新冠疫情下探討辦公建筑的混合通風(fēng)技術(shù)

方一星 (上海智通建設(shè)發(fā)展股份有限公司， 上海 200126)

隨著人們對(duì)工作環(huán)境、空氣質(zhì)量的要求越來越高。20世紀(jì) 90 年代后，辦公建筑普遍采用機(jī)械空調(diào)系統(tǒng)。這是由于機(jī)械空調(diào)系統(tǒng)受外界環(huán)境影響較小，能夠持續(xù)、穩(wěn)定地提供舒適的室內(nèi)環(huán)境。但是，隨著機(jī)械空調(diào)系統(tǒng)的普及，其問題也逐漸暴露出來。辦公建筑的空調(diào)能耗費(fèi)用約占整個(gè)建筑的運(yùn)行費(fèi)用的 35%～45%，有的甚至高達(dá) 50%，且持續(xù)高居不下。同時(shí)，由于節(jié)能的需要，建筑的密封性越來越好，這導(dǎo)致僅采用機(jī)械空調(diào)系統(tǒng)的辦公建筑室內(nèi)空氣品質(zhì)不太理想。若工作人員長時(shí)間待在這種沉悶的環(huán)境中，會(huì)有昏昏入睡的感覺，大幅降低工作效率。

尤其 2003 年 SARS 病毒的傳播，使得大家一直關(guān)注的重點(diǎn)從辦公環(huán)境的舒適度提高提升至空氣品質(zhì)的新高度。為了避免在特殊時(shí)期，病毒通過通風(fēng)管道在不同的辦公區(qū)域之間蔓延，上海市針對(duì)寫字樓越來越多地使用透明玻璃幕墻的實(shí)際情況，在 2015 年 12 月 30 日發(fā)布的《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定：“透明幕墻應(yīng)有可開啟部分，其通風(fēng)開口面積不應(yīng)小于透明幕墻面積的 5%。”2020 年，隨著新冠疫情在全球范圍蔓延，自然通風(fēng)這一古老的技術(shù)又重新得到人們的重視。

自然通風(fēng)既可以向室內(nèi)提供新鮮的自然空氣，還能夠滿足人與自然交流的心理需求，提高人體的舒適感。同時(shí)，也可以大幅減少能耗，節(jié)約能源。但由于自然通風(fēng)方式受室外氣象條件影響很大，對(duì)于相對(duì)復(fù)雜的建筑，如有內(nèi)區(qū)的建筑，很難通過自然通風(fēng)形式在其室內(nèi)形成良好的氣流組織。因此，僅采用自然通風(fēng)具有一定的局限性。于是， “混合通風(fēng)”作為一種新的通風(fēng)方式，逐漸得到重視和應(yīng)用。

混合通風(fēng)，是指充分利用機(jī)械通風(fēng)和自然通風(fēng)各自的優(yōu)勢(shì)，在不同的季節(jié)或一天中的不同時(shí)間，根據(jù)室外氣象條件，利用控制系統(tǒng)，合理地在機(jī)械通風(fēng)模式和自然通風(fēng)模式之間進(jìn)行切換或聯(lián)合運(yùn)行。在提供熱舒適性和室內(nèi)空氣品質(zhì)的同時(shí)，使能耗最少。

1 自然通風(fēng)室內(nèi)熱舒適性

自然通風(fēng)室內(nèi)人的熱舒適性受室內(nèi)環(huán)境因素和人員本身因素兩個(gè)方面影響。第一，環(huán)境因素包括室內(nèi)溫度、相對(duì)濕度、平均輻射溫度以及室內(nèi)風(fēng)速等。室內(nèi)溫度是影響室內(nèi)人舒適性非常重要的一個(gè)因素，直接影響人體的對(duì)流及輻射換熱。相對(duì)濕度對(duì)人們主觀產(chǎn)生涼熱的感覺有影響，直接影響人體表面的蒸發(fā)散熱。當(dāng)氣溫在 16～25 ℃、相對(duì)濕度在30%～70% 范圍內(nèi)變化時(shí)，人的熱感覺不大。但氣溫、濕度過高或過低均會(huì)產(chǎn)生不利影響。室內(nèi)人員除了與周圍空氣進(jìn)行對(duì)流換熱以外，還與圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面（墻面、天花板、地面等）進(jìn)行輻射熱交換，因此溫度過高會(huì)對(duì)人產(chǎn)生熱輻射，溫度過低產(chǎn)生冷輻射。如室內(nèi)空氣流速過大，就會(huì)加速空氣與人的對(duì)流和蒸發(fā)散熱的速度，影響皮膚的觸覺感受，由此造成的不舒適感，叫作“吹風(fēng)感”。所以一般會(huì)限定室內(nèi)風(fēng)速范圍，但當(dāng)室內(nèi)溫度較高時(shí)，可適當(dāng)提高室內(nèi)風(fēng)速上限。第二，熱舒適性的人員本身影響因素是指人的著裝及人的活動(dòng)狀態(tài)。服裝可以減少人的熱損失，有助于適應(yīng)外界環(huán)境，調(diào)節(jié)體溫，建立舒適的人體熱環(huán)境。同時(shí)，人的活動(dòng)狀態(tài)的強(qiáng)烈程度，會(huì)影響人的新陳代謝率，造成不同的冷熱感覺。

另一方面，由于在機(jī)械空調(diào)系統(tǒng)作用下，室內(nèi)參數(shù)比較穩(wěn)定，掩蓋了人的適應(yīng)能力。但自然通風(fēng)環(huán)境是一種動(dòng)態(tài)環(huán)境，人們的行為會(huì)影響環(huán)境對(duì)人體器官的刺激，如開關(guān)窗、加減衣服、運(yùn)動(dòng)或靜止等。因此，二者要求的室內(nèi)舒適性溫度范圍會(huì)有所不同，不能簡單地將機(jī)械空調(diào)系統(tǒng)研究的室內(nèi)舒適溫度用于自然通風(fēng)環(huán)境的情況下。以前進(jìn)行人的舒適性評(píng)價(jià)時(shí)，通常使用的空調(diào)環(huán)境下的 PMV （人體舒適智能控制系統(tǒng)）指標(biāo)，如今也不適用于自然通風(fēng)情形。于是對(duì)PMV 模型進(jìn)行修正，以用于評(píng)價(jià)自然通風(fēng)室內(nèi)熱舒適性指標(biāo)。修正后的 PMV 模型的提出是由于計(jì)算得到的 PMV 值與調(diào)查得到的人們熱感覺不一致，于是根據(jù)不同的建筑類型、不同的地區(qū)以及周圍環(huán)境中空調(diào)建筑的多少，將計(jì)算得到的 PMV 乘以一個(gè)相應(yīng)的系數(shù) e。此系數(shù)的取值為 0.5～1。對(duì)于全空調(diào)的建筑，e=1；全年氣候溫和，其他建筑很少或者沒有裝空調(diào)時(shí)，e=0.5；其他有較多建筑安裝空調(diào)時(shí)，e=0.7；僅夏季溫和，其他建筑很少或者沒有安裝空調(diào)時(shí)，e=0.7～0.8；其他有較多建筑安裝空調(diào)時(shí)，e=0.8～0.9；僅夏季很短一段時(shí)間氣候溫和的地區(qū)，其他有較多建筑安裝空調(diào)時(shí)，e=0.9～1。

2 自然通風(fēng)、混合通風(fēng)的利用形式及案例分析

2.1 自然通風(fēng)的利用形式

目前，自然通風(fēng)這一技術(shù)在越來越多的建筑中被使用。自然通風(fēng)是利用熱壓或風(fēng)壓作用產(chǎn)生氣流，達(dá)到改善室內(nèi)熱環(huán)境的效果。在過渡季節(jié)或室外溫度在一定的范圍內(nèi)時(shí)，僅使用自然通風(fēng)即可滿足室內(nèi)的熱舒適要求。但當(dāng)遇到室外氣候惡劣情況時(shí)，則可以通過機(jī)械空調(diào)系統(tǒng)來調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣參數(shù)。

自然通風(fēng)具體的利用形式有 3 種，如圖 1 所示，即貫流通風(fēng)、單側(cè)通風(fēng)和煙囪通風(fēng)。

（1）貫流通風(fēng)。俗稱的“穿堂風(fēng)”，其原理為當(dāng)室外空氣吹向某棟建筑時(shí)，在該建筑的迎風(fēng)面由于墻的阻擋作用，空氣的動(dòng)壓轉(zhuǎn)化為靜壓，導(dǎo)致此處產(chǎn)生高靜壓；而在建筑的背風(fēng)面，由于產(chǎn)生的漩渦作用，使此處形成負(fù)壓。可以在這兩個(gè)面上開口，即可利用此壓差在室內(nèi)形成通風(fēng)。其關(guān)鍵在于要合理選取開口的位置及大小，并且室內(nèi)布局要利于通風(fēng)等。

（2）單側(cè)通風(fēng)。利用風(fēng)壓和熱壓的共同作用，在建筑的某一側(cè)有兩個(gè)開口，室外空氣從一個(gè)開口進(jìn)入后從另一個(gè)出來。一般要求該建筑層高較高，才能較好的利用熱壓作用，形成足夠的換氣率。

（3）煙囪通風(fēng)。利用熱壓作用來形成氣流，即“煙囪效應(yīng)”。室外空氣進(jìn)入室內(nèi)后被加熱，導(dǎo)致空氣密度變小而上升，然后經(jīng)過中庭、通風(fēng)井等，直至從建筑頂部排出。

圖 1 自然通風(fēng)的幾種形式

2.2 混合通風(fēng)的利用形式

混合通風(fēng)就是自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)的有效組合，與建筑形式和該地的室外氣候條件有關(guān)。主要形式有 3 種。

（1）自然通風(fēng)系統(tǒng)和機(jī)械空調(diào)系統(tǒng)交替運(yùn)行。當(dāng)室外條件允許情況下，僅使用自然通風(fēng)，關(guān)閉機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)；而當(dāng)室外環(huán)境升高或降低至某一限度時(shí)，關(guān)閉自然通風(fēng)系統(tǒng)，開啟機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)，二者基本無干擾。該通風(fēng)形式的關(guān)鍵在于需要選擇合適的控制參數(shù)，使得自然通風(fēng)模式與機(jī)械通風(fēng)模式之間的切換能夠滿足室內(nèi)熱舒適性要求，同時(shí)能夠達(dá)到空氣品質(zhì)要求，且能耗最少。

（2）風(fēng)機(jī)輔助式自然通風(fēng)。只有當(dāng)自然驅(qū)動(dòng)力不足時(shí)，才通過開啟風(fēng)機(jī)來維持氣流的流動(dòng)和保證氣流流速的要求，除此以外的其他情況全部使用自然通風(fēng)。該通風(fēng)形式的關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)一套自控系統(tǒng)，根據(jù)室外條件的變化控制風(fēng)機(jī)的啟與停。

（3）風(fēng)壓和熱壓輔助式機(jī)械通風(fēng)。任何氣候條件下，均以機(jī)械通風(fēng)為主，同時(shí)以風(fēng)壓和熱壓形成的自然通風(fēng)作為輔助。該通風(fēng)形式的關(guān)鍵在于根據(jù)風(fēng)壓和熱壓的大小變化控制機(jī)械通風(fēng)。

在設(shè)計(jì)混合通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)，還經(jīng)常結(jié)合其他的被動(dòng)式節(jié)能技術(shù)，如建筑遮陽技術(shù)、太陽能煙囪、地下通道預(yù)冷技術(shù)、晚間通風(fēng)等。此類技術(shù)可以有效地延長自然通風(fēng)的利用時(shí)間，并且改善室內(nèi)的熱環(huán)境，特別是針對(duì)室外氣溫極端的情況。

2.3 混合通風(fēng)的應(yīng)用案例

關(guān)于自然通風(fēng)、混合通風(fēng)的利用形式的相關(guān)研究有很多，且實(shí)際應(yīng)用案例亦有很多。近年來國內(nèi)外的研究成果及案例闡述如下所示。

芬蘭北部氣候條件下的某辦公建筑有 3 種混合通風(fēng)模式。①機(jī)械排風(fēng)的混合通風(fēng)模式，見圖 2。②管道送風(fēng)式混合通風(fēng)模式，見圖 3。③低壓混合通風(fēng)模式，見圖 4。

圖 2 有機(jī)械排風(fēng)的混合通風(fēng)模式

圖 3 管道送風(fēng)式混合通風(fēng)模式

圖 4 低壓混合通風(fēng)模式

圖 2 這種模式的混合通風(fēng)系統(tǒng)，在供熱季節(jié)完全依靠自然驅(qū)動(dòng)力（熱壓）作用，送風(fēng)通過壁裝式散熱器加熱。但在制冷季節(jié)及過渡季節(jié)，主要是增加機(jī)械通風(fēng)，并繼續(xù)開窗利用風(fēng)壓自然通風(fēng)。每個(gè)房間的空氣流量根據(jù)房間內(nèi) CO2和人員傳感器檢測(cè)數(shù)值進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)無人員時(shí)，關(guān)閉送風(fēng)閥和排風(fēng)閥。

圖 3 這種模式中在供熱或制冷季節(jié)送風(fēng)利用機(jī)械裝置經(jīng)過 AHU 送入室內(nèi)，而在過渡季節(jié)（如氣溫在 －5～10℃）時(shí)完全依靠自然驅(qū)動(dòng)力從旁通管進(jìn)入室內(nèi)。

圖 4 是低壓混合通風(fēng)系統(tǒng)。在供熱或制冷季節(jié)利用機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)；而在過渡季節(jié)，內(nèi)區(qū)仍采用機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)，外區(qū)可利用風(fēng)壓作用進(jìn)行自然通風(fēng)。

日本明治大學(xué)內(nèi)一棟 23 層的辦公建筑的混合通風(fēng)系統(tǒng)見圖 5。該系統(tǒng)在過渡季節(jié)利用風(fēng)壓和熱壓的共同作用使用自然通風(fēng)系統(tǒng)，在供暖或制冷季節(jié)使用機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)。每層四個(gè)面均設(shè)有進(jìn)風(fēng)口，進(jìn)入室內(nèi)后沿管道井上升從頂部排出。要特別指出的是，在第 18 層設(shè)置了一個(gè)排風(fēng)夾層，其作用是加大風(fēng)壓。

圖 5 明治大學(xué)某辦公建筑混合通風(fēng)系統(tǒng)

圖 6 是瑞士一棟辦公建筑，6 層，有中庭。該建筑在連續(xù) 17 d 室外最高溫度達(dá) 35 ℃ 的情形下室內(nèi)的空氣情況。白天，地下?lián)Q熱器用來預(yù)冷室外高溫空氣，隨后送入室內(nèi)，即可降低 7～10 K。晚間，利用煙囪作用形成的自然通風(fēng)，來降低室內(nèi)空氣。空氣品質(zhì)和室內(nèi)熱舒適性均滿足當(dāng)?shù)匾蟆?/p>

圖 6 晚間通風(fēng)及機(jī)械通風(fēng)氣流過程

圖 7 是英國某生態(tài)辦公建筑樓，其南面有 45% 的玻璃幕墻和外遮陽設(shè)施，吊頂內(nèi)設(shè)有風(fēng)道連接在太陽能煙囪上。通風(fēng)系統(tǒng)分別包含有單側(cè)通風(fēng)、貫流通風(fēng)和煙囪通風(fēng) 3 種形式。當(dāng)夏季炎熱情況時(shí)，太陽能煙囪可以加強(qiáng)通風(fēng)。同時(shí)，風(fēng)道中的風(fēng)機(jī)備用還可以輔助加強(qiáng)風(fēng)壓。

圖 7 英國某生態(tài)辦公建筑

為了有效地利用自然通風(fēng)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意建筑周邊的房間，距離中庭中部的路程要滿足貫流通風(fēng)的限值要求。同時(shí)，在建筑頂部設(shè)置排風(fēng)口應(yīng)注意它的朝向，應(yīng)使任何時(shí)候該處均為負(fù)壓，即只能有空氣從該排風(fēng)口出去，而不能倒流。有時(shí)還增設(shè)排風(fēng)機(jī)，以加大自然通風(fēng)的換氣效果。見圖8 所示。

圖 8 自然通風(fēng)的換氣效果示意

3 結(jié) 語

從自然通風(fēng)到機(jī)械通風(fēng)，再到混合通風(fēng)方式，都是人們追求更加優(yōu)質(zhì)的生活和辦公環(huán)境的不同發(fā)展階段，體現(xiàn)了“以人為本”的健康的建筑理念。根據(jù)建筑的類型及特點(diǎn)，每一種通風(fēng)方式都有它適合運(yùn)用的機(jī)會(huì)，或者可同時(shí)運(yùn)用。只要綜合考慮到建筑特性、熱舒適度、空氣品質(zhì)、建筑能耗、投入成本等多方面的因素，就可以獲得一個(gè)最適合的方案。