C.艾倫·肖特 姚潤明 羅國志 李百戰(zhàn) / C.Alan Short, YAO Runming, LUO Guozhi, LI Baizhan譯_余娟 校_林波榮 / Translated by YU Juan, Proofread by LIN Borong

1 引言

在中國，建筑行業(yè)的能源消耗已占我國商品總能耗的31%（仇保興， 2005）。在筆者看來，中國的商業(yè)設(shè)計團(tuán)隊傾向于引用西方的建筑技術(shù)，對辦公建筑進(jìn)行大面積玻璃幕墻的使用。這一趨勢使得建筑空調(diào)能耗不斷攀升，從而增加了執(zhí)行國家節(jié)能減排政策的難度。為了實現(xiàn)2020年碳排放量較1983年（CNS 2001）降低50%的目標(biāo)，中國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部從2000年開始扶持了一批節(jié)能建筑示范工程，試圖將節(jié)能減排真正落到實處，從而形成通用導(dǎo)則以指導(dǎo)新建建筑的設(shè)計和既有建筑的改造。本文的研究對象——未來之家，位于北京五環(huán)路北七家，是一個集展覽、會議和行政辦公為一體的辦公建筑， 2003年被評為“國家住宅科技綜合示范工程”，2006年獲科技部批準(zhǔn)，作為“國際綠色建筑科技示范工程”和“中國農(nóng)村建筑科技創(chuàng)新工程”。

未來之家匯集了來自世界各地的創(chuàng)新低能耗住宅展品，以展示各國在住宅低能耗方面的專業(yè)設(shè)計技術(shù)。未來之家，地上3層、地下一層，南北朝向，總建筑面積大約4 000m2。

未來之家探索了混合模式運行環(huán)境設(shè)計策略的應(yīng)用前景，由智能建筑管理系統(tǒng)和用戶共同控制，具體分為以下兩種建筑運行模式：（1）全封閉的機械通風(fēng)模式 ；（2）自然熱壓通風(fēng)冷卻降溫模式，該模式在室外氣候條件運行的情況下充分利用自然通風(fēng)。近年，有學(xué)者以美國Judson大學(xué)的某建筑為對象，在同處于大陸性氣候的芝加哥地區(qū)進(jìn)行了混合式運行環(huán)境設(shè)計策略的研究，使得該環(huán)境運行策略得到了進(jìn)一步的發(fā)展（Short，Lomas，2007）。

未來之家實際上是一個未完成的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的改造項目，其初始設(shè)計方案是采用高性能玻璃幕墻和光伏發(fā)電技術(shù)相組合的大面積玻璃幕墻，如4.1部分的圖4所示。開發(fā)商出于建筑節(jié)能的考慮，對初始設(shè)計方案進(jìn)行了修改。這些修改一方面增強了建筑的適用性，同時也使得該建筑成為示范工程。本文運用計算機模擬技術(shù)，比較了5種設(shè)計方案對應(yīng)的建筑能耗，探討了混合式運行環(huán)境設(shè)計的節(jié)能潛力。此外，針對混合式運行所需要的通風(fēng)井個數(shù)進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，減少了4個通風(fēng)，從而降低了初投資成本。同時運用敏感性分析的方法，對通風(fēng)井個數(shù)不同的兩個方案對應(yīng)的建筑室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行了預(yù)測對比研究。筆者對可持續(xù)建筑設(shè)計和施工中的方案選擇、優(yōu)化的過程進(jìn)行了整理、總結(jié)，希望能夠和最初的設(shè)計方案、最終的運行效果一樣保留下來，從而為其他建筑的可持續(xù)設(shè)計、施工提供經(jīng)驗。筆者猜想建筑設(shè)計的這些變化在可持續(xù)設(shè)計和施工階段中并不少見，只是很少被記錄下來，僅有理想的設(shè)計方案及其預(yù)期的運行效果是被公布的。

2 氣候

依據(jù)中國熱工設(shè)計規(guī)范（CNS1993），北京屬于寒冷地區(qū)，具有大陸性氣候特點。在冬季，北京受到從蒙古高原南下的西伯利亞氣團(tuán)影響，室外空氣干燥、寒冷；在夏季，受東南向的熱濕季風(fēng)影響，天氣炎熱。本研究使用的是《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》（China Standard Weather Data for Building Thermal Environment Design，CSWD2005）的氣象數(shù)據(jù)資料。CSWD以1971～2003年的實測逐時氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，生成的典型氣象年數(shù)據(jù)。表1列出了北京地區(qū)設(shè)計用室外氣象參數(shù)。

對北京典型氣象年室外逐時干球溫度和相對濕度數(shù)據(jù)（圖1）進(jìn)行分析，得到4月至10月期間各月環(huán)境溫度超出25～28℃的小時數(shù)（圖2），以評估建筑進(jìn)行自然通風(fēng)的可行性。由圖2可知，在典型氣象年中最熱的7月，室外空氣溫度在25～28℃范圍內(nèi)的有90小時，高于28℃的有187小時，分別占工作時長（8：00～18：00）的29%和60%，這對自然通風(fēng)技術(shù)的使用造成了相當(dāng)大的挑戰(zhàn)，極端天氣的出現(xiàn)以及北京城市熱島效應(yīng)的加劇也會增加該技術(shù)應(yīng)用的難度。此外，應(yīng)用自然通風(fēng)技術(shù)的建筑室內(nèi)舒適溫度的常規(guī)設(shè)定方法也受到了熱適應(yīng)理論的質(zhì)疑，接下來將對此進(jìn)行討論。

3 熱適應(yīng)模型的應(yīng)用意義

混合式運行環(huán)境設(shè)計策略的可行性，在一定程度上取決于更寬的室內(nèi)舒適溫度范圍而不僅僅是室外氣候的變化。大量文獻(xiàn)對“舒適”進(jìn)一步研究，指出“舒適應(yīng)該是動態(tài)的（Chappells and Shove ，2005）。這就意味著人們可以接受的舒適溫度范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)有的舒適標(biāo)準(zhǔn)。面對氣候變化的不確定性，不應(yīng)該拘泥于現(xiàn)有的舒適標(biāo)準(zhǔn)。查普爾斯（Chappells） 和肖夫（Shove）深入討論了這一議題，他們將舒適標(biāo)準(zhǔn)理解為與人們價值觀、期望和愿望息息相關(guān)的復(fù)雜社會的、甚至文化的一種現(xiàn)象，并且認(rèn)為這些“文化和制度公約可能會改變”。他們最后指出，在英國，辦公空調(diào)使用率普遍增加，并非因為人們實際的舒適需求，而是人們被空調(diào)產(chǎn)品質(zhì)量和信譽吸引所致。 在空調(diào)市場日益擴(kuò)大形勢下，他們指出銷售代理商與最終用戶和客戶一樣重要。Shove等帶諷刺意味地評論“世界各國之間建筑以及不同類型建筑之間室內(nèi)環(huán)境驚人的一致”，他們將其歸因于辦公建筑室內(nèi)環(huán)境國際化的“強大支持”，而不是氣候多樣性和人們可能出現(xiàn)的適應(yīng)性反應(yīng)。筆者提議在建筑中使用混合式運行模式，由于其能使建筑周期性地自由運行，這樣既可以滿足人們使用空調(diào)的愿望和價值觀，又能顯著降低建筑能耗。

表1 北京地區(qū)主要設(shè)計用室外氣象參數(shù)（CSWD，2005）

美國國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會（American National Standards Institute，ANSI）和美國采暖、制冷與空調(diào)工程師學(xué)會（American Society of Heating，Refrigerating and Air-Conditioning Engineers，ASHRAE）頒布了《ANSI/ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)（55-2004）》，規(guī)定室內(nèi)操作溫度允許的上限值為28℃（ASHRAE 2004），并規(guī)定對應(yīng)的等效溫度上限值27℃以適用于潮濕環(huán)境，如空氣中水蒸汽含量上升到12g/kg（ASHRAE 2004）。然而，通過在不同氣候地區(qū)開展大量的人體熱反應(yīng)調(diào)查，形成了另一套室內(nèi)熱環(huán)境評價方法，建立了熱適應(yīng)模型（Humphreys 1978; Brager et al.1998, de Dear and Brager 1998, Yao et al.2009a）。該模型尤其適用于可手動開窗的非空調(diào)建筑熱環(huán)境評價，對本文描述的未來房屋建筑，被認(rèn)為是一種合適的確定室內(nèi)熱環(huán)境的方法，最高可達(dá)到80%～90%的用戶滿意率。熱適應(yīng)模型定義了以室外月平均溫度為基準(zhǔn)的室內(nèi)可接受溫度范圍，對室內(nèi)空氣濕度則無要求。在建筑中使用這種評價方法，顯然可以延長自然通風(fēng)時間，減少全機械通風(fēng)時間。熱適應(yīng)模型的基本假設(shè)是如果人們對室內(nèi)熱環(huán)境出現(xiàn)不適，就會以維持舒適的方式加以反應(yīng)，這些反應(yīng)包括穿衣、脫衣，開、關(guān)風(fēng)扇或加熱設(shè)備，喝熱、冷飲，開窗或打開空調(diào)，使用遮陽等（ Nicol and Humphreys，2002）?；诖耍珹SHARE 55-2004 標(biāo)準(zhǔn)在“人類熱環(huán)境控制”標(biāo)準(zhǔn)條文中（ASHRAE 2004, de Dear et al 2002）確定了一套自然通風(fēng)建筑室內(nèi)熱環(huán)境評價方法，規(guī)定舒適區(qū)為80%和90%的用戶可接受率所對應(yīng)的溫度范圍（圖3）。

圖1 北京典型氣象年室外逐時干球溫度和相對濕度 （CSWD, 2005）

圖2 北京典型氣象年各月份工作時段內(nèi)（08:00～18:00）室外空氣溫度介于25～28℃和＞28℃小時數(shù)（來源：中國標(biāo)準(zhǔn)氣象數(shù)據(jù)）

圖3 北京室外月平均溫度與AHSARE標(biāo)準(zhǔn)舒適區(qū)、熱適應(yīng)模型確定的80%和90%可接受操作溫度區(qū)間

表2 北京地區(qū)室內(nèi)可接受溫度（℃）

姚潤明等（Yao et al 2009）采用動態(tài)模擬方法，在中國五大氣候區(qū)開展了辦公建筑使用自然通風(fēng)冷卻降溫可行性的調(diào)查研究。該研究使用自然通風(fēng)冷卻潛能（the Natural Ventilation Cooling Potential ，NVCP）指標(biāo)作為評價指標(biāo)，其數(shù)值等于建筑室內(nèi)舒適小時數(shù)與建筑自然通風(fēng)使用小時數(shù)的比值。研究中還應(yīng)用了 ASHARE標(biāo)準(zhǔn)中的熱適應(yīng)模型，根據(jù)記錄下的室外月平均溫度計算出室內(nèi)舒適溫度（de Dear 2002，ASHRAE 2004）。對北京地區(qū)一個普通辦公樓進(jìn)行模擬，計算室內(nèi)熱量也就是室內(nèi)得熱量在低、中、高3種水平下，建筑分別采用“白天通風(fēng)”、“夜間通風(fēng)”和“全天通風(fēng)”3種不同策略對應(yīng)的NVCP值。模擬結(jié)果表明：（1）北京地區(qū)早晚溫差較大，對該地區(qū)建筑使用自然通風(fēng)冷卻降溫有利；（2）在夏季，若采用高舒適標(biāo)準(zhǔn)即達(dá)到90%的用戶對室內(nèi)熱環(huán)境表示接受，NVCP值為37%～78%；若采用低舒適標(biāo)準(zhǔn)即達(dá)到80%的用戶對室內(nèi)熱環(huán)境表示接受，NVCP值為47%～86%。

初步分析結(jié)果表明，即使在開窗通風(fēng)的情況下，建筑室內(nèi)溫度仍然符合ASHARE55-2004標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的舒適區(qū)。

熱舒適溫度

使用上文描述的相同方法，利用CSWD氣象數(shù)據(jù)，通過公式（1）計算月舒適溫度，結(jié)果如表2所示 。

Tcom= 0.31Taout+ 17.8（公式 1）

式中, Tcom為舒適溫度，Taout為月平均溫度。

4 設(shè)計策略

未來之家作為一個非住宅能效示范建筑，其設(shè)計初衷是提高建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能，從而減少建筑室內(nèi)夏季空調(diào)負(fù)荷和冬季采暖負(fù)荷。施工設(shè)計是在方案設(shè)計基礎(chǔ)上的深化。方案設(shè)計采用了大面積玻璃幕墻以此對太陽能進(jìn)行充分利用，力圖實現(xiàn)建筑凈碳排放量為零。方案設(shè)計較施工設(shè)計更容易實現(xiàn)，這是因為施工設(shè)計幾乎與建筑的整個施工過程同步進(jìn)行。

圖4 AGT建筑東南方向透視

4.1 策略一：玻璃幕墻的應(yīng)用（Advanced Glazing Technology ，AGT）

玻璃幕墻的應(yīng)用可以增強建筑室內(nèi)自然采光的效果，同時，可以增加冬季建筑室內(nèi)的太陽輻射量。該方案下，未來之家南外墻為全玻璃幕墻，東西向外墻窗墻比約為50%，此外，屋面鋪設(shè)有光伏板（圖4）。北向外墻以及東西向墻體部位均采用超保溫材料，具體做法如下：從外到里依次為200mm的灰磚層，100mm的保溫層，鋁箔反射層，20mm空氣層和50mm木質(zhì)結(jié)構(gòu)層，其傳熱系數(shù)的設(shè)計平均值為0.1W/m2K，該墻體設(shè)計方案目前在中國建筑行業(yè)尚難以推廣應(yīng)用，其性能參數(shù)詳見表3案例3所示。

該設(shè)計策略雖然最大限度地對太陽能進(jìn)行了被動式和主動式的利用，冬季可降低采暖能耗，但夏季卻需要使用空調(diào)設(shè)備以避免室外炎熱氣候?qū)κ覂?nèi)環(huán)境的影響。

4.2 混合式運行環(huán)境設(shè)計策略

4.2.1 策略評估

為了對混合式運行環(huán)境設(shè)計方法的前景進(jìn)行評估，利用一種簡單的可以模擬室內(nèi)“光、熱、通風(fēng)”的動態(tài)熱模型對北京地區(qū)建筑室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行了模擬，并使用 NVCP指標(biāo)（Yao et at，2009b）對被動式自然通風(fēng)的節(jié)能收益進(jìn)行了評價。研究表明過渡季節(jié)自然通風(fēng)效果較為明顯，在這期間，利用自然通風(fēng)便可以使室內(nèi)熱環(huán)境達(dá)到舒適狀態(tài)。此外，熱惰性較高的墻體的使用也可以強化自然通風(fēng)的效果，同時也能一定程度上降低夏季空調(diào)能耗。對于北京地區(qū)而言，最熱月（7月）室內(nèi)舒適溫度約為26℃。動態(tài)熱環(huán)境模擬結(jié)果表明，7月份，以80%可接受舒適溫度上限值28.2℃為界，NVCP值為63%；以90%可接受舒適溫度上限值29.8℃為界，NVCP值為81%。由此可見，北京地區(qū)建筑運用混合式運行模式能夠獲得較好的節(jié)能收益。

4.2.2 建筑控制策略：控制模式

圖5、6所示為未來之家不同季節(jié)下的具體建筑控制模式。

（1）冬季 (機械供熱、加濕)

由于冬季室外空氣溫度、濕度較低，需對送入室內(nèi)的空氣進(jìn)行加熱、加濕。室外空氣首先進(jìn)入地下室空調(diào)箱中進(jìn)行處理，然后被送入1層下方的新風(fēng)集氣室。這部分新風(fēng)也可由集氣室內(nèi)管道輸送到室內(nèi)“新風(fēng)口”（圖5、6）和邊側(cè)風(fēng)道底部，以確保新風(fēng)能夠到達(dá)整個建筑。這種模式下，風(fēng)道頂端的通風(fēng)器關(guān)閉，空氣（及熱量）將通過回風(fēng)管道返回空調(diào)箱中。

機械通風(fēng)模式的空氣處理管道遵循自然通風(fēng)管道基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計。這一原則是參照芝加哥賈德森大學(xué)大樓的設(shè)計方案（Short and Lomas，2007）確定的。為避免重復(fù)設(shè)計和控制土建成本，需盡量控制通風(fēng)井的數(shù)量。

圖5 南北向剖面（實心黑色部分表示原有混凝土框架）

圖6 沿通風(fēng)井道，新風(fēng)口和雙層外立面處的東西剖面

當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)運行能耗高于室內(nèi)提供所需空間和加熱空氣所需的熱量時， 建筑通風(fēng)運行模式將在“冬季”（A）和“過渡季”（B）模式之間變化?！斑^渡季”模式不進(jìn)行排氣熱回收，這是因為該模式下排氣將在自然熱壓驅(qū)動力作用下，發(fā)展成相對較低的排氣壓力而分布在12風(fēng)道內(nèi)，導(dǎo)致有效熱回收將很分散，花費也將十分昂貴。

（2）過渡季（被動式通風(fēng)和冷卻）

建筑在自然通風(fēng)模式下運行，只需很少或根本不需要額外供熱和制冷。新風(fēng)進(jìn)入一層下方的集氣室的3處位置（圖7），根據(jù)室內(nèi)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，然后在煙囪效應(yīng)作用下自然排出，完成由浮升力驅(qū)動的置換通風(fēng)（圖 5、6）。通過建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計和有效的“夜間換氣”策略使建筑得熱最小，這種“自由運行的”通風(fēng)模式也可以在夏季使用，其目的是使建筑在一年中盡可能多地保持這種自由運行模式。通過改善建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱性能，利用自然通風(fēng)使室內(nèi)處于熱適應(yīng)模型所定義的舒適溫度區(qū)間的時間還可能延長。原方案中混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)有若干地下管道和房間，現(xiàn)在被用來作為地面冷空氣供給通道。風(fēng)道末端數(shù)組光伏板后部產(chǎn)生的熱量有助于增強風(fēng)道內(nèi)浮升力作用，以此驅(qū)動空氣向上流動。

所謂夜間通風(fēng)降溫，是指夜間通過引入溫度較低的室外空氣，在建筑不被使用時，對建筑進(jìn)行冷卻降溫，排出室內(nèi)前一天蓄存的熱量（包括計算機、照明設(shè)備、室內(nèi)人員散熱量和太陽輻射得熱量），并冷卻裸露的混凝土結(jié)構(gòu)尤其是通風(fēng)井道以排出接下來一天的室內(nèi)熱量。對通風(fēng)井道進(jìn)行預(yù)冷卻后，可在送入工作區(qū)的過程中對新風(fēng)進(jìn)行冷卻，而通風(fēng)井道的蓄冷能力則會直接影響新風(fēng)的冷卻效果。而當(dāng)室內(nèi)溫度高于或即將高于舒適溫度設(shè)定值28℃時，建筑通風(fēng)運行模式將在“過渡季”和“夏季”模式之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換?；诿咳盏臍庀髷?shù)據(jù)，建筑可以設(shè)置不同的運行模式——當(dāng)氣候條件出現(xiàn)極端情況時，只在“夏季高峰期”模式下運行，當(dāng)氣候條件許可時，切換回被動模式。

（3）夏季（機械制冷和除濕）

當(dāng)室外空氣溫度和相對濕度過高，使用自然通風(fēng)難以維持室內(nèi)舒適條件時，建筑將切換到機械制冷模式。如前文所述，冬季模式下，室外空氣先進(jìn)入空調(diào)箱進(jìn)行加熱和定期加濕處理。在機械制冷模式下，室外空氣也需進(jìn)入空調(diào)箱進(jìn)行處理，此時運行空調(diào)箱的部分電能可由排氣風(fēng)道末端上方的光伏板提供。不同的模式轉(zhuǎn)換過程中，用戶是否能夠覺察到建筑運行模式的變化，他們對舒適環(huán)境的期望值是否會發(fā)生變化？賈德森大學(xué)建筑學(xué)教授正在對芝加哥地區(qū)建筑的用戶開展調(diào)查。我們也希望未來之家投入使用后進(jìn)行類似信息的收集。

機械通風(fēng)策略的氣流組織原理與自然通風(fēng)策略相似，在機械式策略下，由于管道和閥門等的阻力較小，風(fēng)機能耗也得到有效地降低。這種混合式通風(fēng)策略已經(jīng)在賈德森大學(xué)新學(xué)術(shù)中心大樓的方案中進(jìn)行了使用，但它與本文介紹的存在本質(zhì)上的不同。賈德森大學(xué)新學(xué)術(shù)中心大樓所采用方案采用的是一個中央供氣艙和一個雙層外墻進(jìn)行分散式通風(fēng)，未來之家則對混合通風(fēng)策略進(jìn)行了深入的應(yīng)用，利用集中冷源和熱源進(jìn)行通風(fēng)換氣，我們稱之為“新風(fēng)口”和“分散式排氣裝置”?？照{(diào)系統(tǒng)通過地板下的靜壓箱輸送具有一定溫差的處理后的新風(fēng)，根據(jù)重力作用，新鮮空氣會自動地跟蹤展覽區(qū)的用戶并消除他們產(chǎn)生的負(fù)荷。同樣，在冬季可以有效地實現(xiàn)供暖，這區(qū)別于傳統(tǒng)的輻射供暖方式（Lomas K.J.et al，2009）。

4.3 設(shè)計

4.3.1 風(fēng)口面積

根據(jù)英國Short and Associates建筑師事務(wù)所在類似的非住宅建筑設(shè)計、施工、調(diào)試和運行過程中積累的經(jīng)驗，來確定風(fēng)口面積（Short et al，2004；Lomas et al，2009；Short et al，2009）。風(fēng)口面積的大小決定了建筑“過渡季”模式的運行時間以及建筑提供被動式通風(fēng)冷卻的效果。自然通風(fēng)模式下，氣流的熱壓作用驅(qū)動力比機械通風(fēng)模式下的驅(qū)動力小得多，因此，前者的風(fēng)口面積要顯著大于后者。此外，進(jìn)風(fēng)口面積和排風(fēng)口面積需要匹配，從而使得建筑內(nèi)的氣流組織較為合理——如果排風(fēng)口面積大于進(jìn)風(fēng)口，很有可能無法控制建筑頂部的空調(diào)流動路徑，從而發(fā)展成為“亂流”（Woods et al, 2003）；排風(fēng)口面積小于進(jìn)風(fēng)口，則會減弱熱壓作用，甚至使得建筑頂部的排風(fēng)口變成進(jìn)風(fēng)口。

集氣室（圖7）位于一層混凝土地板下方，作為地下室內(nèi)的吊頂和隔板。新風(fēng)從建筑周邊進(jìn)入集氣室。南側(cè)有兩個進(jìn)氣口，空氣從一層混凝土板上的開口進(jìn)入集氣室（1）。在北側(cè)，新風(fēng)通過車庫入口引入集氣室（2）。進(jìn)氣口百葉四周設(shè)有金屬網(wǎng)，防止鳥、鼠類動物進(jìn)入。由于地下室東側(cè)的凈空高度不夠，為了能從北側(cè)進(jìn)氣口和其中一個南側(cè)進(jìn)氣口引入足夠的空氣，采用了供氣艙而非隔板。氣流調(diào)節(jié)器由建筑智能管理系統(tǒng)控制，用來控制引入的空氣量?？諝膺M(jìn)入集氣室后，被電熱絲加熱（6）。為使進(jìn)入室內(nèi)的空氣不出現(xiàn)回流，電熱絲通常傾斜安裝。

圖7中標(biāo)出了混凝土板上需要新增的開口和已經(jīng)開啟的洞口，圖中9和10為集氣分隔室間的連接點。為了確保來自各方向的空氣通過進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入集氣室，將東西兩側(cè)集氣室進(jìn)行連接。根據(jù)地下室防火等級安全要求，通風(fēng)機需吊裝在混凝土隔墻上（10），地下室東側(cè)新增風(fēng)口處也了一臺防火風(fēng)機（11）。

圖7 集氣室平面

圖8 架空地板平面

圖9 一層平面

集氣室的地板保溫隔熱性能良好，以保持集氣室里冬暖夏涼。此外，集氣室需有良好的氣密性。圖7中詳細(xì)說明了每層樓面布置圖、建筑邊側(cè)每個新開的風(fēng)口、被拆除的混凝土構(gòu)件以及在地下室東側(cè)混凝土隔板上可能安裝的防火風(fēng)機的位置。

4.3.2 架空地板

圖8所示的是架空地板平面。從圖中可以看出，新風(fēng)進(jìn)入集氣室后，經(jīng)架空地板被送入多個邊側(cè)（1）和中央送風(fēng)風(fēng)道（2）。為了確?？諝獠粫募芸盏匕宕罅啃孤枰獙芸諛前暹M(jìn)行密封性處理（3）。如前所述，考慮到消防安全，東側(cè)集氣室混凝土板上新開風(fēng)口需設(shè)置防火風(fēng)機（4）。

4.3.3 一層平面

為將新風(fēng)從架空地板空間送入邊側(cè)風(fēng)道，需要拆除部分原有小型混凝土墻（5）。此外，還需拆除一面南側(cè)的大面積混凝土墻（6），該墻之前作為AGT系統(tǒng)傾斜立面的承重墻。保溫外墻置于南側(cè)周邊進(jìn)風(fēng)口口內(nèi)（7）。

一層（圖9）是一個獨立的通風(fēng)區(qū)域，包含北側(cè)中庭區(qū)域和挑高的入口空間。建筑對一、二層兩個通風(fēng)區(qū)域進(jìn)行了分隔，可以避免一層下方不新鮮的空氣在頂層聚集或分層，從而降低頂層過熱的可能性。

新風(fēng)分別通過底部的進(jìn)風(fēng)口從南北兩側(cè)（3）和通過兩個新風(fēng)口從中央送入一層。新風(fēng)口面積隨著高度增加而減小，為了實現(xiàn)對送風(fēng)量的調(diào)節(jié)，新風(fēng)入口內(nèi)均設(shè)有風(fēng)機和小型加熱器，新風(fēng)入口周圍可設(shè)置辦公區(qū)。

污濁空氣通過磚砌通風(fēng)風(fēng)道，挑高的入口空間和屋頂排氣裝置排入中庭（2）。為了平衡排氣壓力和減少前排風(fēng)道排氣口變成進(jìn)氣口的可能性，南北兩側(cè)通風(fēng)井道的高度要求一致（圖5）。

入口區(qū)域需設(shè)置前廳，以減少室外氣候?qū)κ覂?nèi)的直接影響，該影響在冬、夏兩季尤為明顯。沿南立面將空氣引入到集氣室的進(jìn)風(fēng)口正上方（6）的展臺附近。通風(fēng)風(fēng)道底部設(shè)有固定座椅，可使新風(fēng)從架空地板空腔進(jìn)入風(fēng)道底部，控制關(guān)鍵橫斷面區(qū)域的環(huán)境溫度。用鋼結(jié)構(gòu)（8）（T型鋼或角鋼）作為混凝土通風(fēng)風(fēng)道的承重結(jié)構(gòu)，將磚砌風(fēng)道5～7的負(fù)荷直接傳遞到地下室下方的混凝土柱上，并將磚砌風(fēng)道15～18的負(fù)荷轉(zhuǎn)移到南側(cè)原有的保留下來的墻體上（9）。

外墻的保溫性能良好（10），窗戶為高性能的雙層玻璃窗（在可能情況下做3層玻璃窗）?；炷吝^梁漆成白色，墻體其他部位裸露在外——這將有效利用夜間通風(fēng)對建筑進(jìn)行冷卻降溫。

圖10為墻體透氣膜斷面詳圖。盡管樓板是一個網(wǎng)格板，與設(shè)計團(tuán)隊預(yù)期的可排出樓層污濁空氣的樓板不同，但依照以往的經(jīng)驗，工作區(qū)上方會形成熱空氣層。衛(wèi)生間采取機械通風(fēng)，對室內(nèi)空氣流動可能有影響，除非室內(nèi)也用相同的風(fēng)速補入空氣，并對樓梯間的通風(fēng)進(jìn)行單獨處理，才能消除此類影響。

4.3.4 二層平面

二層和三層通過圖11的前部空腔（1）及大型樓梯通道空間（2）垂直相連，并通過沿北向布置的玻璃屏（3）以及南側(cè)帶有大玻璃窗開口的磚砌墻（4）與一層隔開（1）。二層和三層通過計算機控制北側(cè)玻璃屏上的窗戶開啟（5），將污濁空氣排入中庭。為了將一層和二、三層的完全分隔，需要在一層通往二層的樓梯通道頂部設(shè)置一個玻璃過廳。

該層新風(fēng)的輸送方式大體上與一層相同?？諝馔ㄟ^邊側(cè)排風(fēng)道（6）和中部的新風(fēng)口從周邊和中央引入（7），而后從邊側(cè)排風(fēng)道2、3、9、10、11和中庭后方排出，二層污濁空氣通過圖中的前排空腔（9）和樓梯通道（9）排入3層。

一層的排氣方式（圖11）—— 風(fēng)機布置在磚砌通風(fēng)風(fēng)道一側(cè)的高處（10），圖中散點為建筑上方的采光天窗（11），在圖中前排磚砌風(fēng)道的對角位置插入鋼支撐（12），對邊側(cè)辦公室的通風(fēng)進(jìn)行單獨處理，空氣通過邊側(cè)風(fēng)道（13）引入和排出。

4.3.5 三層平面

如前文所述，三層與二層在空間上是相通的?？諝馔ㄟ^邊側(cè)風(fēng)道（1）和中部的新風(fēng)口（2）進(jìn)入室內(nèi)，然后從邊側(cè)風(fēng)道（3）排出，該層以上不再設(shè)置新風(fēng)口，會議室配有一個專用送風(fēng)口（4），室內(nèi)空氣直接排入中庭（5）。

圖中所示的屋頂采光天窗（6）——天窗采光良好，并采用與主立面和窗戶類似的遮陽方式避免陽光直射。通風(fēng)井將從建筑內(nèi)伸出并穿過這些采光天窗，用戶也可以通過天窗看到建筑的運行狀態(tài)。三層的通風(fēng)井同樣也從采光天窗伸出（7）。

4.3.6 屋頂平面

建筑保留了最初AGT設(shè)計的屋頂平面布局。電梯、植被空間（1）以及樓梯入口（2）與最初設(shè)計一樣。由于建筑南側(cè)斷面設(shè)計的重大改變，屋頂平面圖與最初設(shè)計的差別很大。

雖然屋頂（圖13）大部分位置高度與原定高度一樣（4），但前側(cè)（南側(cè)）位置較低，遮擋了兩層樓高的入口空間。設(shè)計保留了初始設(shè)計提出的“屋頂綠化”方案。為了最大限度降低對室內(nèi)采光的影響，屋頂外側(cè)的磚砌墻砌筑高度較低（5），并在屋頂外圍設(shè)置了防護(hù)欄（6）。通風(fēng)井末端的設(shè)計要能盡可能削弱風(fēng)向的影響——確保在任何風(fēng)向情況下，室內(nèi)空氣都能排出（7）。中庭排氣方式設(shè)計不同，以處理室內(nèi)所需的排風(fēng)量——它被設(shè)計為一組排氣末端鏈，其同樣能夠不受風(fēng)向影響。

通風(fēng)井周圍的采光天窗能為1～3層室內(nèi)創(chuàng)作較好的自然采光條件（9）。為避免過多的太陽輻射熱量進(jìn)入室內(nèi)，中庭屋頂做成實心結(jié)構(gòu)。屋頂上方鋪設(shè)光伏板，當(dāng)建筑處于冬季模式和夏季模式運行時，可為空調(diào)處理設(shè)備運行提供部分電能。

此外，在過渡季模式的高峰時段，光伏板還能為風(fēng)道頂部的低能耗風(fēng)機提供電能。

圖13 屋頂平面

4.3.7 雙層墻

圖14為雙層墻施工詳圖。

4.3.8 西立面和南立面遮陽設(shè)計

通過分析西立面和南立面的太陽高度角變化的變化對室內(nèi)太陽光入射量的影響規(guī)律，確定雙層外立面結(jié)構(gòu)設(shè)計（圖15、16）。雙層墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計目的在于顯著減少夏季室內(nèi)太陽輻射得熱，從而降低建筑夏季高峰期的制冷能耗，延長其最有效的過渡季建筑自然通風(fēng)的時間（除了控制室內(nèi)太陽輻射得熱之外，還需合理選擇室內(nèi)照明燈具及電子顯示設(shè)備）。

由于冬季太陽光強度變?nèi)?，室?nèi)允許陽光直射。陽光進(jìn)入室內(nèi)可以提高室內(nèi)溫度，但仍需采用百葉窗對室內(nèi)眩光進(jìn)行控制。圖中橙色陰影所示為某天工作時間內(nèi)陽光直射到的區(qū)域（2）。

圖16取了南立面一個典型隔區(qū)，分別表示全年某天不同時刻滲透到玻璃墻的陽光直射量——如3月22號和9月21號（1）。

6月22日（夏至）墻內(nèi)壁上的玻璃窗幾乎被外墻完全遮擋。某些時間段，由于太陽高度角下降，陽光直射入室內(nèi)（參考5月15日和7月29日）?？梢栽匐p層墻上開啟的窗戶內(nèi)側(cè)設(shè)置一些半透明板，當(dāng)夏季（如4月和5月）陽光直接射入室內(nèi)時，達(dá)到遮陽的目的。陽光直射量最大值出現(xiàn)在12月，此時太陽強度角最小。對于冬季，由于太陽光不強烈，可以允許更多的陽光進(jìn)入室內(nèi)。從圖中可以看出所選典型日不同時刻的太陽高度角和方位角的變化情況，將移動凹壁上的窗戶進(jìn)行遮陽尤其是遮擋傍晚的太陽。當(dāng)建筑室內(nèi)太陽得熱量過大時，可以開啟凹壁上窗戶的遮陽措施。圖17所示為已建成的西立面。

圖14 雙層墻施工詳圖

5 環(huán)境設(shè)計策略比較

整個設(shè)計過程中，共考慮了5個設(shè)計方案：

案例1：參照舊標(biāo)準(zhǔn)（1980年發(fā)布）的設(shè)計；

案例2：參照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)（2011年發(fā)布）的設(shè)計；

案例3： AGT（先進(jìn)的玻璃幕墻技術(shù)）設(shè)計，如4.1；

案例4：帶12風(fēng)道的混合式運行模式設(shè)計，如4.2；

案例5：帶8個風(fēng)道的混合式運行模式設(shè)計，如4.2。

5.1 能耗模擬

使用Energy Plus 模擬軟件進(jìn)行模擬（Energy Plus，2011），該軟件能夠?qū)釅和L(fēng)進(jìn)行可靠的模擬，從而研究自然通風(fēng)策略的潛在價值，并在此基礎(chǔ)上確定建筑自然通風(fēng)系統(tǒng)的運行方案以及控制策略。

5.1.1 建筑模型

圖18表示在EnergyPlus平臺上根據(jù)各設(shè)計方案所建立的模型。分別是（1）標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計（案例1、2）；（2）先進(jìn)的玻璃幕墻技術(shù)；（3）12風(fēng)道混合模式系統(tǒng) ；（4）8風(fēng)道混合模式系統(tǒng)。

5.1.2 模型基本信息

為了預(yù)測各個案例的建筑能耗，對建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)、內(nèi)部得熱量等進(jìn)行了設(shè)置（表3）。

模型中所需的其他設(shè)計參數(shù)參考當(dāng)前設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)（標(biāo)準(zhǔn)2009）關(guān)于國內(nèi)典型辦公大樓的要求設(shè)計。對于辦公和展廳人員，其活動水平為“輕度辦公室工作/站立/行走”。假設(shè)每位人員的散熱量為10W/m2，人工照明散熱量為11W/m2，設(shè)備散熱量為 20W/m2。使用時間為工作日早上8點到18:00點，周末不上班。

5.1.3 環(huán)境系統(tǒng)運行方式

5.1.3.1 案例1、2和3

表3 5種案例的建筑基本情況說明

案例1、2和3是全空調(diào)案例（供熱 和制冷）。采暖和制冷系統(tǒng)設(shè)計溫度參考中國設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)（NTMDCC，2009），室內(nèi)采暖溫度為18℃，制冷溫度為26℃。

5.1.3.2 案例4、5

案例 4 和 5 采取了自然通風(fēng)和混合模式，控制策略如下：

（1） 根據(jù)CSWD 2005，供暖季節(jié)包括1月、2月、3月、11月和12月。當(dāng)供熱系統(tǒng)工作時，通風(fēng)系統(tǒng)只提供根據(jù)衛(wèi)生要求的新風(fēng)量，即每人30 m3/h；

（2） 過渡季節(jié)包括4月、5月、9月和10月。 在這期間，供熱和空調(diào)系統(tǒng)都不工作。通風(fēng)系統(tǒng)將在維持室內(nèi)空氣溫度不超過適應(yīng)熱舒適溫度上限（如表4所示）的基礎(chǔ)上運行。必要時豎向通風(fēng)井在夜間運行；

圖16 南立面遮陽設(shè)計

圖17 2011年建造的西立面局部

圖18 5種案例模擬的4種配套模型

（3）制冷季節(jié)包括6月、7月和8月。在此期間，豎向通風(fēng)井和空調(diào)系統(tǒng)將以混合式控制策略運行。

5.1.4 所需能耗

使用Energy Plus軟件包進(jìn)行動態(tài)模擬，各案例分項能耗和總能耗的結(jié)果如表5～9所示。鍋爐的熱效率為0.89，冷卻裝置的制冷系數(shù)（Coefficient Of Performance，COP）為5.5。表10是各案例的能耗對比情況。

效能分析： 5種案例的每月供熱、制冷以及風(fēng)機能耗負(fù)荷對比如表5所示。

從表10中我們可以看到，參考建筑全空調(diào)系統(tǒng)的能耗是混合式運行系統(tǒng)的2倍多。從案例1和案例2中我們可以看到，新規(guī)范在外墻保溫設(shè)計方面的改進(jìn)顯著提高了能源使用效率，節(jié)約了近22%。先進(jìn)的玻璃幕墻技術(shù)連同使用超保溫材料的設(shè)計可以進(jìn)一步節(jié)省6%的能耗，但建筑物外觀采用這種結(jié)構(gòu)其成本是很高的。此外，超保溫材料目前在中國建筑市場還難以推廣應(yīng)用。 案例3和案例4使用自然通風(fēng)技術(shù)，能耗顯著降低了約51%，大大減少了對環(huán)境的潛在影響。比較案例4和案例5，通風(fēng)井的數(shù)量從8個增加到12個，盡管熱舒適滿意度略有改善，但節(jié)能率并未顯著提高。因此，考慮到成本和建筑有效使用面積，最終選擇了8個通風(fēng)井的方案。值得注意的是，混合式運行系統(tǒng)在過渡季的室內(nèi)熱舒適滿意率達(dá)不到100%。室內(nèi)空氣溫度在某一特定時間超過了熱舒適溫度的上限值（圖19 a和b）。顯然，當(dāng)室內(nèi)所有的燈具和設(shè)備都開啟時，室內(nèi)得熱量將非常高。這種情況可以通過減少室內(nèi)得熱來改善，如通過使用高效節(jié)能燈具和自然采光來減少照明設(shè)備的散熱量，以及關(guān)掉不用的電氣設(shè)備。

表5 1980's標(biāo)準(zhǔn)參考模型的分項能耗

表6 當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)參考模型的分項能耗

表7 ACT模型的分項能耗

表8 12風(fēng)道混合模式系統(tǒng)模型分項能耗

表9 8風(fēng)道混合模式系統(tǒng)模型分項能耗

表10 5種案例模型預(yù)期能耗比較

6 結(jié)論

北京地區(qū)建筑室內(nèi)的自然室溫濕度超出了ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)55-2004規(guī)定的熱舒適區(qū)，全年大部分時間需采用人工手段控制室內(nèi)熱環(huán)境。未來之家最初的設(shè)計方案（AGT）為一個依靠空調(diào)系統(tǒng)控制室內(nèi)熱環(huán)境的全封閉建筑，即通過部分玻璃幕墻被動吸收太陽能，其中，南向外墻為全玻璃幕墻結(jié)構(gòu)，同時利用主動式的可再生能源，在完全被玻璃幕墻覆蓋的南外立面上鋪設(shè)大量的太陽能光伏板，以減少冬季熱負(fù)荷。這與現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是相互呼應(yīng)的。大面積玻璃幕墻以及太陽能光伏板的使用卻加劇了夏季室內(nèi)過熱的問題。ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)中的熱適應(yīng)模型（de Deer和Brager1998），如姚潤明等在CSWD氣象數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，使用它來生成北京地區(qū)建筑夏季的舒適溫度范圍，表明前文提到的未來之家在4月到9月期間有著自由運行的可能性。這種季節(jié)性的夜間自然通風(fēng)運行模式可以顯著降低建筑能耗。通過比較不同時段的自然通風(fēng)策略，確立了NVCP指標(biāo)適宜的通風(fēng)時段，從而為未來之家制定了混合式運行的設(shè)計方案，該系統(tǒng)能夠在自然通風(fēng)運行模式和機械式運行模式之間進(jìn)行切換。這兩種模式的氣流組織所依賴的建筑結(jié)構(gòu)幾乎一致，因此降低了建筑投資以及節(jié)約了建筑內(nèi)部空間。模擬試驗中以1980年設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中的參考模型為基準(zhǔn)，比較了各方案的節(jié)能潛力。AGT方案的節(jié)能率28%，采用12個通風(fēng)井的混合式運行系統(tǒng)設(shè)計方案的節(jié)能率達(dá)到了52%，去除該方案的中間4個通風(fēng)井，節(jié)能率仍可達(dá)到51%。因此，混合式運行設(shè)計方案是合理的，在保證建筑使用功能不受影響的基礎(chǔ)上，使得建筑能耗得到了有效的降低。研究表明，全玻璃幕墻建筑不適用于北京地區(qū)。冬季，高性能的玻璃幕墻系統(tǒng)導(dǎo)致的建筑熱損失較大，夏季也會顯著增加空調(diào)冷負(fù)荷從而增加了建筑能耗。相反，通過對太陽高度角變化的分析，形成的深色調(diào)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的建筑設(shè)計方案，太陽輻射量較大的時間段，這種色調(diào)本身就能有效地遮陽。

圖19 已建建筑和設(shè)計建筑依據(jù)ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)和熱適應(yīng)模型設(shè)定運行方式的相對性能

所謂混合式運行模式就是將建筑在供熱、制冷、機械通風(fēng)、自然通風(fēng)等工況下進(jìn)行切換，以此達(dá)到ASHRAE55標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的室內(nèi)熱舒適要求。對于該示范工程的實際運行情況，我們也會進(jìn)行跟蹤監(jiān)測并進(jìn)行分析，以便為其他建筑的可持續(xù)設(shè)計、施工提供經(jīng)驗。

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