舊工業建筑綠色生態更新中的自然通風設計探討
——以雄安新區某建筑為例

文/中國建筑設計咨詢有限公司 劉 敏 李新中 李天陽 吳越超徐 風 劉 恒

0 引言

隨著我國經濟發展方式的轉變和產業轉型升級，大量工業建筑面臨更新改造。為實現建筑業可持續發展，采取低成本的綠色化改造策略，如太陽光及自然通風的利用、結構和建材的保留及再生等應是舊工業建筑再生利用的主導方向。

本文探討工業建筑更新改造中自然通風的有效利用。相較于公共建筑，工業建筑空間寬敞、進深大，自然通風可利用區域較小。在保留工業建筑原有立面體系和結構前提下，如何通過平面布局劃分、通風開口設置來實現內部功能區的自然通風效果，對建筑改造設計實踐具有積極意義。

1 工程概況

1.1 現狀調研

項目位于雄安新區容城縣，建筑為南北朝向，用地東側及南側為城市交通路，北側為鍋爐房和酒店。大樓原為制衣車間，鋼筋混凝土框架結構。樓中段為兩跨大空間，東側為衛生間及樓梯，西側設1部貨梯及樓梯，改造前如圖1所示，改造后主要功能為辦公。

圖1 改造前

圖2 改造后平面

經檢測，主體結構質量較好，因此不做改動，局部樓板根據機電要求增加板洞。

建筑平面布局為大開間，中間設1條東西向走道，不利于自然通風。南、北立面窗墻面積較大，窗墻比分別為0.6和0.5。大開間南北寬度約19.35m，單側進深9.6m，雙側采光。經自然采光模擬分析，進深7m以內區域采光效果較好。立面改造時，僅對原有墻面進行局部處理，外窗面積保持現狀，替換原門窗為節能門窗。

改造后，大樓設置變制冷劑流量多聯分體式空調加新風系統。

1.2 平面布局改造

大樓南側面向交通主干道，為減少外界氣候和噪聲對辦公空間的直接影響及在室內空間形成1條合理便捷的交通流線，改造建筑平面布局，在南向設置封閉式外廊。為保證自然采光效果，封閉式外廊北側（靠近辦公側）采用玻璃隔斷（見圖2）。

2 自然通風設計思路

2.1 設計難點

為獲得較好采光及視野效果，封閉式走廊南向窗墻比較大，溫室效應明顯。如何通過自然通風排出走廊熱負荷，減少夏季日間辦公功能區的制冷負荷，在過渡季和夏季夜間將室外新風引入辦公區，改善熱環境及空氣質量，是該改造項目自然通風設計難點之一。

該改造項目工作周期短，2018年2月開始方案設計，同年6月底須完成施工。為配合項目進度，自然通風的設計分析需及時跟進，不同設計階段采取不同分析方法。

2.2 效果判定指標

為更直觀了解自然通風效果，依據GB/T 50378-2014《綠色建筑評價標準》[1]中按熱舒適要求對室內設計溫度進行分級，及依據GB/T 50189-2015《公共建筑節能設計標準》[2]要求主要功能房間平均自然通風換氣次數不小于2次/h等規定，本文按自然通風換氣次數和自然通風后房間溫度值，將自然通風效果分為3個等級：一般、較好、很好（見表1）。自然通風換氣次數不低于2次/h是該項目各功能房間自然通風的最低要求。

表1 自然通風效果等級判斷條件

2.3 研究目的及方法

采用數值模擬手段，通過優化設計各朝向外窗及玻璃隔斷的通風開口，包括開口面積及位置，合理組織室外氣流進入辦公空間的流向。

方案階段，為及時快速地提出自然通風設計建議，采用只關注流體宏觀運動的多區域網絡模型法[3]進行分析，得出各朝向外窗及玻璃隔斷的通風開口面積。

初步設計和施工圖階段，為詳細描述空氣流場，采取CFD方法，對通風開口位置提出建議，并驗證通風開口面積能否滿足自然通風的最低要求。

3 邊界條件說明

3.1 室外氣象參數

雄安地區室外計算參數如表2所示。過渡季選擇為每年3月16日—5月31日及9月1日—11月13日。夏季夜間溫度和過渡季最多風向、風速和平均溫度根據《中國建筑熱環境分析專用氣象數據集》提供的逐時氣象數據統計得出。

3.2 建筑表面風壓參數

建筑表面風壓通過模擬項目所在小區的場地風環境得出。

3.3 CONTAM計算參數說明

CONTAM軟件主要使用孔口阻力模型對各通路阻力特性（如門、窗等）進行描述。研究中，門的流量系數取0.80，指數取0.50；窗戶流量系數取0.65，指數取0.50。

過渡季自然通風時室內外溫差不大，因此室內發熱量不考慮圍護結構的傳熱及蓄熱，僅考慮太陽通過玻璃的直射輻射、人員顯熱負荷、照明及設備負荷。其中，太陽直射輻射取過渡季12∶00～16∶00時逐時太陽輻射強度值。

3.4 CFD計算參數說明

計算模型中涉及的邊界包括外墻、內墻、屋頂、外窗、外門、內門、內擾及地面等。

屋頂、外墻及內墻設置為第二類邊界條件。

室內熱擾包括人員、電腦、燈光發熱。人員和電腦發熱設置為單位體積設備發熱量，燈光發熱量為單位面積發熱量。

地面設置為絕熱邊界條件。

4 自然通風結果及分析

方案階段采用CONTAM軟件建立過渡季自然通風物理模型。各朝向開窗比例的設計建議如表3所示，此時辦公區的換氣次數可達2.9～3.2次/h。

初步設計及施工圖設計階段采用CFD方法對南向開啟扇和玻璃隔斷開口的具體面積及位置進行詳細計算，建議南立面上下部均設置通風口，且上下部通風開口錯開。為將室外新風引入辦公區域，在玻璃隔斷上方設置通風開口（見圖3）。

夏季日間辦公區空調運行時，關閉玻璃隔斷的通風開口，只開啟南立面外窗上部及下部的通風口，利用煙囪效應排掉走廊內的熱空氣（見圖4，5）。此時，走廊人行區溫度為31.3～32.7℃，比人員短期逗留區域空調室內設計參數高1.3～2.7℃。

過渡季及夏季夜間，關閉南立面外窗下部的通風開口，開啟南立面外窗上部及防火隔斷的開口，在辦公區形成較好的自然通風（見圖6，7）。過渡季自然通風計算統計結果如表4所示。夏季夜間（19∶00～05∶00）自然通風時，辦公區溫度為24.6～25.4℃。

表2 雄安地區室外計算參數

表3 方案階段開窗比例建議

圖3 通風開口設置

圖4 夏季日間剖面風速示意

圖5 夏季日間剖面溫度示意

圖6 過渡季及夏季夜間剖面風速示意

圖7 過渡季及夏季夜間剖面溫度示意

表4 過渡季自然通風計算結果統計

5 結語

在保留原有立面體系及結構的前提下，改造寒冷地區制衣車間的功能平面布局[4]。為兼顧采光、降噪、通風、冬季采暖、交通流線等因素，在南向采用玻璃隔斷形成封閉式外廊。從方案到施工圖設計階段，分別采用多區域網絡模型法和CFD方法，以快速響應建筑師在不同階段的設計需求。

分析結果表明，夏季日間關閉玻璃隔斷的高側窗，開啟南立面上下部的外窗，引導外廊內熱空氣排出室外，走廊人行區溫度略高于人員短期逗留區域空調室內設計參數的要求，具有降低溫室效應的效果；過渡季及夏季夜間（19∶00～05∶00）開啟南面下部的外窗及玻璃隔斷的高側窗，在辦公區形成類似置換的效果，過渡季自然通風換氣次數達2.9～8.4次/h，人行區溫度21.0～31.0℃，夏季夜間辦公區溫度為24.6～25.4℃。