葉郁　楊冰蓮

摘要：現(xiàn)代城市和建筑的發(fā)展，使得自然通風(fēng)的利用比傳統(tǒng)建筑更為復(fù)雜。不同氣候條件與建筑形式能否利用自然風(fēng)需要更多的理論研究與技術(shù)支持。本文將結(jié)合中鋼天津響螺灣項(xiàng)目重點(diǎn)探討高層辦公建筑自然通風(fēng)引入技術(shù)的可行性方案，致力推動自然通風(fēng)技術(shù)的應(yīng)用，推動建筑的可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：中鋼；天津響螺灣；高層辦公建筑；自然通風(fēng)

中圖分類號：TU834.5⁺2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1008-0422（2013）09-0063-05

1 前言

美國智能建筑學(xué)會給出的智能建筑的定義為：“智能建筑是將結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)、服務(wù)、運(yùn)營及其相互聯(lián)系全面綜合，并達(dá)到最佳組合，所獲得的高效率、高功能與舒適性的大樓?！痹诂F(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》中，要求建筑設(shè)計和構(gòu)造設(shè)計有促進(jìn)自然通風(fēng)的措施。但空調(diào)技術(shù)發(fā)展以后，自然通風(fēng)的價值一度為人們所忽略，能源危機(jī)、封閉式空調(diào)帶來的室內(nèi)空氣品質(zhì)和居民健康問題以及全球可持續(xù)發(fā)展的需求使得自然通風(fēng)重新得到科學(xué)家和其相關(guān)人員的高度重視。合理的利用自然通風(fēng)，不僅可降低能耗，并且能提供新鮮清潔的自然空氣，改善室內(nèi)空氣品質(zhì)，滿足人們對舒適健康室內(nèi)環(huán)境的要求。

現(xiàn)代城市和建筑的發(fā)展，使得自然通風(fēng)的利用比傳統(tǒng)建筑更加復(fù)雜，這種復(fù)雜性一方面表現(xiàn)在建筑功能更加復(fù)雜、形式更加多樣，另一方面表現(xiàn)在人們對室內(nèi)熱環(huán)境的要求更高。同時，不同的氣候條件與建筑形式能否利用自然風(fēng)需要更多的理論研究和技術(shù)支持。在設(shè)計中體現(xiàn)人性化設(shè)計的理念已深入人心，更要求設(shè)計師努力研究每一項(xiàng)能使建筑物和使用者受益的新材料和新工藝，并整合后落實(shí)到設(shè)計實(shí)踐中。本文將結(jié)合一個工程實(shí)例重點(diǎn)探討“高層辦公建筑自然通風(fēng)引入技術(shù)”的可行性方案，致力推動自然通風(fēng)技術(shù)的應(yīng)用，推動建筑的可持續(xù)發(fā)展。

2 關(guān)于自然通風(fēng)

自然通風(fēng)（NaturalVentnation）是一種比較經(jīng)濟(jì)的通風(fēng)方式。它不消耗動力，也可獲得較大的通風(fēng)換氣量，簡單易行，節(jié)約能源，有利于環(huán)境保護(hù)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)和民用建筑中。國內(nèi)外對自然通風(fēng)的概念或描述不盡相同，但總體來說，所謂自然通風(fēng)，其共同的特點(diǎn)是：依靠室外風(fēng)力造成的風(fēng)壓和室內(nèi)外空氣溫度差造成的熱壓使空氣流動，以達(dá)到提供給室內(nèi)新鮮空氣，稀釋室內(nèi)氣味和污染物，除去余熱和佘濕的目的。

以上海一棟辦公建筑標(biāo)準(zhǔn)層的自然通風(fēng)進(jìn)行模擬，對過渡季節(jié)典型周內(nèi)開窗與不開窗條件下的室內(nèi)溫度進(jìn)行比較，過渡季節(jié)開窗自然通風(fēng)可以較好地滿足室內(nèi)溫度及換氣次數(shù)需求，并降低空調(diào)運(yùn)行時間2001h/a和能耗30.61kWh/（a·m²）。

辦公建筑多為高層建筑，由于室外空氣質(zhì)量、溫度、濕度、風(fēng)環(huán)境和聲環(huán)境并不能總是滿足自然通風(fēng)的需求，因而辦公建筑自然通風(fēng)的策略主要包括：自然通風(fēng)與機(jī)械通風(fēng)混合使用策略、間歇性自然通風(fēng)策略、利用自然通風(fēng)策略等。

自然通風(fēng)與機(jī)械通風(fēng)混合使用策略主要是指在條件允許的情況下盡量采用自然通風(fēng)，機(jī)械通風(fēng)只是在需要的時候作為輔助的手段。在高層建筑中，隨著豎向高度的變化，樓層的內(nèi)外部氣壓差是不同的，因此在實(shí)際操作中通常會考慮混合通風(fēng)模式。根據(jù)建筑內(nèi)各部分的實(shí)際條件和不同需求采用不同的通風(fēng)方式，或自然通風(fēng)與機(jī)械通風(fēng)同時使用，或白天使用機(jī)械通風(fēng)夜晚使用自然通風(fēng)。

間歇性自然通風(fēng)是指在室外條件適宜的時候打開窗戶或通風(fēng)口利用自然通風(fēng)，不適宜的時候關(guān)閉窗戶或通風(fēng)口。溫度適宜的春秋兩季是最適合利用自然通風(fēng)的時節(jié)。而在夏季，根據(jù)對人體熱舒適感研究可知，當(dāng)環(huán)境溫度超過34℃時，即使有風(fēng)吹過，大部分人仍會感到炎熱，因此當(dāng)室外氣溫高于34℃時，就不適宜開窗通風(fēng)。在多數(shù)情況下，辦公室并不需要24小時通風(fēng)，只要保證充足的換氣率即可，在噪音較大時亦可采用這種間歇性自然通風(fēng)策略，充分利用夜間自然通風(fēng)降溫（Nishtcooling）也是獲得舒適和節(jié)能效果的有效手段。只要利用自然通風(fēng)得當(dāng)，辦公室全年使用空調(diào)的時間可以壓縮至20%，這將很大程度的減少空調(diào)能耗。

利用自然通風(fēng)策略是指根據(jù)辦公建筑自身的建筑特征，通過合理的建筑設(shè)計，充分利用自然通風(fēng)。目前的大多數(shù)建筑設(shè)計中，自然通風(fēng)應(yīng)用存在較多問題，辦公建筑室內(nèi)空氣品質(zhì)不理想，大多數(shù)辦公人員長時間工作在封閉空調(diào)的辦公環(huán)境中會感覺到氣流小頭暈悶氣。即使在過渡季節(jié)（即不開啟空調(diào)的季節(jié)），許多辦公人員仍然還會感覺悶氣。這種辦公室內(nèi)的環(huán)境感受與辦公建筑外殼設(shè)計模式（即采用全玻璃幕墻或玻璃面積比例過大的幕墻）、能量利用模式（即采用全封閉的通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)）、空間設(shè)計模式（即采用“層積式”的設(shè)計模式）等有關(guān)。經(jīng)過分析，以上現(xiàn)狀與問題的產(chǎn)生原因來源于室外空氣質(zhì)量與噪聲使自然通風(fēng)使用受到限制、辦公建筑空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行模式的影響、自然通風(fēng)技術(shù)的采用受到限制、室外風(fēng)速限制自然通風(fēng)的運(yùn)用、立面開窗的安全隱患、辦公建筑的熱量與建筑體型對自然通風(fēng)的限制以及大部分辦公建筑在設(shè)計上就考慮自然通風(fēng)設(shè)計等。

3 高層建筑的自然通風(fēng)形式

在實(shí)際工程應(yīng)用中，常使用的高層建筑自然通風(fēng)形式有幕墻開窗及雙層通風(fēng)幕墻。幕墻窗的開啟方式常見的有固定窗、推拉窗、平開窗、外開上懸窗、平行外推窗等。雙層通風(fēng)幕墻按空氣循環(huán)方式分為內(nèi)循環(huán)、外循環(huán)（整體式、廊道式、通道式、箱體式）、開放式雙層幕墻。

在雙層幕墻結(jié)構(gòu)中，內(nèi)層幕墻與外層幕墻之間形成一個相對封閉的空間，空氣通過下部的進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入此空間，又從上部排風(fēng)口離開此空間，這個空間稱為熱通道，熱通道內(nèi)的空氣一直處于流動狀態(tài)，并與內(nèi)層幕墻的外表面不斷地進(jìn)行熱量交換，因此雙層幕墻又稱為熱通道幕墻。它改變了傳統(tǒng)幕墻的結(jié)構(gòu)形式，在節(jié)能方面，比傳統(tǒng)幕墻節(jié)能達(dá)50%，保溫性能達(dá)國際Ⅱ級；采用無鍍膜玻璃，實(shí)現(xiàn)自然光照明，節(jié)省電力；具有冬季保溫和夏季隔熱的雙重功能，有效地減少空調(diào)的使用，達(dá)到節(jié)能效果。雙層幕墻的防塵通風(fēng)功能使其在惡劣天氣（特別是沙塵暴發(fā)生地區(qū)）也不影響開窗換氣，提高了室內(nèi)空氣質(zhì)量，同時雙層幕墻結(jié)構(gòu)使得超高層建筑幕墻擁有自然通風(fēng)的可能，從而最大限度地滿足了使用者對于自然通風(fēng)在生理與心理上的需求。

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中鋼天津響螺灣項(xiàng)目自然通風(fēng)設(shè)計研究

4.1項(xiàng)目概況

中鋼天津響螺灣項(xiàng)目位于響螺灣商務(wù)區(qū)一號地，北側(cè)與東側(cè)被海河環(huán)繞，西側(cè)毗鄰商務(wù)區(qū)主干道，東側(cè)通過景觀橋橫跨海河與對岸相連接（圖1）。本項(xiàng)目的設(shè)計概念是將建筑形態(tài)、結(jié)構(gòu)受力以及文化符號統(tǒng)一為“蜂巢”狀的六邊形原型。整個建筑的外立面由五種不同尺寸的六邊形窗構(gòu)成，這也是對中國古典建筑中經(jīng)典“六棱窗”的一種全新發(fā)展與創(chuàng)新（圖2、3、4、5）。整個項(xiàng)目由兩棟塔樓及裙房組成，一號塔樓為五星級酒店，總高102m；二號塔樓為辦公酒店綜合體，總高358m；裙房為酒店大堂及配套商業(yè)、餐飲等設(shè)施。（圖6、7）

4.2自然通風(fēng)策略的技術(shù)探究

4.2.1對于機(jī)電設(shè)計專項(xiàng)的研究

在本項(xiàng)目機(jī)電設(shè)計中，力求創(chuàng)建智能化辦公，搭建先進(jìn)的通訊與計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)信息高速公路，其中包括結(jié)構(gòu)化綜合布線與光纖電纜傳輸、綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)、萬兆以太網(wǎng)、數(shù)字程控交換機(jī)通訊等。對于空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計，酒店空調(diào)全年同時供冷供熱，辦公樓采用變風(fēng)量空調(diào)（AVA）系統(tǒng)。在保證室內(nèi)優(yōu)良的空氣品質(zhì)的同時，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行節(jié)能，為辦公樓的租戶提供便利的24小時供冷系統(tǒng)。空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)設(shè)置熱回收裝置，回收排風(fēng)中的冷、熱氣，并將鍋爐煙氣進(jìn)行余熱回收用于預(yù)熱生活熱水。采用高能效比的制冷機(jī)組，配備機(jī)房群檢及BMS系統(tǒng)，所有設(shè)備將根據(jù)總冷負(fù)荷變化進(jìn)行優(yōu)化的運(yùn)行控制。全樓的空調(diào)、通風(fēng)系統(tǒng)采用直接數(shù)字控制（DDC）系統(tǒng)進(jìn)行自控，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行管理的數(shù)字化和計算機(jī)操作。

從以上機(jī)電設(shè)計概況可以看出此項(xiàng)目設(shè)計機(jī)電空調(diào)系統(tǒng)屬于全空氣系統(tǒng)，新風(fēng)由室外經(jīng)新風(fēng)機(jī)組處理后送入室內(nèi)，通常該新風(fēng)機(jī)組是以滿足室內(nèi)衛(wèi)生要求而不是負(fù)擔(dān)室內(nèi)負(fù)荷未使用的。送風(fēng)溫度、相對濕度、二氧化碳（C02）濃度等都受控于新風(fēng)機(jī)組。變風(fēng)量空調(diào)（AVA）系統(tǒng)在風(fēng)機(jī)上安裝變頻器，通過室內(nèi)的感應(yīng)探頭對溫度進(jìn)行分析，通過中央控制器改變變頻器的頻率，從而達(dá)到改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來控制室內(nèi)溫度。較定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)在節(jié)能與室內(nèi)空氣舒適度上已有提高，但仍然存在著中央空調(diào)系統(tǒng)的多項(xiàng)弊端。

4.2.2立面開窗的可能性

本項(xiàng)目位于天津響螺灣，海河環(huán)繞，空氣質(zhì)量好，地段周邊環(huán)境優(yōu)美，從室外空氣質(zhì)量與噪聲的角度具備立面開窗的可能性。從機(jī)電節(jié)能設(shè)計的角度分析，項(xiàng)目采用變風(fēng)量空調(diào)（AVA）系統(tǒng)，新風(fēng)量增加會改變系統(tǒng)負(fù)荷，通過控制器的調(diào)控可以達(dá)到環(huán)保節(jié)能的效果。

通過現(xiàn)地數(shù)據(jù)采集研究室外風(fēng)速對自然通風(fēng)的影響，《天津中鋼國際廣場風(fēng)洞測壓試驗(yàn)報告》（以下簡稱《報告》）給出的極值壓力已經(jīng)考慮了封閉結(jié)構(gòu)的內(nèi)壓值，因此給出的結(jié)果可直接作為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計。從統(tǒng)計結(jié)果可知塔樓立面風(fēng)壓值與規(guī)范值基本相當(dāng)；T2塔樓邊角的負(fù)壓很高（圖8）。因此在T2的轉(zhuǎn)角位置應(yīng)避開幕墻窗開啟，其余部位外墻風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)值從《報告》中可以查到除去轉(zhuǎn)角后最大風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)值（100m以上部位）多在-4-2.5之間，參考《建筑外門窗氣密＼水密＼抗風(fēng)壓性能分級和檢測方法》，選擇抗風(fēng)壓性能等級6級，立面開窗可滿足要求。

4.2.3高層開窗安全性研究

通過提高窗下口據(jù)室內(nèi)地面的高度，采用高窗的設(shè)計以滿足內(nèi)部人員的安全要求，同時也可解決臨近窗口的工位受自然通風(fēng)影響過大的問題。開啟窗扇在滿足各項(xiàng)結(jié)構(gòu)指標(biāo)的前提下，增加安全技術(shù)的應(yīng)用，例如智能電動開窗器，可與空調(diào)系統(tǒng)、消防系統(tǒng)聯(lián)動，加強(qiáng)高層建筑立面外開窗的安全可靠性。

4.2.4立面設(shè)計和幕墻體系與立面開窗的研究

立面外形設(shè)計為中國古典建筑中經(jīng)典“六棱窗”，在設(shè)計中留有300寬外窗臺（圖9），當(dāng)采用上懸外開窗時，開啟后不會突出外鋁板幕墻，避免破壞“六棱窗”的整體造型（圖10）。本項(xiàng)目立面采用單元式幕墻，減少高空室外作業(yè)和現(xiàn)場施工，工廠加工質(zhì)量更有保證，同時為開窗提供了很好的條件。（圖11、12）

5 結(jié)語

表1是筆者對北京一些高層辦公建筑自然通風(fēng)情況所做調(diào)研，在本項(xiàng)目自然通風(fēng)策略技術(shù)設(shè)計中有所借鑒。針對本項(xiàng)目，綜合初設(shè)時的設(shè)計條件，以及對本項(xiàng)目地理位置、自然條件、平面功能、立面特性、幕墻構(gòu)造等的分析，在施工圖階段向業(yè)主提出了改進(jìn)的室內(nèi)通風(fēng)策略措施，即通過開窗，利用自然通風(fēng)與機(jī)械通風(fēng)的混合模式，提高辦公室內(nèi)舒適度，減少空調(diào)能耗。

現(xiàn)在北京辦公樓通常的出租率約65%左右，個別辦公樓因設(shè)計造型美觀、空間合理、環(huán)境舒適，辦公出租率得以提高。設(shè)計和建造更舒適節(jié)能的辦公建筑是每個參與人的社會責(zé)任。技能環(huán)保的設(shè)計理念會不斷推動材料與技術(shù)的革新，同時新材料與技術(shù)轉(zhuǎn)向推動建筑走向更加節(jié)能和健康。