舊工業(yè)建筑綠色生態(tài)更新中的自然通風(fēng)設(shè)計(jì)探討
——以雄安新區(qū)某建筑為例

文/中國(guó)建筑設(shè)計(jì)咨詢有限公司 劉 敏 李新中 李天陽(yáng) 吳越超徐 風(fēng) 劉 恒

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，大量工業(yè)建筑面臨更新改造。為實(shí)現(xiàn)建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展，采取低成本的綠色化改造策略，如太陽(yáng)光及自然通風(fēng)的利用、結(jié)構(gòu)和建材的保留及再生等應(yīng)是舊工業(yè)建筑再生利用的主導(dǎo)方向。

本文探討工業(yè)建筑更新改造中自然通風(fēng)的有效利用。相較于公共建筑，工業(yè)建筑空間寬敞、進(jìn)深大，自然通風(fēng)可利用區(qū)域較小。在保留工業(yè)建筑原有立面體系和結(jié)構(gòu)前提下，如何通過(guò)平面布局劃分、通風(fēng)開(kāi)口設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部功能區(qū)的自然通風(fēng)效果，對(duì)建筑改造設(shè)計(jì)實(shí)踐具有積極意義。

1 工程概況

1.1 現(xiàn)狀調(diào)研

項(xiàng)目位于雄安新區(qū)容城縣，建筑為南北朝向，用地東側(cè)及南側(cè)為城市交通路，北側(cè)為鍋爐房和酒店。大樓原為制衣車間，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。樓中段為兩跨大空間，東側(cè)為衛(wèi)生間及樓梯，西側(cè)設(shè)1部貨梯及樓梯，改造前如圖1所示，改造后主要功能為辦公。

圖1 改造前

圖2 改造后平面

經(jīng)檢測(cè)，主體結(jié)構(gòu)質(zhì)量較好，因此不做改動(dòng)，局部樓板根據(jù)機(jī)電要求增加板洞。

建筑平面布局為大開(kāi)間，中間設(shè)1條東西向走道，不利于自然通風(fēng)。南、北立面窗墻面積較大，窗墻比分別為0.6和0.5。大開(kāi)間南北寬度約19.35m，單側(cè)進(jìn)深9.6m，雙側(cè)采光。經(jīng)自然采光模擬分析，進(jìn)深7m以內(nèi)區(qū)域采光效果較好。立面改造時(shí)，僅對(duì)原有墻面進(jìn)行局部處理，外窗面積保持現(xiàn)狀，替換原門(mén)窗為節(jié)能門(mén)窗。

改造后，大樓設(shè)置變制冷劑流量多聯(lián)分體式空調(diào)加新風(fēng)系統(tǒng)。

1.2 平面布局改造

大樓南側(cè)面向交通主干道，為減少外界氣候和噪聲對(duì)辦公空間的直接影響及在室內(nèi)空間形成1條合理便捷的交通流線，改造建筑平面布局，在南向設(shè)置封閉式外廊。為保證自然采光效果，封閉式外廊北側(cè)（靠近辦公側(cè)）采用玻璃隔斷（見(jiàn)圖2）。

2 自然通風(fēng)設(shè)計(jì)思路

2.1 設(shè)計(jì)難點(diǎn)

為獲得較好采光及視野效果，封閉式走廊南向窗墻比較大，溫室效應(yīng)明顯。如何通過(guò)自然通風(fēng)排出走廊熱負(fù)荷，減少夏季日間辦公功能區(qū)的制冷負(fù)荷，在過(guò)渡季和夏季夜間將室外新風(fēng)引入辦公區(qū)，改善熱環(huán)境及空氣質(zhì)量，是該改造項(xiàng)目自然通風(fēng)設(shè)計(jì)難點(diǎn)之一。

該改造項(xiàng)目工作周期短，2018年2月開(kāi)始方案設(shè)計(jì)，同年6月底須完成施工。為配合項(xiàng)目進(jìn)度，自然通風(fēng)的設(shè)計(jì)分析需及時(shí)跟進(jìn)，不同設(shè)計(jì)階段采取不同分析方法。

2.2 效果判定指標(biāo)

為更直觀了解自然通風(fēng)效果，依據(jù)GB/T 50378-2014《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》[1]中按熱舒適要求對(duì)室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度進(jìn)行分級(jí)，及依據(jù)GB/T 50189-2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[2]要求主要功能房間平均自然通風(fēng)換氣次數(shù)不小于2次/h等規(guī)定，本文按自然通風(fēng)換氣次數(shù)和自然通風(fēng)后房間溫度值，將自然通風(fēng)效果分為3個(gè)等級(jí)：一般、較好、很好（見(jiàn)表1）。自然通風(fēng)換氣次數(shù)不低于2次/h是該項(xiàng)目各功能房間自然通風(fēng)的最低要求。

表1 自然通風(fēng)效果等級(jí)判斷條件

2.3 研究目的及方法

采用數(shù)值模擬手段，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)各朝向外窗及玻璃隔斷的通風(fēng)開(kāi)口，包括開(kāi)口面積及位置，合理組織室外氣流進(jìn)入辦公空間的流向。

方案階段，為及時(shí)快速地提出自然通風(fēng)設(shè)計(jì)建議，采用只關(guān)注流體宏觀運(yùn)動(dòng)的多區(qū)域網(wǎng)絡(luò)模型法[3]進(jìn)行分析，得出各朝向外窗及玻璃隔斷的通風(fēng)開(kāi)口面積。

初步設(shè)計(jì)和施工圖階段，為詳細(xì)描述空氣流場(chǎng)，采取CFD方法，對(duì)通風(fēng)開(kāi)口位置提出建議，并驗(yàn)證通風(fēng)開(kāi)口面積能否滿足自然通風(fēng)的最低要求。

3 邊界條件說(shuō)明

3.1 室外氣象參數(shù)

雄安地區(qū)室外計(jì)算參數(shù)如表2所示。過(guò)渡季選擇為每年3月16日—5月31日及9月1日—11月13日。夏季夜間溫度和過(guò)渡季最多風(fēng)向、風(fēng)速和平均溫度根據(jù)《中國(guó)建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》提供的逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得出。

3.2 建筑表面風(fēng)壓參數(shù)

建筑表面風(fēng)壓通過(guò)模擬項(xiàng)目所在小區(qū)的場(chǎng)地風(fēng)環(huán)境得出。

3.3 CONTAM計(jì)算參數(shù)說(shuō)明

CONTAM軟件主要使用孔口阻力模型對(duì)各通路阻力特性（如門(mén)、窗等）進(jìn)行描述。研究中，門(mén)的流量系數(shù)取0.80，指數(shù)取0.50；窗戶流量系數(shù)取0.65，指數(shù)取0.50。

過(guò)渡季自然通風(fēng)時(shí)室內(nèi)外溫差不大，因此室內(nèi)發(fā)熱量不考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱及蓄熱，僅考慮太陽(yáng)通過(guò)玻璃的直射輻射、人員顯熱負(fù)荷、照明及設(shè)備負(fù)荷。其中，太陽(yáng)直射輻射取過(guò)渡季12∶00～16∶00時(shí)逐時(shí)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度值。

3.4 CFD計(jì)算參數(shù)說(shuō)明

計(jì)算模型中涉及的邊界包括外墻、內(nèi)墻、屋頂、外窗、外門(mén)、內(nèi)門(mén)、內(nèi)擾及地面等。

屋頂、外墻及內(nèi)墻設(shè)置為第二類邊界條件。

室內(nèi)熱擾包括人員、電腦、燈光發(fā)熱。人員和電腦發(fā)熱設(shè)置為單位體積設(shè)備發(fā)熱量，燈光發(fā)熱量為單位面積發(fā)熱量。

地面設(shè)置為絕熱邊界條件。

4 自然通風(fēng)結(jié)果及分析

方案階段采用CONTAM軟件建立過(guò)渡季自然通風(fēng)物理模型。各朝向開(kāi)窗比例的設(shè)計(jì)建議如表3所示，此時(shí)辦公區(qū)的換氣次數(shù)可達(dá)2.9～3.2次/h。

初步設(shè)計(jì)及施工圖設(shè)計(jì)階段采用CFD方法對(duì)南向開(kāi)啟扇和玻璃隔斷開(kāi)口的具體面積及位置進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算，建議南立面上下部均設(shè)置通風(fēng)口，且上下部通風(fēng)開(kāi)口錯(cuò)開(kāi)。為將室外新風(fēng)引入辦公區(qū)域，在玻璃隔斷上方設(shè)置通風(fēng)開(kāi)口（見(jiàn)圖3）。

夏季日間辦公區(qū)空調(diào)運(yùn)行時(shí)，關(guān)閉玻璃隔斷的通風(fēng)開(kāi)口，只開(kāi)啟南立面外窗上部及下部的通風(fēng)口，利用煙囪效應(yīng)排掉走廊內(nèi)的熱空氣（見(jiàn)圖4，5）。此時(shí)，走廊人行區(qū)溫度為31.3～32.7℃，比人員短期逗留區(qū)域空調(diào)室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)高1.3～2.7℃。

過(guò)渡季及夏季夜間，關(guān)閉南立面外窗下部的通風(fēng)開(kāi)口，開(kāi)啟南立面外窗上部及防火隔斷的開(kāi)口，在辦公區(qū)形成較好的自然通風(fēng)（見(jiàn)圖6，7）。過(guò)渡季自然通風(fēng)計(jì)算統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示。夏季夜間（19∶00～05∶00）自然通風(fēng)時(shí)，辦公區(qū)溫度為24.6～25.4℃。

表2 雄安地區(qū)室外計(jì)算參數(shù)

表3 方案階段開(kāi)窗比例建議

圖3 通風(fēng)開(kāi)口設(shè)置

圖4 夏季日間剖面風(fēng)速示意

圖5 夏季日間剖面溫度示意

圖6 過(guò)渡季及夏季夜間剖面風(fēng)速示意

圖7 過(guò)渡季及夏季夜間剖面溫度示意

表4 過(guò)渡季自然通風(fēng)計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)語(yǔ)

在保留原有立面體系及結(jié)構(gòu)的前提下，改造寒冷地區(qū)制衣車間的功能平面布局[4]。為兼顧采光、降噪、通風(fēng)、冬季采暖、交通流線等因素，在南向采用玻璃隔斷形成封閉式外廊。從方案到施工圖設(shè)計(jì)階段，分別采用多區(qū)域網(wǎng)絡(luò)模型法和CFD方法，以快速響應(yīng)建筑師在不同階段的設(shè)計(jì)需求。

分析結(jié)果表明，夏季日間關(guān)閉玻璃隔斷的高側(cè)窗，開(kāi)啟南立面上下部的外窗，引導(dǎo)外廊內(nèi)熱空氣排出室外，走廊人行區(qū)溫度略高于人員短期逗留區(qū)域空調(diào)室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)的要求，具有降低溫室效應(yīng)的效果；過(guò)渡季及夏季夜間（19∶00～05∶00）開(kāi)啟南面下部的外窗及玻璃隔斷的高側(cè)窗，在辦公區(qū)形成類似置換的效果，過(guò)渡季自然通風(fēng)換氣次數(shù)達(dá)2.9～8.4次/h，人行區(qū)溫度21.0～31.0℃，夏季夜間辦公區(qū)溫度為24.6～25.4℃。