劉登倫 劉鵬 牛潤卓 王玢瀅

摘要：針對昆明地區(qū)全年太陽能資源條件較好、空氣溫度適宜的氣候特點，以該地區(qū)某超高層辦公建筑中庭熱壓通風精細化設計為例，借助多區(qū)域網格法和計算流體力學（CFD）技術，進行了優(yōu)化中庭位置、高度、尺寸以及開口設計，結果表明：可以最大化地利用中庭改善室內自然通風效果。改善室內人員熱舒適性，體現氣候適應性的建筑設計原則。

關鍵詞：超高層辦公建筑;中庭;熱壓通風;室內舒適性

中圖分類號：TU201.5文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2019）14-0231-05

1引言

相關研究表明，自然通風技術對于建筑節(jié)能和室內人員熱舒適具有重要意義，在建筑中進行氣候適應性設計，充分利用自然資源實現良好的自然通風，改善室內人員熱舒適性。以昆明地區(qū)某超高層辦公建筑為例介紹中庭熱壓通風設計策略，通過優(yōu)化中庭位置、高度、尺寸以及開口設計。最大化的利用熱壓通風，即保證室外無風時，通過建筑熱壓中庭的拔風作用，保證室內主要功能空間滿足熱舒適性要求。

2項目概況

某地產公司自建總部辦公大樓，位于昆明市，南北長約35m，東西長約58m，總面積約8萬m²，建筑高度約160m，主要朝向偏東西向，建筑立面為全玻璃幕墻結構，主要用途為辦公。

項目所在地昆明屬于低緯度高原山地季風氣候，全年平均氣溫為15℃，全年超過30℃天數僅有1d，氣候溫和，夏無酷暑，冬不嚴寒，四季如春，為充分利用自然通風創(chuàng)造良好的前提條件。昆明地區(qū)夏季和冬季主導風向均為西南風，夏季平均風速1.8m/s.冬季平均風速2.2m/s，全年靜風風頻較高，達到31%，西南風向風頻為16%，全年利用風壓進行自然通風改善熱環(huán)境的時間段有限，因此，項目擬利用熱壓進行室內自然通風組織，在適宜季節(jié)改善室內熱舒適。

3中庭設計方案

熱壓通風屬于自然通風的一種。一般而言，氣流穿過建筑物是由于建筑物兩側或上下的壓力梯度引起的。壓差來源于兩個方面：外部風的作用（風壓）和室內室外的空氣溫度梯度（熱壓）。熱壓通風是指室內由于存在各種各樣的熱源，氣溫一般高于室外氣溫，此時，在密度差的作用下，室外空氣通過建筑下部的門窗或開孔等流人室內，并將室內較輕的空氣從上部的窗戶等位置排出，形成自下而上的室內通風流動。

基于以上熱壓通風原理.項目設計熱壓中庭，室外風將通過外窗進入各個房間，然后匯集到熱壓中庭，利用熱壓中庭形成的“煙囪效應”。從井道頂部的開口排出至室外，帶走室內熱濕負荷，改善室內熱舒適（圖1）。

3.1中庭空間形態(tài)設計

項目鹵立面太陽輻射強度大.能夠快速提升中庭內溫度。有和j于加強“煙囪效應”，進而促進室內通風換氣，因此熱壓中庭布置在兩側外區(qū);考慮到實際運營效果，為j，降低熱壓中庭空腔系統(tǒng)的復雜性，便于分段控制，方案設計將熱壓中庭空腔在垂直高度上分成3段：第一個中庭高度為低區(qū)4F～12F，第二個中庭高度為中區(qū)13F～19F，第三個中庭高度為高區(qū)20F～26F，室內與中庭相連的公共區(qū)設置通風開口，將室內空間熱空氣引入中庭，同時在各中庭頂部設置開口，以便熱空氣排出（圖2）。

3.2通劂開口設計

項目中庭周邊主要功能房間立面幕墻開啟采用尺寸1.5m×1.5m的上懸窗，且各房間均有可開啟部分，建筑的各開口應按阻力部件處理。并考慮開窗的安全推程，進行有效通風面積計算。本項目開口設計結合建筑方案立面效果，中庭周邊辦公空間通風開口位置示意及面積統(tǒng)計如圖3、表1所示。

利用熱壓對中庭周邊房間進行自然通風時應考慮中和面問題，提高中和面高度的措施包括提高排風窗高度、擴大排風窗與進風窗面積比、采用文丘里漸縮剖面等。針對本項目，為防止中庭中和面以上空間產生熱風回灌現象，中庭開口設計的關鍵在于：頂部開口設計、各層公共區(qū)與中庭連通處開口設計。采用多區(qū)域空氣流動模擬工具CONTAMW軟件對中庭及中庭周邊空間的通風流量進行分析，通過調整中庭開口設計位置、尺寸，使得各層通風流量平衡，保證室內氣流均流向中庭，不會出現回灌現象。根據CONTAMW軟件計算結果，確定低區(qū)中庭4F～12F，中區(qū)中庭13F～19F、高區(qū)中庭20F～26F的中庭頂部、各層公共區(qū)與中庭連通處開啟面積如圖3、表2～4所示。

4中庭熱壓通風效果模擬驗證

4.1熱壓通風目標

（1）根據ASHRAE STANDARD 55，在自然通風的空間內可接受的綜合溫度范圍如圖4所示，該圖適用于采用開關窗戶進行通風以達到熱舒適性的空間內的評價。因此，本項目利用熱壓通風需保證室內主要人員活動區(qū)域熱舒適溫度不超過28℃。

（2）依據國家《綠色建筑評價標準》GB/T50378-2014對室內自然通風的具體要求為：在過渡季典型T況下主要功能房間平均自然通風換氣次數不小于2次/h。

4.2計算條件設置

項目的主要功能為辦公，各空間的得熱量主要由室內人員、設備及照明的散熱、外圍護結構傳熱得熱及透明幕墻太陽輻射得熱構成。

根據國家公共建筑節(jié)能設計標準及空調設計手冊規(guī)定，高檔辦公室燈光發(fā)熱量為15w/m²（目標值），設備發(fā)熱量為13w/m²，同時開啟系數按70%計算;人員密度取0.125人/m²，人員負荷取57w/人;由于利用自然通風的時期室外溫度和室內溫度相近，外圍護結構的溫差傳熱得熱可以忽略;考慮到可利用自然通風的時間段，取全年太陽輻射強度較高的4月1～30日太陽輻射的平均值，按各朝向太陽輻射量與透明幕墻遮陽系數乘積計算各朝向房間太陽輻射得熱量（圖5）。

4.3中庭熱壓通風效果驗證

根據計算上文確定的通風開口設計方案，采用Flu-ent系列軟件對中庭熱壓通風效果進行驗證分析，以驗證通風開口設計的合理性。

低區(qū)中庭4F～12F剖面風速矢量及溫度如圖6所示，各層室內溫度、風速及空氣齡分布如圖7～9所示。

低區(qū)中庭負擔4F～8F層的室內負荷，L4～L8層均通過M處開口向中庭排風，排風口處風速約0.5～1.4m/s，并最終由頂部排風口L處排出，風速約1.5～²0m/s，中庭拔風效果明顯;在外界溫度為22℃時，L4～L8層室內人員活動區(qū)域的溫度均在28℃以下，局部較好區(qū)域溫度可以達到26℃左右，滿足熱舒適溫度要求;L4～L8層室內人員活動區(qū)域風速均在1.0m/s以內，空氣齡均在1200s以內，即通風換氣次數均大于2次/h。因此，低區(qū)中庭熱壓可以滿足室內人員熱舒適要求。

中區(qū)中庭13F～19F、高區(qū)中庭20F～26F剖面風速矢量及溫度分布如圖10所示，各層室內溫度、風速及空氣齡如圖11～13所示。

中區(qū)熱壓中庭負擔13F～16F、高區(qū)熱壓中庭負擔20F～23F的室內負荷，L13～L16、L20～L23層均通過M處開口向中庭排風，排風口處風速約0.5～1.0m/s，并最終由頂部排風口L處排出風速約1.5～²0m/s，中庭拔風效果明顯;在外界溫度為22℃時，L13～L16、L20～L23層室內大部分人員活動區(qū)域的溫度均在28℃以下，局部較好區(qū)域溫度可以達到26℃左右，少數房間溫度較高，但也在29℃以下，基本滿足熱舒適溫度要求;IA3～L16、L20～L23層室內人員活動區(qū)域風速均在1.0m/s以內，空氣齡均在900s以內，即通風換氣次數均大于4次/h。因此，中區(qū)、高區(qū)中庭熱壓可以滿足室內人員熱舒適要求。

5結語

針對昆明地區(qū)太陽輻射強度大、靜風時間長的氣候特點，熱壓中庭設計是強化室內自然通風的有效措施，借助模擬分析對中庭位置、高度、尺寸以及開口等進行精細化設計，充分利用中庭的熱壓拔風效果改善室內熱舒適性，充分體現了氣候適應性的建筑設計原則，也為昆明地區(qū)超高層辦公建筑自然通風設計提供了參考借鑒。