昆明地區(qū)某超高層辦公建筑中庭熱壓通風(fēng)設(shè)計(jì)實(shí)例分析

劉登倫 劉鵬 牛潤卓 王玢瀅

摘要：針對(duì)昆明地區(qū)全年太陽能資源條件較好、空氣溫度適宜的氣候特點(diǎn)，以該地區(qū)某超高層辦公建筑中庭熱壓通風(fēng)精細(xì)化設(shè)計(jì)為例，借助多區(qū)域網(wǎng)格法和計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)，進(jìn)行了優(yōu)化中庭位置、高度、尺寸以及開口設(shè)計(jì)，結(jié)果表明：可以最大化地利用中庭改善室內(nèi)自然通風(fēng)效果。改善室內(nèi)人員熱舒適性，體現(xiàn)氣候適應(yīng)性的建筑設(shè)計(jì)原則。

關(guān)鍵詞：超高層辦公建筑;中庭;熱壓通風(fēng);室內(nèi)舒適性

中圖分類號(hào)：TU201.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-9944（2019）14-0231-05

1引言

相關(guān)研究表明，自然通風(fēng)技術(shù)對(duì)于建筑節(jié)能和室內(nèi)人員熱舒適具有重要意義，在建筑中進(jìn)行氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)，充分利用自然資源實(shí)現(xiàn)良好的自然通風(fēng)，改善室內(nèi)人員熱舒適性。以昆明地區(qū)某超高層辦公建筑為例介紹中庭熱壓通風(fēng)設(shè)計(jì)策略，通過優(yōu)化中庭位置、高度、尺寸以及開口設(shè)計(jì)。最大化的利用熱壓通風(fēng)，即保證室外無風(fēng)時(shí)，通過建筑熱壓中庭的拔風(fēng)作用，保證室內(nèi)主要功能空間滿足熱舒適性要求。

2項(xiàng)目概況

某地產(chǎn)公司自建總部辦公大樓，位于昆明市，南北長約35m，東西長約58m，總面積約8萬m²，建筑高度約160m，主要朝向偏東西向，建筑立面為全玻璃幕墻結(jié)構(gòu)，主要用途為辦公。

項(xiàng)目所在地昆明屬于低緯度高原山地季風(fēng)氣候，全年平均氣溫為15℃，全年超過30℃天數(shù)僅有1d，氣候溫和，夏無酷暑，冬不嚴(yán)寒，四季如春，為充分利用自然通風(fēng)創(chuàng)造良好的前提條件。昆明地區(qū)夏季和冬季主導(dǎo)風(fēng)向均為西南風(fēng)，夏季平均風(fēng)速1.8m/s.冬季平均風(fēng)速2.2m/s，全年靜風(fēng)風(fēng)頻較高，達(dá)到31%，西南風(fēng)向風(fēng)頻為16%，全年利用風(fēng)壓進(jìn)行自然通風(fēng)改善熱環(huán)境的時(shí)間段有限，因此，項(xiàng)目擬利用熱壓進(jìn)行室內(nèi)自然通風(fēng)組織，在適宜季節(jié)改善室內(nèi)熱舒適。

3中庭設(shè)計(jì)方案

熱壓通風(fēng)屬于自然通風(fēng)的一種。一般而言，氣流穿過建筑物是由于建筑物兩側(cè)或上下的壓力梯度引起的。壓差來源于兩個(gè)方面：外部風(fēng)的作用（風(fēng)壓）和室內(nèi)室外的空氣溫度梯度（熱壓）。熱壓通風(fēng)是指室內(nèi)由于存在各種各樣的熱源，氣溫一般高于室外氣溫，此時(shí)，在密度差的作用下，室外空氣通過建筑下部的門窗或開孔等流人室內(nèi)，并將室內(nèi)較輕的空氣從上部的窗戶等位置排出，形成自下而上的室內(nèi)通風(fēng)流動(dòng)。

基于以上熱壓通風(fēng)原理.項(xiàng)目設(shè)計(jì)熱壓中庭，室外風(fēng)將通過外窗進(jìn)入各個(gè)房間，然后匯集到熱壓中庭，利用熱壓中庭形成的“煙囪效應(yīng)”。從井道頂部的開口排出至室外，帶走室內(nèi)熱濕負(fù)荷，改善室內(nèi)熱舒適（圖1）。

3.1中庭空間形態(tài)設(shè)計(jì)

項(xiàng)目鹵立面太陽輻射強(qiáng)度大.能夠快速提升中庭內(nèi)溫度。有和j于加強(qiáng)“煙囪效應(yīng)”，進(jìn)而促進(jìn)室內(nèi)通風(fēng)換氣，因此熱壓中庭布置在兩側(cè)外區(qū);考慮到實(shí)際運(yùn)營效果，為j，降低熱壓中庭空腔系統(tǒng)的復(fù)雜性，便于分段控制，方案設(shè)計(jì)將熱壓中庭空腔在垂直高度上分成3段：第一個(gè)中庭高度為低區(qū)4F～12F，第二個(gè)中庭高度為中區(qū)13F～19F，第三個(gè)中庭高度為高區(qū)20F～26F，室內(nèi)與中庭相連的公共區(qū)設(shè)置通風(fēng)開口，將室內(nèi)空間熱空氣引入中庭，同時(shí)在各中庭頂部設(shè)置開口，以便熱空氣排出（圖2）。

3.2通劂開口設(shè)計(jì)

項(xiàng)目中庭周邊主要功能房間立面幕墻開啟采用尺寸1.5m×1.5m的上懸窗，且各房間均有可開啟部分，建筑的各開口應(yīng)按阻力部件處理。并考慮開窗的安全推程，進(jìn)行有效通風(fēng)面積計(jì)算。本項(xiàng)目開口設(shè)計(jì)結(jié)合建筑方案立面效果，中庭周邊辦公空間通風(fēng)開口位置示意及面積統(tǒng)計(jì)如圖3、表1所示。

利用熱壓對(duì)中庭周邊房間進(jìn)行自然通風(fēng)時(shí)應(yīng)考慮中和面問題，提高中和面高度的措施包括提高排風(fēng)窗高度、擴(kuò)大排風(fēng)窗與進(jìn)風(fēng)窗面積比、采用文丘里漸縮剖面等。針對(duì)本項(xiàng)目，為防止中庭中和面以上空間產(chǎn)生熱風(fēng)回灌現(xiàn)象，中庭開口設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于：頂部開口設(shè)計(jì)、各層公共區(qū)與中庭連通處開口設(shè)計(jì)。采用多區(qū)域空氣流動(dòng)模擬工具CONTAMW軟件對(duì)中庭及中庭周邊空間的通風(fēng)流量進(jìn)行分析，通過調(diào)整中庭開口設(shè)計(jì)位置、尺寸，使得各層通風(fēng)流量平衡，保證室內(nèi)氣流均流向中庭，不會(huì)出現(xiàn)回灌現(xiàn)象。根據(jù)CONTAMW軟件計(jì)算結(jié)果，確定低區(qū)中庭4F～12F，中區(qū)中庭13F～19F、高區(qū)中庭20F～26F的中庭頂部、各層公共區(qū)與中庭連通處開啟面積如圖3、表2～4所示。

4中庭熱壓通風(fēng)效果模擬驗(yàn)證

4.1熱壓通風(fēng)目標(biāo)

（1）根據(jù)ASHRAE STANDARD 55，在自然通風(fēng)的空間內(nèi)可接受的綜合溫度范圍如圖4所示，該圖適用于采用開關(guān)窗戶進(jìn)行通風(fēng)以達(dá)到熱舒適性的空間內(nèi)的評(píng)價(jià)。因此，本項(xiàng)目利用熱壓通風(fēng)需保證室內(nèi)主要人員活動(dòng)區(qū)域熱舒適溫度不超過28℃。

（2）依據(jù)國家《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50378-2014對(duì)室內(nèi)自然通風(fēng)的具體要求為：在過渡季典型T況下主要功能房間平均自然通風(fēng)換氣次數(shù)不小于2次/h。

4.2計(jì)算條件設(shè)置

項(xiàng)目的主要功能為辦公，各空間的得熱量主要由室內(nèi)人員、設(shè)備及照明的散熱、外圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱得熱及透明幕墻太陽輻射得熱構(gòu)成。

根據(jù)國家公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)規(guī)定，高檔辦公室燈光發(fā)熱量為15w/m²（目標(biāo)值），設(shè)備發(fā)熱量為13w/m²，同時(shí)開啟系數(shù)按70%計(jì)算;人員密度取0.125人/m²，人員負(fù)荷取57w/人;由于利用自然通風(fēng)的時(shí)期室外溫度和室內(nèi)溫度相近，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的溫差傳熱得熱可以忽略;考慮到可利用自然通風(fēng)的時(shí)間段，取全年太陽輻射強(qiáng)度較高的4月1～30日太陽輻射的平均值，按各朝向太陽輻射量與透明幕墻遮陽系數(shù)乘積計(jì)算各朝向房間太陽輻射得熱量（圖5）。

4.3中庭熱壓通風(fēng)效果驗(yàn)證

根據(jù)計(jì)算上文確定的通風(fēng)開口設(shè)計(jì)方案，采用Flu-ent系列軟件對(duì)中庭熱壓通風(fēng)效果進(jìn)行驗(yàn)證分析，以驗(yàn)證通風(fēng)開口設(shè)計(jì)的合理性。

低區(qū)中庭4F～12F剖面風(fēng)速矢量及溫度如圖6所示，各層室內(nèi)溫度、風(fēng)速及空氣齡分布如圖7～9所示。

低區(qū)中庭負(fù)擔(dān)4F～8F層的室內(nèi)負(fù)荷，L4～L8層均通過M處開口向中庭排風(fēng)，排風(fēng)口處風(fēng)速約0.5～1.4m/s，并最終由頂部排風(fēng)口L處排出，風(fēng)速約1.5～²0m/s，中庭拔風(fēng)效果明顯;在外界溫度為22℃時(shí)，L4～L8層室內(nèi)人員活動(dòng)區(qū)域的溫度均在28℃以下，局部較好區(qū)域溫度可以達(dá)到26℃左右，滿足熱舒適溫度要求;L4～L8層室內(nèi)人員活動(dòng)區(qū)域風(fēng)速均在1.0m/s以內(nèi)，空氣齡均在1200s以內(nèi)，即通風(fēng)換氣次數(shù)均大于2次/h。因此，低區(qū)中庭熱壓可以滿足室內(nèi)人員熱舒適要求。

中區(qū)中庭13F～19F、高區(qū)中庭20F～26F剖面風(fēng)速矢量及溫度分布如圖10所示，各層室內(nèi)溫度、風(fēng)速及空氣齡如圖11～13所示。

中區(qū)熱壓中庭負(fù)擔(dān)13F～16F、高區(qū)熱壓中庭負(fù)擔(dān)20F～23F的室內(nèi)負(fù)荷，L13～L16、L20～L23層均通過M處開口向中庭排風(fēng)，排風(fēng)口處風(fēng)速約0.5～1.0m/s，并最終由頂部排風(fēng)口L處排出風(fēng)速約1.5～²0m/s，中庭拔風(fēng)效果明顯;在外界溫度為22℃時(shí)，L13～L16、L20～L23層室內(nèi)大部分人員活動(dòng)區(qū)域的溫度均在28℃以下，局部較好區(qū)域溫度可以達(dá)到26℃左右，少數(shù)房間溫度較高，但也在29℃以下，基本滿足熱舒適溫度要求;IA3～L16、L20～L23層室內(nèi)人員活動(dòng)區(qū)域風(fēng)速均在1.0m/s以內(nèi)，空氣齡均在900s以內(nèi)，即通風(fēng)換氣次數(shù)均大于4次/h。因此，中區(qū)、高區(qū)中庭熱壓可以滿足室內(nèi)人員熱舒適要求。

5結(jié)語

針對(duì)昆明地區(qū)太陽輻射強(qiáng)度大、靜風(fēng)時(shí)間長的氣候特點(diǎn)，熱壓中庭設(shè)計(jì)是強(qiáng)化室內(nèi)自然通風(fēng)的有效措施，借助模擬分析對(duì)中庭位置、高度、尺寸以及開口等進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)，充分利用中庭的熱壓拔風(fēng)效果改善室內(nèi)熱舒適性，充分體現(xiàn)了氣候適應(yīng)性的建筑設(shè)計(jì)原則，也為昆明地區(qū)超高層辦公建筑自然通風(fēng)設(shè)計(jì)提供了參考借鑒。