大型商業(yè)綜合體無(wú)組織空氣滲透的優(yōu)化策略
——以杭州市某商業(yè)綜合體為例

吳津東 翁建濤 滕逢時(shí) 關(guān)康翔 Wu Jindong Weng Jiantao Teng Fengshi Guan Kangxiang

隨著城市居民生活水平日益提升，大型商業(yè)綜合體近年來(lái)得到了快速發(fā)展[1]。截至2018年，杭州市中心城區(qū)新建大型商業(yè)綜合體建筑總數(shù)超過(guò)了20個(gè)[2]。商業(yè)綜合體因其體量大、功能多、空間開(kāi)敞、人員密集等特征，需要特別重視室內(nèi)環(huán)境問(wèn)題。這一問(wèn)題不僅影響使用者的舒適和健康[3-6]，還與建筑物的運(yùn)行能耗密切相關(guān)[7-8]。

高大空間建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)縫隙及建筑開(kāi)口處的無(wú)組織空氣滲透現(xiàn)象普遍[9-10]，不僅如此，大型商業(yè)綜合體內(nèi)部的開(kāi)放式廚房還會(huì)造成建筑內(nèi)部嚴(yán)重的負(fù)壓狀態(tài)[11]。為了明確冬季工況下空氣滲透對(duì)高大空間建筑帶來(lái)的負(fù)面影響，有學(xué)者先后調(diào)研了多個(gè)機(jī)場(chǎng)、大型商業(yè)綜合體及工廠建筑，其結(jié)果顯示與普通空間建筑相比，高大空間建筑的冬季滲透空氣負(fù)荷占比更為突出[12]。

然而由于測(cè)試條件受限，在大型商場(chǎng)建筑運(yùn)行階段展開(kāi)詳細(xì)室內(nèi)環(huán)境及空氣滲透調(diào)查的研究較少，并且多數(shù)研究?jī)H關(guān)注冬季運(yùn)行情況而忽略了對(duì)夏季工況的分析。因此，本研究以杭州某商業(yè)綜合體為例，對(duì)其冬夏兩季運(yùn)行階段的空氣滲透現(xiàn)狀進(jìn)行測(cè)試和調(diào)研，確定冬夏兩季產(chǎn)生無(wú)組織空氣滲透的主要位置和成因，并根據(jù)分析結(jié)果提出適宜的優(yōu)化策略，以期對(duì)該類型的建筑空間設(shè)計(jì)、分層空調(diào)運(yùn)行優(yōu)化提供一定的理論和數(shù)據(jù)參考。

1 案例概況

在冬夏兩季對(duì)杭州25座大型商業(yè)綜合體進(jìn)行前期調(diào)研，筆者發(fā)現(xiàn)這些大型商業(yè)綜合體都存在著不同程度的空氣滲透問(wèn)題。選取其中一座典型大型商業(yè)綜合體作為研究對(duì)象，該綜合體于2017年底竣工，總建筑面積約220 000m2，共6層（圖1）。綜合體內(nèi)設(shè)若干通高采光中庭，首層5個(gè)主要人行出入口，頂層2個(gè)屋面出入口（圖2）。

2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及調(diào)研

通過(guò)對(duì)室內(nèi)溫度、出入口室內(nèi)外靜壓差和空氣滲透速率的實(shí)測(cè)，以及調(diào)研出入口門扇使用情況、餐廳排煙送風(fēng)設(shè)備使用情況和室內(nèi)人員環(huán)境感受投票的方法，對(duì)商業(yè)綜合體室內(nèi)空氣滲透及影響進(jìn)行研究。

2.1 實(shí)測(cè)內(nèi)容及方法

室內(nèi)外靜壓差監(jiān)測(cè)采用微壓差計(jì)對(duì)各層進(jìn)行測(cè)量和記錄，以判斷空氣滲透情況。通過(guò)測(cè)量各出入口的風(fēng)速和開(kāi)啟面積，計(jì)算建筑內(nèi)的空氣滲透量。同時(shí)，通過(guò)測(cè)量門斗和中庭空間的溫度分布，判斷空氣滲透對(duì)入口和室內(nèi)熱環(huán)境的影響。測(cè)試參數(shù)及儀器如表1所示。

表1 測(cè)試參數(shù)及儀器

2.2 調(diào)研內(nèi)容及方法

實(shí)地調(diào)研的內(nèi)容包括各出入口實(shí)際使用情況及餐飲商鋪排煙送風(fēng)的運(yùn)行情況，以判斷誘發(fā)室內(nèi)外壓差的因素。此外，采用問(wèn)卷調(diào)查的方式對(duì)商業(yè)綜合體內(nèi)部不同位置人員的實(shí)際熱感覺(jué)情況進(jìn)行調(diào)研，分析空氣滲透對(duì)主觀熱舒適度的影響。

3 實(shí)測(cè)及調(diào)研結(jié)果

3.1 實(shí)測(cè)結(jié)果

實(shí)際測(cè)試結(jié)果主要從室內(nèi)外靜壓差、各出入口空氣滲透率和室內(nèi)溫度三方面進(jìn)行表述，以確定造成空氣滲透主要因素的參數(shù)指標(biāo)及實(shí)際室內(nèi)情況。

3.1.1 室內(nèi)外靜壓差

研究選取冬夏兩季典型氣候日的各時(shí)段對(duì)商業(yè)綜合體室內(nèi)外靜壓差進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果根據(jù)式1進(jìn)行計(jì)算：

式1中ΔP為室內(nèi)外靜壓差，當(dāng)ΔP為0時(shí)表示該位置內(nèi)外壓強(qiáng)相同，當(dāng)ΔP為正值時(shí)，該位置可能存在空氣滲透。結(jié)果顯示，夏季壓差與高度呈正相關(guān)，該季節(jié)中和面位于距離地面約5m處，表示該高度以上開(kāi)口可能出現(xiàn)空氣滲透情況，而且高度越高，空氣滲透越顯著；冬季壓差與高度呈負(fù)相關(guān)，中和面位于距離地面20m處，表示該高度以下開(kāi)口可能出現(xiàn)空氣滲透情況，越接近地面，空氣滲透越顯著（圖3）。

在本案例中，建筑物開(kāi)口主要分布于首層及頂層。壓差檢測(cè)情況顯示，夏季頂部屋面出入口會(huì)出現(xiàn)較大的空氣滲透情況；冬季則恰恰相反，會(huì)在首層出入口存在較大空氣滲透情況。這一結(jié)論為各入口空氣滲透率檢測(cè)提供了依據(jù)。

3.1.2 各出入口空氣滲透率

研究對(duì)首層5個(gè)出入口及頂層2個(gè)出入口進(jìn)行了滲透率監(jiān)測(cè)。圖4顯示了冬夏兩季典型日各出入口日平均空氣滲透率（正值代表氣流滲入，負(fù)值代表氣流外溢），結(jié)果表明夏季首層各出入口均存在氣流外溢狀態(tài)，同時(shí)頂部出入口均呈現(xiàn)空氣滲透情況，頂部各入口平均滲透率達(dá)到12 000m3/h；冬季氣流運(yùn)動(dòng)情況相反，首層各出入口均呈現(xiàn)空氣滲透情況，平均滲透率約為4 000m3/h。由此可知，夏季整體滲透率高于冬季，其結(jié)果與室內(nèi)外靜壓差監(jiān)測(cè)結(jié)果吻合。

夏季中庭會(huì)受到較強(qiáng)的太陽(yáng)直射，導(dǎo)致其溫度相對(duì)較高。由于熱空氣的浮力作用，一般情況下高大空間建筑的熱空氣運(yùn)動(dòng)以上浮為主，而夏季測(cè)試結(jié)果所顯示的氣流運(yùn)動(dòng)方向卻與預(yù)期相反，可能是由于商業(yè)綜合體室內(nèi)空調(diào)制冷后產(chǎn)生大量低溫空氣，冷空氣因重力原因由中庭空間下沉并由底層出入口溢出，為平衡室內(nèi)外壓差，大量室外高溫氣流則由頂部出入口向室內(nèi)滲透。

3.1.3 室內(nèi)溫度分布

冬夏兩季測(cè)試期間室外空氣溫度分別維持在5.4～7.1°C和29.0～39.0°C，同時(shí)對(duì)室內(nèi)各樓層空氣溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，由于冬夏兩季空調(diào)系統(tǒng)均處于運(yùn)行狀態(tài)，因此商業(yè)綜合體的室內(nèi)溫度波動(dòng)幅度較小（圖5）。結(jié)果表明，夏季室內(nèi)存在顯著的垂直溫度梯度，垂直方向最大溫差達(dá)到4.7°C，這一現(xiàn)象在冬季并不明顯，垂直方向最大溫差為2.9°C，可能是因?yàn)橄募敬罅坷淇諝庀鲁烈约绊攲拥臒峥諝鉂B透加劇了垂直方向的溫度差異。

與此同時(shí)，對(duì)產(chǎn)生空氣滲透的位置進(jìn)行局部溫度監(jiān)測(cè)。夏季運(yùn)行階段室內(nèi)平均溫度為25～28°C，而頂層出入口室內(nèi)溫度高達(dá)32～37°C；冬季運(yùn)行階段室內(nèi)平均溫度為20～23°C，而一層出入口溫度僅為15～16°C（圖6）。這一結(jié)論充分反映了冬夏兩季商業(yè)綜合體內(nèi)無(wú)組織空氣滲透對(duì)室內(nèi)局部熱環(huán)境產(chǎn)生的顯著影響。

1 杭州某商業(yè)綜合體建筑外觀

2 杭州某商業(yè)綜合體平面布局示意圖

3 冬夏兩季室內(nèi)外靜壓差分布

4 冬夏兩季典型日各入口平均空氣滲透率

3.2 調(diào)研結(jié)果

為了進(jìn)一步探究導(dǎo)致大型商業(yè)綜合體內(nèi)部冬夏兩季產(chǎn)生無(wú)組織空氣滲透的因素以及對(duì)室內(nèi)人員舒適性造成的影響，筆者還現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研了建筑物出入口的實(shí)際運(yùn)行情況、餐飲商鋪設(shè)備運(yùn)行情況以及使用者的熱感覺(jué)。

3.2.1 出入口運(yùn)行情況

結(jié)果表明，首層出入口均設(shè)置了單層門斗，門斗內(nèi)配備風(fēng)幕機(jī)，在冬夏兩季運(yùn)營(yíng)階段，風(fēng)幕機(jī)均保持開(kāi)啟狀態(tài)，而頂層出入口均未設(shè)置門斗，只設(shè)置了防風(fēng)簾；冬季運(yùn)營(yíng)階段，為減少室外環(huán)境對(duì)室內(nèi)的影響，入口門扇處增設(shè)防風(fēng)簾；為方便顧客出入，各出入口門扇長(zhǎng)期處于開(kāi)啟狀態(tài)（圖7,8）。

夏季，頂層出入口門扇處于長(zhǎng)期敞開(kāi)狀態(tài)，空氣滲透情況明顯，不利于控制室內(nèi)熱環(huán)境；冬季，首層出入口現(xiàn)有的阻擋空氣滲透的緩沖設(shè)計(jì)效果也不夠理想。

3.2.2 餐飲商鋪設(shè)備運(yùn)行情況

餐飲分布于五至七層，為抽取有效樣本，將商鋪類型根據(jù)使用特征分為后廚加工與現(xiàn)場(chǎng)加工兩類，在調(diào)研期間對(duì)78家商鋪進(jìn)行抽樣調(diào)查，對(duì)其中抽取的6家餐廳（現(xiàn)場(chǎng)加工2家，后廚加工4家）進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研（圖9,10）。

結(jié)果表明，其中5家商鋪廚房設(shè)置了補(bǔ)風(fēng)設(shè)備，僅1家商鋪未設(shè)置。3家商鋪補(bǔ)風(fēng)設(shè)備聯(lián)動(dòng)抽油煙機(jī)，有1家商鋪不清楚補(bǔ)風(fēng)設(shè)備的機(jī)制，因噪聲、設(shè)備吹風(fēng)原因，拒絕開(kāi)啟設(shè)備，另外2家從未開(kāi)啟。即使多數(shù)商鋪配備補(bǔ)風(fēng)設(shè)備，仍然存在半數(shù)商鋪未能進(jìn)行有效補(bǔ)風(fēng)。就餐高峰期補(bǔ)風(fēng)設(shè)備運(yùn)行情況不理想導(dǎo)致排風(fēng)量遠(yuǎn)大于補(bǔ)風(fēng)量，由此引發(fā)的建筑體內(nèi)部負(fù)壓現(xiàn)象同樣是引起冬季出入口空氣滲透的重要因素之一。

3.2.3 使用者實(shí)際熱感覺(jué)

無(wú)組織空氣滲透所引發(fā)的環(huán)境問(wèn)題會(huì)直接影響消費(fèi)者的熱舒適度，對(duì)于商業(yè)綜合體這種人員密集的大型公共建筑而言，消費(fèi)者對(duì)室內(nèi)環(huán)境的認(rèn)可不可忽略。為此，對(duì)出入口門廳（冬季）及各樓層公共活動(dòng)區(qū)域（夏季）進(jìn)行實(shí)際熱感覺(jué)問(wèn)卷調(diào)查（圖11,12）。

冬季發(fā)放問(wèn)卷的主要場(chǎng)所為入口門廳區(qū)域，共回收有效問(wèn)卷89份。其中，67.5%的受試者認(rèn)為入口門廳有強(qiáng)烈的吹風(fēng)感，87.5%的受試者認(rèn)為門廳環(huán)境偏冷，80%的受試者認(rèn)為門廳環(huán)境并不舒適。門廳環(huán)境的瞬時(shí)變化主要由入口冷空氣滲透引起，這也是使用者產(chǎn)生不舒適感的主要因素。

5 冬夏兩季典型日各樓層平均空氣溫度

6 冬夏兩季空氣滲透位置及室內(nèi)平均溫度分布

夏季發(fā)放問(wèn)卷的主要場(chǎng)所為各樓層公共活動(dòng)區(qū)域，共回收有效問(wèn)卷418份。其中，60%的受試者認(rèn)為低樓層熱環(huán)境較為舒適，有相近比例的室內(nèi)人員認(rèn)為高樓層環(huán)境不舒適。在吹風(fēng)感方面，低樓層的室內(nèi)人員比例要高于高樓層比例，根據(jù)室內(nèi)的風(fēng)速測(cè)量結(jié)果，除出入口區(qū)域外，各樓層并沒(méi)有太大差異。因此，引起低樓層室內(nèi)人員吹風(fēng)感的原因可能是相對(duì)偏低的溫度所造成的偏差。在熱感覺(jué)方面，結(jié)果顯示57.9%的室內(nèi)人員認(rèn)為高樓層室內(nèi)環(huán)境偏熱，而這一結(jié)果在低樓層僅為12.7%。

7 首層出入口

4 優(yōu)化策略總結(jié)

針對(duì)大型綜合體存在的空氣滲透現(xiàn)象，根據(jù)以上實(shí)測(cè)及調(diào)研結(jié)果，筆者提出以下優(yōu)化策略。

（1）冬季各出入口空間存在明顯的空氣滲透現(xiàn)象。室外冷空氣大量進(jìn)入室內(nèi)，在入口區(qū)域形成低溫環(huán)境及強(qiáng)烈的吹風(fēng)感，對(duì)室內(nèi)人員及周邊商鋪造成影響，增加采暖能耗。建議在出入口門斗現(xiàn)有基礎(chǔ)上，改善門廳阻風(fēng)措施并管理門扇開(kāi)啟，如采用多門斗和密閉性較好的門扇，不僅可以緩解冬季冷空氣滲透問(wèn)題，還能改善夏季室內(nèi)涼空氣外流和屋頂出入口空氣滲透問(wèn)題。

（2）夏季樓層間垂直溫差較大。在改善底層出入口的同時(shí)，需對(duì)屋面出入口采用類似的方式，減少外部熱空氣滲透。同時(shí)，應(yīng)充分考慮夏季屋面外遮陽(yáng)設(shè)計(jì)，以減少屋面及中庭透光天窗部分的太陽(yáng)輻射，緩解室內(nèi)垂直方向的溫差，改善高樓層區(qū)域的舒適問(wèn)題，減少夏季制冷能耗。

（3）餐飲商鋪在高峰運(yùn)行期間因補(bǔ)風(fēng)設(shè)備使用較少，加劇了商業(yè)綜合體內(nèi)部的空氣滲透問(wèn)題。因此，需要更合理地考慮補(bǔ)風(fēng)裝置和排煙系統(tǒng)的運(yùn)行，避免大規(guī)模排風(fēng)對(duì)商業(yè)綜合體內(nèi)部滲風(fēng)問(wèn)題的影響。

（4）高大的中庭有著較好的內(nèi)部空間效果，但通高空間一定程度上也促進(jìn)了內(nèi)部空氣的快速流通和冷熱空氣的分層。因此在建筑設(shè)計(jì)階段，可以適當(dāng)設(shè)計(jì)錯(cuò)層通高中庭，減緩內(nèi)部空氣流通。

上述優(yōu)化策略不僅為營(yíng)造大型商業(yè)綜合體舒適的室內(nèi)環(huán)境及減少能源消耗提供參考，也為其下一步的研究提供了一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

8 頂層出入口

9 后廚加工類餐飲商鋪

10 現(xiàn)場(chǎng)加工類餐飲商鋪

11 冬季熱感覺(jué)投票調(diào)研結(jié)果

12 夏季熱感覺(jué)投票調(diào)研結(jié)果

圖片來(lái)源

1-12 作者自繪或自攝

表1作者自繪