指南，制约其规模化推广。

2 置换通风与辐射供暖复合系统设计原理

2.1 置换通风系统工作原理与优势

置换通风系统基于空气密度差实现气流组织，新鲜空气经处理后以低于室内温度 2-4^∘C 的状态，从地板送风口低速送出，因密度大沉积在房间底部，形成“空气湖”。人员活动产生的热羽流带动污染空气上升，从顶部排风口排出，形成“下送上排”的气流模式。其优势在于：空气品质高，送风直接到达人员活动区，污染物随热羽流排出，某会议室应用后 CO₂浓度低于 600ppm ，优于国标 1000ppm ；热舒适性好，垂直温度梯度小，头部与脚踝温差 ⩽3⩽C ，避免传统空调的吹风感；节能效果显著，送风温差小，能耗比传统全空气系统低 30% ，且可利用低温热源，如土壤源热泵。此外，系统噪声低，送风速度 ⩽0.5m/s ，噪音 ⩽35dB ，适用于办公室、医院等安静场所。

2.2 辐射供暖系统特点与应用

辐射供暖系统通过建筑物内表面（如地板、墙面、天花板）以辐射方式传递热量，其特点是：舒适度高，辐射热交换占比达 60% ，室内温度场均匀，垂直温差 ⩽2⩽C ，如某住宅采用地板辐射供暖，冬季室内温度 18-22C ，体感温暖不干燥；节能性好，供水温度低（ 35-45^∘C ），可利用太阳能、工业余热等低品位热源，比传统散热器供暖节能 20%-30% ；不占用室内空间，美观整洁，便于装修布置；运行安静，无风机噪音，适合卧室、病房等对噪声敏感的场所。该系统广泛应用于住宅、酒店、医院等建筑，在超低能耗建筑中常与置换通风结合，形成复合系统，实现高效供暖与舒适环境的统一。

2.3 复合系统气流组织的影响因素分析

置换通风与辐射供暖复合系统的气流组织受多种因素影响。送风参数方面，送风温度、速度和湿度直接影响“空气湖”形成，送风温度过低易导致地板结露，某项目因送风温度 12^∘C ，地板表面温度 14^∘C ，室内湿度 60% 时出现结露；送风速度超过 0.5m/s 会破坏气流分层，增加混流。辐射板表面温度影响热羽流强度，地板辐射板温度过高（ >28^∘C ）会加剧热羽流上升，导致污染物扩散至人员活动区。房间几何尺寸与内部热源分布也至关重要，高大空间需增加送风口数量，热源集中区域易形成局部涡流，影响污染物排除效率。

3.1 数值模拟在系统优化中的应用

数值模拟是优化复合系统气流组织的有效手段。通过建立计算流体力学（CFD）模型，可模拟不同工况下的速度场、温度场和污染物浓度分布，为系统设计提供依据。如利用 ANSYS Fluent 软件对某办公室复合系统模拟，发现送风口间距 6m 时，人员活动区速度场均匀性最佳；调整辐射板温度至 26°C ，垂直温差可控制在 2^∘C 以内。模拟还可预测极端工况下的系统性能，如夏季室外 35°C 时，模拟不同新风量对室内温湿度的影响，确定最优运行参数。某超低能耗建筑通过 CFD 模拟优化后，置换通风效率提升15% ，辐射供暖能耗降低 12% ，验证了数值模拟在系统优化中的有效性。

3.2 不同气流组织形式对系统性能的影响

复合系统的气流组织形式直接影响其性能。下送上排式（置换通风）与辐射地板结合时，气流分层明显，污染物排除效率高，某实验室采用该形式，甲醛排除效率达 90% ，但存在地板结露风险。上送下排式与辐射天花板结合，气流混合度高，温湿度分布均匀，适用于散湿量较大的场所，如游泳馆，但污染物排除效率比下送上排式低 20% 。混合式气流组织结合两者优势，在人员活动区采用下送上排，非活动区采用上送下排，某图书馆应用后，CO₂浓度达标率从 85% 提升至 98% ，同时降低结露风险。研究表明，根据建筑功能和负荷特性选择合适的气流组织形式，可显著提升复合系统的能效和舒适性。

4 结语

通过对超低能耗建筑中置换通风与辐射供暖复合系统的气流组织优化研究，明确了系统设计原理、影响因素及优化方法。研究表明，合理的气流组织能显著提高建筑能源利用效率，改善室内环境质量。未来，需进一步结合人工智能技术，实现复合系统的动态优化控制，推动绿色建筑技术的创新发展与广泛应用，为实现“双碳”目标提供技术支撑。

参考文献:

[1]王伟.(2024).超低能耗建筑通风系统设计与优化.建筑科学,29(3), 45-

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[2]李明.(2023).辐射供暖在超低能耗建筑中的应用研究.暖通空调,20(4),78-91.

[3]张晓.(2022).复合供暖系统在绿色建筑中的气流组织优化.建筑节能,15(2),112-125.