海口超高層建筑自然通風的影響與節能分析

敖思宇

中旭建筑設計有限責任公司，北京 100160

1 超高層建筑自然通風研究背景

隨著我國改革開放后的經濟快速發展，我國建筑業更是迎來了一次從設計到施工的整體技術飛躍，尤其是超高層建筑，而且大部分超高層建筑為當地的地標性建筑。根據相關數據統計，早在2014年我國的已建超高層民用建筑就已突破7000座，其中公共建筑占65%，同時我國的超高層建筑數量也成為世界上數量最多，分布地域最廣的國家。

研究結果表明，對于辦公建筑，采用自然通風的方式每年可以為建筑節省冷量約為14～41kWh/h，相應可節約費用約1.3～3.6美元/m2。因此，自然通風成為最受現代暖通設計師青睞的一種節能設計，同時是為了實現“綠色建筑”的一種必然選擇。

2 超高層建筑自然通風數值模擬法

選用標準k-ε模型。進口邊界條件使用速度入口Velocityinlet，出口邊界條件采用壓力出口Pressure-outlet，在室內側出口處壓力設置為0Pa。在建筑物高度＜450m時，室外風場的速度隨高度的增加呈指數形式的增加，其中城市風速隨高度變化公式計算：

式中：v為距地h米處風速，m/s；v1為距地h1米處風速，m/s，h1取10；n為地面粗糙度系數。

以海口市內某超高層辦公樓為例，根據《建筑結構荷載規范》（GB 50009—2012），且高度為250m風速梯度依舊取決于地面粗糙度，因此在模擬中n取0.22。

3 超高層建筑自然通風案例概況

文章的研究對象為一棟位于海口市的超高層建筑。該項目位于海口市老機場舊址，總用地面積為25492.86m2，總建筑面積為275143.98m2，其中最高塔樓為52F，建筑高度為249.85m。

室內自然通風研究對象為2座塔樓的4F～42F開敞式辦公準層，外圍護結構均為玻璃幕墻。在核心筒和辦公區連接處設有公共走廊，走廊均設有密封較好的戶門，且開啟頻率不頻繁，在室內模擬時不考慮核心筒處。因為樓梯及電梯井道造成的煙囪效應及熱壓反應，所以公共走廊和核心筒處按照密閉腔考慮。標準層的吊頂高度為2.7m，故在室內空間的模型建立時僅考慮2.7m吊頂以下區域。

選用經度110.33119、緯度20.031971的氣象臺所提供的氣象參數，該氣象臺離目標建筑約3.6km，同樣處于海口市中心。氣象站與目標建筑之間沒有明顯的高大山等高大的地勢影響，地理條件基本一致，且有效數據比較完整，可以作為研究目標建筑的氣象參數資料。

由于在15.35～27.13℃時，室外新風不為室內帶來冷負荷，據此在近10年的氣象樣本中可知一共2020d符合氣溫要求。集中在當年10月至次年4月，在此期間主導風向主要為ENE（東北偏東）。為了滿足在模擬室外風向時能夠體現不同風向的影響，以3種典型風向作為滿足自然通風的典型氣候風向，如表1所示。

表1 適于自然通風的典型氣候工況 單位：m/s

4 超高層建筑自然通風措施

因為幕墻通風器具有造價低、效果好的特點，自然通風采用幕墻通風器。選用的某型號通風器抗風壓性能最大為3.6kPa，能夠滿足目標建筑的安全性需要。

幕墻通風器設置情景如表2所示。布置采用整個辦公層對稱的方式。在所有情景下設置通風面積均相等，總通風面積為4.64m2。室內模擬最終劃分網格數量為2595687，設置計算域計算步數為2000次。

表2 幕墻通風器設置情景

4.1 不同情景的自然通風效果分析

在3種典型工況下，在目標建筑100m高度處室內工作區情景1的空氣速度矢量圖,情景2與情景1基本類似。情景3地板送風無論室外風為何種風向，最終氣流都會從迎風面送風口垂直從下往上送風，背風面垂直排出，因此情景3僅模擬在工況1下的室內送風情況。

在情景1時，各個入流面的入流角度越大，從入流口到出流口的路徑越短，空氣會越快的完成在室內的流動過程，且停留時間較短，對室內空氣的擾動就弱，即新鮮空氣在室內的分散效果越差，雖然滿足了通風量的要求，但是無法達到全面置換的目的。入流角度越小，氣流的置換路徑越長，氣流會入射到核心筒的墻上，并沿著核心筒的墻在室內更均勻地擴散。

當幕墻通風器安裝在情景2時，因為氣流的入流口和出流口高度都更加接近工作區，所以在工作2.0m高度的分布優于幕墻通風器安裝在情景1時的分布。情景2時，工況1中在出流夾角區所形成的渦流面積均減小約10%，工況2渦流面積減小約30%，工況3渦流面積減小約15%。因此，在幕墻通風器安裝于情景2時，對室內利用自然通風換氣的分布效果更好。此時，流速約集中在5m/s，在短時間內開啟不會令人感覺不適，可以滿足辦公生活的要求。

在情景3時，室外氣流沿著幕墻通風器的室內送風口垂直往上送風，一部分氣流垂直射流到2.7m高的吊頂，沿著吊頂擴散，另一部分氣流會在不同高度隨著射流邊界的擴大逐漸擴散。在工作區2.0m高度時，2個迎風面處氣流分布比較均勻，且呈對稱的形式。綜上所述，情景2時室內通風的空氣質量更優，因此以幕墻通風器安裝在情景2為基礎進行分析，即幕墻通風器安裝在2.0m高度處。

4.2 不同建筑高度的通風效果分析

幕墻通風器安裝在情景2，對主導風向工況1標高為50m、100m、150m、200m的辦公層通風進行數值模擬。在這4層入流的新鮮空氣均將對該層內的整體氣流產生不同程度的擾動。在50m時，2個入流口速度為4.42m/s，出流口處的速度為1.77m/s；在100m時，2個入流口速度為5.14m/s，出流口處的速度為1.85m/s；在150m時，2個入流口速度為5.62m/s，出流口處的速度為2.06m/s；在200m時，2個入流口速度為5.99m/s，出流口處的速度為2.23m/s。在入口速度從4.42m/s提升至5.99m/s時，出流口速度僅從1.77m/s提升至2.23m/s,出流速度的提升小于入流速度。隨著入流速度的提升，雖然提高了空間的換氣次數，但是對于整體區域的空氣擴散置換效果并不一定越好。可知，在5.14m/s時，整體空間空氣置換效果最好。

4.3 運行策略及節能效益分析

《公共場所衛生指標及限值要求》（GB 37488—2019）中對室內二氧化碳的濃度要求為不高于0.1%，1.964g/m3，室外空氣的二氧化碳濃度約為0.04%，0.786g/m3。根據實測辦公時每人每小時呼出的二氧化碳約為22.6L，該研究辦公區為1800m2，按每人8m2計算，共有225人，即每小時產生二氧化碳為5085L。以全面通風的形式稀釋室內的二氧化碳濃度，需要新風量為8480m3/h。通過控制通風器阻力將入流速度控制在5.14m/s時，自然通風量為43299m3/h，是稀釋二氧化碳濃度的5.1倍，即通風器每小時開啟12min即可滿足室內稀釋二氧化碳的需求。

按照資料，2010—2019年，有2020d滿足自然通風，如果僅在每天上午8點至中午13點室外溫度較低時采用幕墻通風器，室外溫度較高后采用新風機組的冷卻通風。即每天減少開啟熱回收新風機組5h，10年一共有10100h可以采用幕墻通風器自然通風，目標建筑共設置12臺熱回收新風機組，每臺風機電量為37kW，至少可以節省4484.4MWh，按海口當地電價0.6792元/kWh計算，可節省304.6萬元，辦公樓平均每年可以節省30.46萬元。

5 結論

文章以海口地區一棟正在設計中的超高層辦公建筑作為研究對象，采用數值模擬法，得出具體結論如下：（1）在安裝高度為2.0m時，幕墻通風器對工作區的氣流分布更穩定，而且對新鮮空氣的分散和室內污染空氣的排出更加有利。（2）最有利于室內自然通風空氣置換的風速為5.14m/s。同時，入流角度較小時，有利于擴散入流的新鮮空氣。（3）如果將夏季的通風效果納入分析，可以進一步將自然通風應用得更加全面，獲得更好的節能效果。