李麟學(xué) 張琪 彼得·特魯默 周凱鋒

1 研究背景

隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，建筑的實(shí)際運(yùn)行越來越依賴設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(huì)消耗大量的運(yùn)行能源，運(yùn)行機(jī)械空調(diào)時(shí)的建筑能耗顯著高于自然通風(fēng)模式[1]。氣候是城市中最后未被人工化的自然[2]，自然通風(fēng)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(fēng)壓通風(fēng)往往難以發(fā)揮有效性能，而熱壓通風(fēng)取決于室內(nèi)外溫度差與氣流通道的高度或通風(fēng)口之間的垂直距離，對(duì)解決大尺度空間的通風(fēng)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(jì)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(xué)的Narendra Kumar Bansal等發(fā)表了太陽能煙囪輔助風(fēng)塔系統(tǒng)應(yīng)用于建筑物自然通風(fēng)的研究，指出太陽能煙囪與風(fēng)塔結(jié)合應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)[4]。1994年，Ammar Bouchair提出英國(guó)暖通設(shè)計(jì)手冊(cè)的溫度指標(biāo)未考慮空氣流速，可通過加強(qiáng)自然通風(fēng)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(xué)煙囪進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究[5]。2000年，Antonio Moret Rodrigues等研究了太陽能煙囪的溫度和風(fēng)速，在空氣流量與空氣流動(dòng)方面有了更深入的研究成果，為太陽能煙囪創(chuàng)新設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)[6]。2003年，Chen Zhengdong等通過實(shí)驗(yàn)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(guó)內(nèi)，2003年王麗萍等人搭建了太陽能煙囪模型，并通過實(shí)驗(yàn)表明，煙囪高度越高、室外溫度越高，則通風(fēng)量越大[8]。2003年，翟曉強(qiáng)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(yùn)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(shí)際應(yīng)用，綜合考慮太陽輻射、日照、風(fēng)壓、高度等因素，并提出與風(fēng)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(qiáng)建筑中庭空間熱壓通風(fēng)，并在既有理論基礎(chǔ)上重點(diǎn)研究其在實(shí)際案例中的應(yīng)用策略及設(shè)計(jì)方法。

2 太陽能煙囪

16世紀(jì)，太陽能煙囪作為通風(fēng)裝置出現(xiàn)在意大利，被稱為“Scirocco Rooms”（熱風(fēng)房間）。在我國(guó)傳統(tǒng)建筑四合院中，細(xì)高的天井也利用太陽能煙囪原理實(shí)現(xiàn)通風(fēng)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(jì)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(dòng)，并引入底部空氣，強(qiáng)化空氣流動(dòng)，這是首個(gè)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(fēng)塔三種形式，例如奧地利林茨設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)氣流循環(huán)；英國(guó)德蒙福特大學(xué)（De Montfort University）女王館則采用了通風(fēng)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(fēng)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(diǎn)，如表1所示。

3 設(shè)計(jì)方法和應(yīng)用轉(zhuǎn)化

3.1 項(xiàng)目概況

研究項(xiàng)目崇明體育訓(xùn)練基地1號(hào)樓（以下簡(jiǎn)稱“1號(hào)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(zhǎng)。利用Ladybug Tools對(duì)上海進(jìn)行氣候參數(shù)（全年輻射量、太陽高度角以及風(fēng)玫瑰圖）可視化分析，可以看出上海在夏季有良好的東南風(fēng)，適合利用自然通風(fēng)進(jìn)行環(huán)境調(diào)節(jié)（圖3）。

1號(hào)樓位于基地西南角，為運(yùn)動(dòng)員公寓及管理樓，設(shè)計(jì)關(guān)注到崇明生態(tài)島背景下“建筑生態(tài)實(shí)驗(yàn)”這一命題，以性能為出發(fā)點(diǎn)探索環(huán)境、建筑、系統(tǒng)的協(xié)同關(guān)系。1號(hào)樓建筑高度50m，標(biāo)準(zhǔn)層面積約750～800m2，采用開放式中庭，結(jié)合風(fēng)環(huán)境進(jìn)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(duì)應(yīng)，尺寸相同（圖4）。本文主要針對(duì)1號(hào)樓太陽能煙囪尺度參數(shù)與窗戶開啟情況進(jìn)行多參數(shù)性能分析，并圍繞舒適性指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

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(jì)應(yīng)減小對(duì)室內(nèi)使用空間的影響，同時(shí)結(jié)構(gòu)合理?；谝陨显蚣绊?xiàng)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(dòng)。在建筑十層標(biāo)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(fēng)口。

1號(hào)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(fēng)速差過大，同時(shí)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(gè)煙囪，西側(cè)煙囪C1負(fù)責(zé)一至二層中庭通風(fēng)，東側(cè)煙囪C2負(fù)責(zé)三至九層中庭通風(fēng)。

3.2.2 形式及尺寸

1號(hào)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(jì)，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(fēng)口，需高于建筑屋頂。

表1 太陽能煙囪形式及其優(yōu)缺點(diǎn)

1 特朗博墻—太陽能吸熱壁

2 德蒙福特大學(xué)女王館風(fēng)塔

3 項(xiàng)目基本情況及氣候分析

4 崇明體育訓(xùn)練基地1 號(hào)樓實(shí)景5 太陽能煙囪位置

3.2.3 各層風(fēng)口面積

為保證太陽能煙囪風(fēng)口面積滿足需求，根據(jù)暖通工程師的計(jì)算，得到每層風(fēng)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(gè)整體。

最后通過計(jì)算，分別得出C1和C2兩個(gè)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(jì)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(jiǎn)化，保留必要的邊界條件，選用Fluent①軟件模擬室內(nèi)風(fēng)環(huán)境，研究太陽能煙囪變量與室內(nèi)風(fēng)環(huán)境的動(dòng)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(fēng)的主要區(qū)域，C1、C2煙囪負(fù)責(zé)不同區(qū)域及樓層（圖10,11），相應(yīng)研究區(qū)域的詳細(xì)數(shù)據(jù)如表4所示。

3.3.2 變量設(shè)定

為分析室內(nèi)風(fēng)環(huán)境與太陽能煙囪的動(dòng)態(tài)關(guān)系，選定以下三個(gè)變量：

（1）季節(jié)

上海地區(qū)冬春時(shí)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(shí)間內(nèi)（8時(shí)—17時(shí)）的逐時(shí)氣象參數(shù)（溫度和太陽輻射強(qiáng)度），即春季和秋季的兩個(gè)時(shí)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(hào)樓在十層（37.5m標(biāo)高）設(shè)有屋頂花園，建筑屋頂結(jié)構(gòu)標(biāo)高為49.2m。為了實(shí)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(biāo)高相等，以減少建筑形體的復(fù)雜程度；56.0m高度模式在屋頂機(jī)房標(biāo)高的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高煙囪高度，同時(shí)保證人視點(diǎn)建筑形體效果（圖12）。

（3）開窗方式

表2 各層拔風(fēng)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(fēng)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(fēng)井及其負(fù)責(zé)的通風(fēng)區(qū)域11 東側(cè)拔風(fēng)井及其負(fù)責(zé)的通風(fēng)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(huì)對(duì)室內(nèi)風(fēng)速及中和面產(chǎn)生不同影響。1號(hào)樓采用玻璃幕墻圍護(hù)，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(huì)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(duì)照組。一至二層模擬結(jié)果顯示，一層風(fēng)量遠(yuǎn)大于所需風(fēng)量，而二層風(fēng)量很小，甚至出現(xiàn)倒灌現(xiàn)象，說明中和面位置遠(yuǎn)不能達(dá)到要求，需對(duì)底部和頂部的開窗情況進(jìn)行調(diào)整，依次減少為初始數(shù)目的0.5倍和0.1倍，與對(duì)照組進(jìn)行模擬對(duì)比；三至九層模擬結(jié)果顯示，三至五層通風(fēng)量遠(yuǎn)大于需求，而七至九層呈現(xiàn)愈發(fā)嚴(yán)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(duì)照組進(jìn)行模擬對(duì)比。開窗對(duì)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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

（1）新風(fēng)量

表5 5 月12 日和10 月15 日逐時(shí)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(gè)重要的衡量指標(biāo)。太陽能煙囪可以形成自然通風(fēng)，滿足室內(nèi)新風(fēng)量要求。根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算書可得到每層自然通風(fēng)區(qū)域所需的最小新風(fēng)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(fēng)室內(nèi)的舒適溫度范圍。隨著室外溫度變化，用戶對(duì)室內(nèi)溫度的期待值會(huì)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(gè)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(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50019-2003）及《辦公建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》（JGJ 67-2006），風(fēng)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(duì)所設(shè)太陽能煙囪模型進(jìn)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(shí)一層全部時(shí)間為新風(fēng)，通風(fēng)量為3.3～10.2m3/s，二層出現(xiàn)倒灌，三至六層全部時(shí)間為新風(fēng)，通風(fēng)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(shí)間段溫差相差在1℃以內(nèi)；一至二層室內(nèi)相同時(shí)間段風(fēng)速相差在0.07m/s內(nèi)，三至九層室內(nèi)相同時(shí)間段風(fēng)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(fēng)，三至七層全部為新風(fēng)，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(shí)間段內(nèi)溫差相差在1℃以內(nèi)；整體風(fēng)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(shí)間段風(fēng)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(shí)間為新風(fēng)，八層部分時(shí)間為新風(fēng)，九層出現(xiàn)倒灌現(xiàn)象，中和面位于八層；室內(nèi)溫度、風(fēng)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(fēng)量

表9 每個(gè)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(duì)比匯總④

表13 最優(yōu)方案MC-03 參數(shù)

15 改進(jìn)前后的中和面位置對(duì)比16 一層及西側(cè)拔風(fēng)井風(fēng)速圖17 三層及東側(cè)拔風(fēng)井風(fēng)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(fēng)速減小等關(guān)系特征。建筑開窗對(duì)中和面影響較大，為使更多樓層獲取新風(fēng)，需適當(dāng)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(fēng)量增大、室內(nèi)溫度降低趨勢(shì)，室內(nèi)風(fēng)速基本保持不變。

3.3.5 最優(yōu)方案

按照最初設(shè)定的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)各方案進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)要求，即煙囪高度56m、開窗最少的方案，詳細(xì)參數(shù)如表13所示。

最后，對(duì)所選最優(yōu)方案的室內(nèi)溫度、風(fēng)速、通風(fēng)等進(jìn)行了數(shù)據(jù)可視化分析驗(yàn)證，得出每個(gè)樓層自然通風(fēng)的風(fēng)速、風(fēng)壓、溫度以及東西兩側(cè)拔風(fēng)井的拔風(fēng)效果。結(jié)果表明上述指標(biāo)均能夠基本滿足人體對(duì)環(huán)境的舒適性要求，說明本方案具有較強(qiáng)的實(shí)際價(jià)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(dòng)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(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)分析，并以1號(hào)樓為例闡釋其在公共建筑空間中的設(shè)計(jì)及應(yīng)用。以煙囪高度、開窗位置為變量，通過模擬分析試驗(yàn)不同變量對(duì)于太陽能煙囪通風(fēng)性能的影響，并從立面、材料、風(fēng)口、井道、外立面窗戶等方面進(jìn)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(qiáng)中庭空間熱壓通風(fēng)的設(shè)計(jì)方法，具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)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(jìn)行對(duì)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(dòng)等。在方案設(shè)計(jì)前期使用Fluent，可以為節(jié)能設(shè)計(jì)提供更精準(zhǔn)和更有導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)要求，○為基本滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，×為不滿足標(biāo)準(zhǔn)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(xiàng)目信息

業(yè)主：上海體育職業(yè)學(xué)院

建設(shè)地點(diǎn)：上海市崇明區(qū)

建筑設(shè)計(jì)：同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司麟和建筑工作室

項(xiàng)目負(fù)責(zé)人：李麟學(xué)

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)：劉旸、周凱鋒、王彥雯、吳琦

總建筑面積：41 700m2

設(shè)計(jì)時(shí)間：2013.10—2019.02

項(xiàng)目狀態(tài)：在建