太陽能煙囪加強建筑中庭空間熱壓通風的設(shè)計方法研究＊

李麟學 張琪 彼得·特魯默 周凱鋒

1 研究背景

隨著城市化進程的推進，建筑的實際運行越來越依賴設(shè)備驅(qū)動與空調(diào)調(diào)節(jié)，使其面臨高能耗與低舒適的挑戰(zhàn)，設(shè)備環(huán)境下的高舒適會消耗大量的運行能源，運行機械空調(diào)時的建筑能耗顯著高于自然通風模式[1]。氣候是城市中最后未被人工化的自然[2]，自然通風可以利用自然氣候要素改善建筑空間性能，調(diào)控環(huán)境。但在大型建筑空間中，常見的風壓通風往往難以發(fā)揮有效性能，而熱壓通風取決于室內(nèi)外溫度差與氣流通道的高度或通風口之間的垂直距離，對解決大尺度空間的通風問題尤為有效，可利用于建筑的中庭空間、過渡空間、雙層界面空間。通過有效的空間組織、合理的體型和構(gòu)造設(shè)計，可以實現(xiàn)對室內(nèi)外環(huán)境的性能化調(diào)節(jié)，把環(huán)境調(diào)控的技術(shù)手段融入建筑的本體要素[3]。

1993年，印度環(huán)境規(guī)劃和技術(shù)中心大學的Narendra Kumar Bansal等發(fā)表了太陽能煙囪輔助風塔系統(tǒng)應(yīng)用于建筑物自然通風的研究，指出太陽能煙囪與風塔結(jié)合應(yīng)用的優(yōu)勢[4]。1994年，Ammar Bouchair提出英國暖通設(shè)計手冊的溫度指標未考慮空氣流速，可通過加強自然通風加快空氣流速而改善人體熱舒適狀況，并使用煙霧追蹤法圍繞熱力學煙囪進行了相關(guān)實驗研究[5]。2000年，Antonio Moret Rodrigues等研究了太陽能煙囪的溫度和風速，在空氣流量與空氣流動方面有了更深入的研究成果，為太陽能煙囪創(chuàng)新設(shè)計與應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)[6]。2003年，Chen Zhengdong等通過實驗研究了傾斜和垂直兩種太陽能煙囪的性能，提出傾斜45°的煙囪效果更好，但并未發(fā)現(xiàn)最佳高寬比[7]。在國內(nèi)，2003年王麗萍等人搭建了太陽能煙囪模型，并通過實驗表明，煙囪高度越高、室外溫度越高，則通風量越大[8]。2003年，翟曉強等人研究太陽能煙囪與建筑結(jié)構(gòu)相結(jié)合的形式，提出太陽能煙囪與集熱板協(xié)調(diào)作用的空調(diào)房，并在生態(tài)建筑中運用了三種能量系統(tǒng)[9]。2005年蘇醒等人研究了太陽能煙囪的實際應(yīng)用，綜合考慮太陽輻射、日照、風壓、高度等因素，并提出與風塔、天井、樓梯間等的結(jié)合方式[10]。本文主要研究利用太陽能煙囪加強建筑中庭空間熱壓通風，并在既有理論基礎(chǔ)上重點研究其在實際案例中的應(yīng)用策略及設(shè)計方法。

2 太陽能煙囪

16世紀，太陽能煙囪作為通風裝置出現(xiàn)在意大利，被稱為“Scirocco Rooms”（熱風房間）。在我國傳統(tǒng)建筑四合院中，細高的天井也利用太陽能煙囪原理實現(xiàn)通風和降溫，這些都是太陽能煙囪的“原型”。1967年，菲利斯·特朗博（Felix Trombe）提出“太陽能吸熱壁”（圖1），后被稱為“特朗博墻”（Trombe Wall），在特朗博墻的設(shè)計中，煙囪井道內(nèi)深色蓄熱材料吸收射透玻璃蓋板的太陽能輻射，加熱井道內(nèi)空氣使其向上流動，并引入底部空氣，強化空氣流動，這是首個真正意義上的建筑太陽能煙囪。太陽能煙囪在發(fā)展中演化為多種形式，集中表現(xiàn)為特朗博墻、豎向集熱板和傾斜集熱板屋頂、通風塔三種形式，例如奧地利林茨設(shè)計中心（Design Center Linz）采用了特朗博墻結(jié)構(gòu)，在展廳外側(cè)設(shè)置雙層玻璃幕墻，實現(xiàn)氣流循環(huán)；英國德蒙福特大學（De Montfort University）女王館則采用了通風塔（圖2）。

太陽能煙囪根據(jù)位置不同可以分為三種形式：1）建筑內(nèi)置豎向貫通空間，包括管道井、電梯井、核心筒的通風廊道等；2）封閉式中庭空間；3）依附于建筑外立面，與建筑立面融為一體，成為構(gòu)型元素。三種形式各有優(yōu)缺點，如表1所示。

3 設(shè)計方法和應(yīng)用轉(zhuǎn)化

3.1 項目概況

研究項目崇明體育訓練基地1號樓（以下簡稱“1號樓”）位于上海市北部崇明區(qū)，屬于夏熱冬冷地區(qū)，過渡季較長。利用Ladybug Tools對上海進行氣候參數(shù)（全年輻射量、太陽高度角以及風玫瑰圖）可視化分析，可以看出上海在夏季有良好的東南風，適合利用自然通風進行環(huán)境調(diào)節(jié)（圖3）。

1號樓位于基地西南角，為運動員公寓及管理樓，設(shè)計關(guān)注到崇明生態(tài)島背景下“建筑生態(tài)實驗”這一命題，以性能為出發(fā)點探索環(huán)境、建筑、系統(tǒng)的協(xié)同關(guān)系。1號樓建筑高度50m，標準層面積約750～800m2，采用開放式中庭，結(jié)合風環(huán)境進行外部造型優(yōu)化，形成漸變式幕墻單元，建筑中心設(shè)置交通核，上下對應(yīng)，尺寸相同（圖4）。本文主要針對1號樓太陽能煙囪尺度參數(shù)與窗戶開啟情況進行多參數(shù)性能分析，并圍繞舒適性指標進行綜合評價。

3.2 太陽能煙囪初始方案

3.2.1 位置及數(shù)量

太陽能煙囪設(shè)計應(yīng)減小對室內(nèi)使用空間的影響，同時結(jié)構(gòu)合理。基于以上原因及項目的定位要求，在統(tǒng)籌考慮建筑的功能、結(jié)構(gòu)、形式等基礎(chǔ)上，將太陽能煙囪設(shè)置于中庭邊緣，與核心筒相鄰，上下尺寸統(tǒng)一（圖5），利用中庭空間，形成更加便捷的室內(nèi)外空氣聯(lián)動。在建筑十層標高位置設(shè)置屋頂花園，作為太陽能煙囪的集熱區(qū)域及出風口。

1號樓一至二層為入口大廳，三層及以上為辦公及公寓區(qū)域。煙囪設(shè)置考慮功能分區(qū)，避免建筑上下風速差過大，同時考慮防火分區(qū)，避免一至二層發(fā)生火災(zāi)牽連至以上樓層，分區(qū)設(shè)置東、西兩個煙囪，西側(cè)煙囪C1負責一至二層中庭通風，東側(cè)煙囪C2負責三至九層中庭通風。

3.2.2 形式及尺寸

1號樓平面布局規(guī)整，核心筒可用尺寸約10m×14.8m，根據(jù)功能要求，需設(shè)置四部客梯及一部疏散樓梯，通過核心筒優(yōu)化設(shè)計，將太陽能煙囪與電梯井相鄰，C1、C2煙囪尺寸分別為1 400mm×2 300mm和1 400mm×5 600mm（圖6）。

相比于固定的平面尺寸，太陽能煙囪的高度較靈活，可結(jié)合建筑造型、屋頂設(shè)備用房等調(diào)整高度，但頂部作為其集熱區(qū)域及出風口，需高于建筑屋頂。

表1 太陽能煙囪形式及其優(yōu)缺點

1 特朗博墻—太陽能吸熱壁

2 德蒙福特大學女王館風塔

3 項目基本情況及氣候分析

4 崇明體育訓練基地1 號樓實景5 太陽能煙囪位置

3.2.3 各層風口面積

為保證太陽能煙囪風口面積滿足需求，根據(jù)暖通工程師的計算，得到每層風口百葉尺寸大小需求（表2）。C1和C2煙囪管井在九層以上合并，形成一個整體。

最后通過計算，分別得出C1和C2兩個煙囪玻璃幕墻、吸熱板、出口的尺寸（表3）和最終的整體設(shè)計效果（圖7-9）。

3.3 模擬優(yōu)化

3.3.1 模型建立

將建筑模型簡化，保留必要的邊界條件，選用Fluent①軟件模擬室內(nèi)風環(huán)境，研究太陽能煙囪變量與室內(nèi)風環(huán)境的動態(tài)關(guān)系，確定優(yōu)化策略。太陽能煙囪主要服務(wù)于中庭、走廊等建筑自然通風的主要區(qū)域，C1、C2煙囪負責不同區(qū)域及樓層（圖10,11），相應(yīng)研究區(qū)域的詳細數(shù)據(jù)如表4所示。

3.3.2 變量設(shè)定

為分析室內(nèi)風環(huán)境與太陽能煙囪的動態(tài)關(guān)系，選定以下三個變量：

（1）季節(jié)

上海地區(qū)冬春時期室外氣溫為10℃左右，無法滿足人體舒適度要求，因此不作太陽能煙囪模擬考慮。氣象參數(shù)選取典型氣象年的5月12日和10月15日工作時間內(nèi)（8時—17時）的逐時氣象參數(shù)（溫度和太陽輻射強度），即春季和秋季的兩個時間段，具體參數(shù)見表5。

（2）煙囪高度

結(jié)合建筑形體，在滿足造型、功能及結(jié)構(gòu)要求的基礎(chǔ)上調(diào)整煙囪高度，煙囪與核心筒結(jié)合整體凸出建筑屋面。1號樓在十層（37.5m標高）設(shè)有屋頂花園，建筑屋頂結(jié)構(gòu)標高為49.2m。為了實現(xiàn)太陽能煙囪的優(yōu)化效果，設(shè)置三種高度模式，分別為41.4m、49.2m及56.0m。41.4m高度模式在十層花園的基礎(chǔ)上提高一層高度，作為太陽能煙囪上方的集熱區(qū)；49.2m高度模式與建筑屋頂結(jié)構(gòu)標高相等，以減少建筑形體的復雜程度；56.0m高度模式在屋頂機房標高的基礎(chǔ)上，進一步提高煙囪高度，同時保證人視點建筑形體效果（圖12）。

（3）開窗方式

表2 各層拔風井百葉口尺寸

表3 太陽能煙囪尺寸

表4 建筑各樓層自然通風區(qū)域概況

6 太陽能煙囪尺寸示意圖

7 太陽能煙囪示意圖

8 太陽能煙囪內(nèi)黑色集熱板9 太陽能煙囪南側(cè)玻璃立面

10 西側(cè)拔風井及其負責的通風區(qū)域11 東側(cè)拔風井及其負責的通風區(qū)域

開窗方式主要包括每層開啟扇的位置及數(shù)量，不同開窗方式會對室內(nèi)風速及中和面產(chǎn)生不同影響。1號樓采用玻璃幕墻圍護，一層大堂空間內(nèi)除部分設(shè)備及后勤用房外均可開窗；二層除會議室外，西側(cè)及東側(cè)走道均可開窗；三至九層除辦公及公寓功能外，北側(cè)、南側(cè)及西側(cè)均可開窗。為初步判斷開窗數(shù)量，首先將全部窗扇打開作為模擬對照組。一至二層模擬結(jié)果顯示，一層風量遠大于所需風量，而二層風量很小，甚至出現(xiàn)倒灌現(xiàn)象，說明中和面位置遠不能達到要求，需對底部和頂部的開窗情況進行調(diào)整，依次減少為初始數(shù)目的0.5倍和0.1倍，與對照組進行模擬對比；三至九層模擬結(jié)果顯示，三至五層通風量遠大于需求，而七至九層呈現(xiàn)愈發(fā)嚴重的倒灌現(xiàn)象，說明中和面位于六至七層之間，需調(diào)整低樓層開窗情況，提升中和面高度，依次減少三至七層的開窗數(shù)，與對照組進行模擬對比。開窗對比方案及參數(shù)如圖13和表6所示。

綜上，匯總上述三種變量及其值的設(shè)定，如表7所示。

3.3.3 評價標準

（1）新風量

表5 5 月12 日和10 月15 日逐時氣象參數(shù)

表6 開窗參數(shù)

表7 模擬變量設(shè)定分類②

12 太陽能煙囪高度示意圖

13 開窗方案示意圖

從室外引入室內(nèi)的新鮮空氣能夠降低室內(nèi)污染，是一個重要的衡量指標。太陽能煙囪可以形成自然通風，滿足室內(nèi)新風量要求。根據(jù)設(shè)計計算書可得到每層自然通風區(qū)域所需的最小新風量，如表8所示。

（2）室內(nèi)熱舒適

采用適應(yīng)熱舒適模型確定自然通風室內(nèi)的舒適溫度范圍。隨著室外溫度變化，用戶對室內(nèi)溫度的期待值會產(chǎn)生變化，將室內(nèi)最舒適溫度值與室外月平均溫度關(guān)聯(lián)，得到線性公式tcomf=0.31ta,out+17.8③。最終所得每個月室內(nèi)舒適溫度范圍如表9所示，由此可知，5月和10月的室內(nèi)舒適度區(qū)間分別為20.7～28.4°C及19.8～27.5°C。另根據(jù)《采暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》（GB 50019-2003）及《辦公建筑設(shè)計規(guī)范》（JGJ 67-2006），風速不超過0.3m/s為舒適狀態(tài)。

3.3.4 模擬結(jié)果

通過Fluent軟件對所設(shè)太陽能煙囪模型進行模擬，得到結(jié)果如表10,11所示。在氣候條件為春季、煙囪高度為41.4m的前提下，窗戶全開時一層全部時間為新風，通風量為3.3～10.2m3/s，二層出現(xiàn)倒灌，三至六層全部時間為新風，通風量為0.4～7.1m3/s，七至九層出現(xiàn)倒灌；室內(nèi)整體溫差均勻，一至二層在20～24℃間變化，三至九層在20～23℃間變化，相同時間段溫差相差在1℃以內(nèi)；一至二層室內(nèi)相同時間段風速相差在0.07m/s內(nèi)，三至九層室內(nèi)相同時間段風速相差在0.06m/s內(nèi)。減少部分開窗數(shù)后，一至二層全部為新風，三至七層全部為新風，八至九層出現(xiàn)倒灌現(xiàn)象；室內(nèi)整體溫差均勻，一至二層在20～24.2℃間變化，三至九層在20～23℃間變化，相同時間段內(nèi)溫差相差在1℃以內(nèi)；整體風速較為均勻，一至二層在0.09～0.18 m/s間變化，三至九層在0.1～0.20 m/s間變化，相同時間段風速相差在0.07m/s內(nèi)。開窗數(shù)量再次減少后，一至二層、三至七層全部時間為新風，八層部分時間為新風，九層出現(xiàn)倒灌現(xiàn)象，中和面位于八層；室內(nèi)溫度、風速變化稍有增加但整體分布均勻。秋季分析呈現(xiàn)相似現(xiàn)象。

表8 各層所需新風量

表9 每個月室內(nèi)舒適溫度范圍

14 模擬變量設(shè)定示意圖

表10 一至二層模擬結(jié)果數(shù)據(jù)匯總

表11 三至九層模擬結(jié)果數(shù)據(jù)匯總

表12 方案對比匯總④

表13 最優(yōu)方案MC-03 參數(shù)

15 改進前后的中和面位置對比16 一層及西側(cè)拔風井風速圖17 三層及東側(cè)拔風井風速圖

隨著開窗面積減少，總體表現(xiàn)為中和面上移、室內(nèi)溫度基本不變、最高溫度上升、風速減小等關(guān)系特征。建筑開窗對中和面影響較大，為使更多樓層獲取新風，需適當提高建筑中和面，采用“上多下少”的開窗方案。

在不同煙囪高度的模擬中，隨著煙囪高度增高，建筑中和面無明顯變化，呈通風量增大、室內(nèi)溫度降低趨勢，室內(nèi)風速基本保持不變。

3.3.5 最優(yōu)方案

按照最初設(shè)定的評價標準，對各方案進行舒適需求匯總，如表12所示，從而選出最優(yōu)方案。可以看出，MC-X-03與MC-Q-03基本滿足各標準要求，即煙囪高度56m、開窗最少的方案，詳細參數(shù)如表13所示。

最后，對所選最優(yōu)方案的室內(nèi)溫度、風速、通風等進行了數(shù)據(jù)可視化分析驗證，得出每個樓層自然通風的風速、風壓、溫度以及東西兩側(cè)拔風井的拔風效果。結(jié)果表明上述指標均能夠基本滿足人體對環(huán)境的舒適性要求，說明本方案具有較強的實際價值和示范作用（圖15-17）。

4 總結(jié)

建筑是環(huán)境的媒介，與環(huán)境的互動可以呈現(xiàn)出超越技術(shù)的集合體。本文研究了太陽能煙囪的基本原理，從位置、形式、高度、防火等角度對其進行系統(tǒng)分析，并以1號樓為例闡釋其在公共建筑空間中的設(shè)計及應(yīng)用。以煙囪高度、開窗位置為變量，通過模擬分析試驗不同變量對于太陽能煙囪通風性能的影響，并從立面、材料、風口、井道、外立面窗戶等方面進行深入研究，呈現(xiàn)了完整、系統(tǒng)性的利用太陽能煙囪加強中庭空間熱壓通風的設(shè)計方法，具有較強的應(yīng)用價值。

注釋

①Fluent是目前使用較多的CFD模擬軟件，有較高的精確度。該軟件既可以通過模擬獲取大量數(shù)據(jù)、進行對比分析，又能通過比較精確的圖示化語言反應(yīng)氣體、熱量的流動等。在方案設(shè)計前期使用Fluent，可以為節(jié)能設(shè)計提供更精準和更有導向性的建議。

②X代表春季，Q代表秋季；MA、MB、MC分別代表煙囪的三種高度，即41.4m、49.2m、56.0m；01、02、03代表上文所述三種開窗方式，分別為多開窗、中開窗、少開窗。

③tcomf為室內(nèi)最優(yōu)的舒適溫度，ta,out為室外空氣的平均溫度。

④√為滿足標準要求，○為基本滿足標準要求，×為不滿足標準要求。

圖表來源

1,12-14 作者自繪

2 來源于www.google.com

3-11,15-17 麟和建筑工作室提供

表1-13 作者自繪

項目信息

業(yè)主：上海體育職業(yè)學院

建設(shè)地點：上海市崇明區(qū)

建筑設(shè)計：同濟大學建筑設(shè)計研究院（集團）有限公司麟和建筑工作室

項目負責人：李麟學

設(shè)計團隊：劉旸、周凱鋒、王彥雯、吳琦

總建筑面積：41 700m2

設(shè)計時間：2013.10—2019.02

項目狀態(tài)：在建