论文作者：刘小波 陈友明
摘要：本文介绍了混合通风产生的背景及定义，对现有混合通风在建筑中的应用进行了概述，并简要介绍了控制方法和分析方法，指出了混合通风发展的障碍。
关键词：混合通风 自然通风 机械通风
0引言
通风的主要目的是提供新风和排出受污染空气。机械通风系统能够提供稳定的新风，在不受外部环境干扰的情况下，确保室内空气品质（IAQ）和热舒适。然而，机械通风系统安装费用高，操作复杂；风机要消耗大量的能量；呈上升趋势的病态建筑综合症以及由于消耗大量能量引起的温室效应等等问题的出现，最终导致这种传统的通风模式受到了质疑。
对于机械通风所产生的问题，如噪音、健康问题、日常维护和能源消耗等，可通过自然通风得以解决。自然通风更易为使用者所接受，能提供更节能的且健康、舒适的室内环境。然而传统自然通风系统，气流控制非常有限，不能达到现代建筑舒适要求。
近年来出现的混合通风为自然、机械通风建筑所存在的问题提供了一种全新的解决方法。混合通风结合了自然和机械通风各自的优点，在满足日益严格的空气品质要求的同时还具有环保节能的特点。
国际能源组织于1997年6月通过了关于在新建以及改建建筑中应用混合通风的计划Annex 35。自1998年8月开始的四年里，15个参与国对混合通风系统进行了积极的先导性研究。Annex 35的目的在于促进混合通风的节能增效，为建筑中混合通风系统的运行提供控制和预测分析方法[1]。
1混合通风的定义及目的
在一年中不同的季节或是一天中不同的时间段，混合通风系统变换使用不同的通风系统部分，及时地、最大限度地利用周边环境以降低能耗。它与传统通风系统最大的区别在于混合通风系统中设置了智能控制系统，能自动切换自然通风和机械通风以减少能耗[2]。表1列出的是在Annex 35中通过的混合通风的定义和目的。
表1 混合通风的定义和目的
2现有混合通风建筑的概述
目前全世界已经建造了一些混合通风建筑，如丹麦的Bang & Olufsen 指挥中心等分布在10个不同国家的22座建筑[3]，而且还有许多正处于计划或是建造中。现阶段的混合通风研究主要是如何使用控制方法以及分析方法保证建筑良好的IAQ和热舒适度，以及对其组成部分进行研究探讨。通过对现有混合通风建筑的观察，可以很清楚地发现，一个成功的混合通风设计是一种整体化设计。设计中还可能需辅助以建筑设计和热设计等。
这些先导性混合通风建筑主要是低层建筑（除日本东京明治大学），一般位于低、中等含尘浓度及噪声污染的区域。
建筑中的控制方法通常是基于温度控制，某些建筑特别是学校还进行CO2控制。建筑通风口和风机可采用手动或者自动控制。混合通风的研究需要更多的对控制方法实际应用的反馈信息，如通风口自动操作的可靠性等类似问题。
在大多数建筑中，混合通风基本组成包括风机、CO2和温度传感器、手动或是自动操作的门窗及其它特殊通风口（如通风塔等）。其中有些建筑还利用地下风道、地下管路或是地下静压室来预处理新风。
一些建筑成功地应用混合通风系统进行了改建。由于办公设备、低效的照明系统、高人员密度和大量的日照负荷等造成室内负荷的上升，许多办公建筑在夏天过热或者必须消耗大量能量来维持可接受的室温。为解决这些问题，建筑需要安装新的空调系统来取代建筑中的自然通风系统或者现有的空调系统。在通风系统翻新中，混合通风在能源消耗和使用者满意度方面的优势使得混合通风的推广应用很有潜力。
研究表明，混合通风能够提供良好的IAQ、卓越的节能性能、宜人的舒适度、满意的运行效果。当然其中某些建筑的混合通风控制方法还需要改进，例如不当的控制方法会导致噪音和吹风感等问题。
3控制方法
混合通风结合了自然和机械通风两种通风模式，因此需控制的项目较多。主要包括以下项目：
1自然通风
2机械通风
3两种通风模式的转换
4自然通风中辅助风机
5夜间冷却
无论采取何种控制系统，控制参数的定义和选择是控制方法设计的重点。根据控制的目的不同（舒适度，IAQ，能量等），混合通风控制包括温度、压降、浓度、气流速度等参数的测定。而通风模式切换策略是混合通风系统整体节能的关键。
控制方法主要分为三种：经典控制方法、最优和预见性控制、先进控制方法[4]-[7]。混合通风控制是多种控制技术的结合应用，包括简单的开关控制到先进的神经网络控制或是模糊控制等。
1 经典控制方法：相对简单，但有很多的限制，参数不能多于一个。对外部扰动敏感。
2 最优和预见性控制方法：克服了经典控制的一些局限，但是没有发展到规模化生产水平。
3 先进控制方法：包括模糊控制和神经网络控制等。它结合了专家控制系统知识，能控制多个参数，并能控制那些定义不严谨的参数（如舒适指数）。
一般控制系统，如建筑能源管理系统（BEMS）由现场层、自动控制层、管理层、用户层四层组成。现场层包括建筑所有设备，如传感器和执行器；自动层包括通过网络互连的局部控制装置，与监视器相连；管理层在能量分析、警报、确定设定值等方面起关键作用；用户层包括建筑管理者和使用者。
图1 建筑能源管理系统（BEMS）
4分析方法
4.1分析方法的功能和应用
通风系统要满足新风供给要求，同时通过有效的气流形式满足IAQ和室内温度标准。通过正确设计和控制，混合通风系统能提高居住者满意度，降低能耗，降低生命周期费用，有时还能降低原始投资(Arnold,1996)。分析是正确地设计和控制混合通风的关键，从混合通风的设计到运行各个阶段都贯穿了分析方法。
在概念设计阶段，建筑师和工程师需决定基本通风模式；在初步设计阶段，工程师需快速估算通风系统大小和对设计选择进行评价；在施工图设计阶段，工程师需设计通风系统细节和选择最佳设计参数；在运行阶段，管理者需借助分析方法对整个系统性能进行评估。
用来评价机械和自然通风系统的分析方法的主要任务有：
1 估量自然和机械通风模式的通风系统，包括其中的通风口、风道、风机等；
2 评价整个建筑或是穿过通风口的气流速度；
3 分析整个建筑每间房间的气流流型；
4 选择控制方法和通风方法，以达到能量最省并满足IAQ和热舒适要求。
由于混合通风系统的研究还不成熟，所以几乎没有专门关于混合通风分析方法的文献。但是从原理上讲，大多数应用于自然或是机械通风的分析方法同样也是适合于混合通风的。
分析方法分为简单分析和经验分析方法、单个或多个区域分析方法、带状分析方法及计算流体动力学（CFD）分析方法等。
（1） 简单分析和经验分析方法。灵活易用，需要相对少的输入数据，能综合分析热和风现象。该方法非常适合灵敏分析[8]-[11]。
（2） 单个或者多个区域分析方法。多区域分析方法使用了一种网格处理手段，把建筑分成多个区域，区域的边界表现外部环境。气流通道，如窗户、门、竖井连接形成网络。如果建筑内部通风口面积足够大，建筑近似地认为是单区域，否则为多区域[12]-[13]。多区域分析方法对具有多房间建筑的流体模拟十分有效。但是，它不能预计建筑每个区域的具体流体形式。
（3） 带状分析方法。带状方法可以认为是多区域和CFD两种分析方法的过渡。带状方法能提供一个空间内温度剖面，用于预测辐射和对流系统的热舒适度，提供较精确设计信息和确定辐射和对流系统的大小，对混合通风系统压力流和对流组件性能进行评估[14]-[15]。
（4） 计算流体动力学方法（CFD）。CFD能预计每间房间或者建筑的每个划分区的具体流体信息。CFD技术对于建筑内部和周围的气流运动预测效果突出，并能非常详细地分析在通风空间的气流流型和污染物分布。因此，CFD在通风工程界被称为现场模拟工具[16]-[19]。
4.2分析方法的问题和发展
现阶段，分析方法存在不少问题。
①分析方法的种类很多，从简单的到精密复杂的，广泛应用于建筑自然和机械通风设计及评估。尽管这些分析方法大多数原则上同样适用于混合通风分析，但是目前并没有关于专门应用于混合通风的分析方法的文献资料。每种方法在通风分析和设计中都有其自身的应用空间，但没有一种通用方法。
②需要输入的很多数据如建筑周围的风压系数和通过大通风口气流的换热系数等等不易得到，且多是经验数据，不全面也不准确。
③混合通风系统运行中，有很多随机影响因素，而现在并没有成熟的概率方法对此进行分析。
④缺少评估分析方法和系统运行结果的标准。
总体上讲，混合通风分析方法今后的发展方向是：
①在风和热模式的联合中加入控制方法
②在风和热模式的联合中考虑热梯度
③现有的物理模式中引入随机影响因素，发展概率分析方法
④开发估算通风通风口面积的新方法
⑤建立通过大风口的风压流和估计风压系数的模型
⑥校正输入数据（如交换系数，压力系数等）
⑦建立一系列分析系统运行结果和评价分析方法的基准
5混合通风发展的主要障碍
通风系统的费用是通风系统选择的主要决定因素。混合通风的原始投入要比机械通风高。但混合通风和机械通风之间的费用比较不能仅仅简单地看原始投入，而应当通过由原始投入、运行费用、维护和修理费用组成的生命周期费用(LLC)进行比较。为得到更多的关于混合通风系统生命周期费用数据，研究工作者正从不同的先导性混合通风建筑中收集混合通风系统的费用信息。
通常，国家不会严格限制使用自然或是混合通风，但是在特殊场合，如城市污染严重或地表存在氡等情况下，就会要求或者推荐使用机械通风。一些国家（澳大利亚、德国、挪威等）要求较高的换气率，这就意味着通风系统需要较大的风机功率。混合通风基本上都是依靠自然风力，不能保证高且稳定的换气率。
一些国家（挪威、丹麦、瑞典等）推荐的CO2水平要求少于1000ppm，这就意味着需要大量的新风。对于处于低污染区域，这样将造成大量的能源浪费。
防火排烟法规是混合通风现阶段最大的障碍。关于这方面的法规条例，国家一般是要求强制执行的。混合通风建筑要求通风口面积大，这往往提高了烟和火的蔓延速度。设计师须小心设计以达到混合通风系统对通风口面积要求并满足防火排烟法规条例。只要安装自动防火喷淋装置等补偿性设备，防火规范标准通常是可以达到的，但这些防火设备的安装，意味着混合通风比机械通风在此方面要有更大的投入。
其它。混合通风系统的组件如换热器、热回收装置、通风口等需要定做而不能进行规模化生产；混合通风缺乏设计工具和参考方法，只有少数经验丰富的设计师才有能力进行设计，大多数设计师可能不采用混合通风而选择他们更为熟悉的机械通风；混合通风热回收效率比较低，有可能导致较机械通风更多的供热能耗；混合通风安装了少量的风机，可能对外界环境和使用者通风需求响应速度较慢；气流路径的短循环、使用者对于IAQ和热舒适的担忧等等问题也成为了混合通风的障碍[20]-[21]。
表2中列出了混合通风存在的主要问题[1]。
尽管混合通风的发展存在许多阻碍，但它作为一种全新的通风模式，以其自身具有的自然和机械通风所不能替代的优势，必将对通风系统的不断完善和发展起到积极的推动作用
参考文献
1 Allard, F. Natural ventilation in buildings - A design handbook. London: James & James, 1998.
2 Vik, T. A. Natural and hybrid ventilation in buildings. Norway ： SINTEF, 1998
3 Hendriksen, O.J, Kato, S., et al. Case study report. In: Proceedings HybVent Forum 01,Delft. 2001. 5
4 Bruant, M., Dounis, A. I., Guarracino, G. Applied Energy, 1996，No53. ：11～28
5 Dounis, A. I., Bruant, M., Santamouris, M. Journal of Intelligent and Fuzzy Systems,1996 ， 2（4）： 131～140
6 Lea, R. N., Dohmann, E., Prebilsky, W. Fifth IEEE International Conference on Fuzzy Systems.1996, Vol. 3.: 2175～2180
7 Dounis, A. I., Santamouris, M., Lefas, C. C. Journal of energy conversion and management, 1992, 3(33): 175～182
8 Bruce, J. M. Agricultural Engineering Research, 1978, 23: 151～167
9 Andersen, K. T. ASHRAE Transactions, 1995,101(2): 1103～1117
10 Li, Y. Building and Environment, 2000 ,35: 197～206
11 Li, Y., Delsante, A. Building and Environment, 2001 ,36: 59～71
12 Feustel, H. E.,Dieris, J. Energy and Buildings, 1992, 18: 79～100
13 Haghighat, F., Fazio, P.， Unny, T. E. Building and Environment, 1988, 23(3): 195～201
14 Inard, C., Bouia, H., Dalicieux, P. Energy and Buildings, 1996, 24: 125～132
15 Wurtz, E., Nataf, J.M., Windelmann, F.C. Heat and Mass Transfer, 1996, 42: 923～940
16 Awbi, H. B. Building and Environment, 1989, 24(1): 73～84
17 Awbi, H. B. Air movement in naturally-ventilated buildings. In: Proceedings WREC, Denver. 1996
18 Clifford, M. J., Everit, P. J., Clarke, R. Building and Environment, 1997,32(4): 305～312
19 Davidson, L., Olsson, E. Building and Environment, 1987, 22(2): 111～127
20 Aggerholm, S. Perceived Barriers to Natural Ventilation Design of Office
Buildings. In: NatVentTM European Report, Denmark：1998
21 Aggerholm, S. Perceived Barriers to Natural Ventilation in Offices. In: Proceedings of 19th Annual AIVC Conference, Oslo. 1998.9