高层办公建筑自然通风策略技术探究

叶郁　杨冰莲

摘要：现代城市和建筑的发展，使得自然通风的利用比传统建筑更为复杂。不同气候条件与建筑形式能否利用自然风需要更多的理论研究与技术支持。本文将结合中钢天津响螺湾项目重点探讨高层办公建筑自然通风引入技术的可行性方案，致力推动自然通风技术的应用，推动建筑的可持续发展。

关键词：中钢；天津响螺湾；高层办公建筑；自然通风

中图分类号：TU834.5⁺2

文献标识码：B

文章编号：1008-0422（2013）09-0063-05

1 前言

美国智能建筑学会给出的智能建筑的定义为：“智能建筑是将结构、系统、服务、运营及其相互联系全面综合，并达到最佳组合，所获得的高效率、高功能与舒适性的大楼。”在现行的国家标准《绿色建筑评价标准》中，要求建筑设计和构造设计有促进自然通风的措施。但空调技术发展以后，自然通风的价值一度为人们所忽略，能源危机、封闭式空调带来的室内空气品质和居民健康问题以及全球可持续发展的需求使得自然通风重新得到科学家和其相关人员的高度重视。合理的利用自然通风，不仅可降低能耗，并且能提供新鲜清洁的自然空气，改善室内空气品质，满足人们对舒适健康室内环境的要求。

现代城市和建筑的发展，使得自然通风的利用比传统建筑更加复杂，这种复杂性一方面表现在建筑功能更加复杂、形式更加多样，另一方面表现在人们对室内热环境的要求更高。同时，不同的气候条件与建筑形式能否利用自然风需要更多的理论研究和技术支持。在设计中体现人性化设计的理念已深入人心，更要求设计师努力研究每一项能使建筑物和使用者受益的新材料和新工艺，并整合后落实到设计实践中。本文将结合一个工程实例重点探讨“高层办公建筑自然通风引入技术”的可行性方案，致力推动自然通风技术的应用，推动建筑的可持续发展。

2 关于自然通风

自然通风（NaturalVentnation）是一种比较经济的通风方式。它不消耗动力，也可获得较大的通风换气量，简单易行，节约能源，有利于环境保护，被广泛应用于工业和民用建筑中。国内外对自然通风的概念或描述不尽相同，但总体来说，所谓自然通风，其共同的特点是：依靠室外风力造成的风压和室内外空气温度差造成的热压使空气流动，以达到提供给室内新鲜空气，稀释室内气味和污染物，除去余热和佘湿的目的。

以上海一栋办公建筑标准层的自然通风进行模拟，对过渡季节典型周内开窗与不开窗条件下的室内温度进行比较，过渡季节开窗自然通风可以较好地满足室内温度及换气次数需求，并降低空调运行时间2001h/a和能耗30.61kWh/（a·m²）。

办公建筑多为高层建筑，由于室外空气质量、温度、湿度、风环境和声环境并不能总是满足自然通风的需求，因而办公建筑自然通风的策略主要包括：自然通风与机械通风混合使用策略、间歇性自然通风策略、利用自然通风策略等。

自然通风与机械通风混合使用策略主要是指在条件允许的情况下尽量采用自然通风，机械通风只是在需要的时候作为辅助的手段。在高层建筑中，随着竖向高度的变化，楼层的内外部气压差是不同的，因此在实际操作中通常会考虑混合通风模式。根据建筑内各部分的实际条件和不同需求采用不同的通风方式，或自然通风与机械通风同时使用，或白天使用机械通风夜晚使用自然通风。

间歇性自然通风是指在室外条件适宜的时候打开窗户或通风口利用自然通风，不适宜的时候关闭窗户或通风口。温度适宜的春秋两季是最适合利用自然通风的时节。而在夏季，根据对人体热舒适感研究可知，当环境温度超过34℃时，即使有风吹过，大部分人仍会感到炎热，因此当室外气温高于34℃时，就不适宜开窗通风。在多数情况下，办公室并不需要24小时通风，只要保证充足的换气率即可，在噪音较大时亦可采用这种间歇性自然通风策略，充分利用夜间自然通风降温（Nishtcooling）也是获得舒适和节能效果的有效手段。只要利用自然通风得当，办公室全年使用空调的时间可以压缩至20%，这将很大程度的减少空调能耗。

利用自然通风策略是指根据办公建筑自身的建筑特征，通过合理的建筑设计，充分利用自然通风。目前的大多数建筑设计中，自然通风应用存在较多问题，办公建筑室内空气品质不理想，大多数办公人员长时间工作在封闭空调的办公环境中会感觉到气流小头晕闷气。即使在过渡季节（即不开启空调的季节），许多办公人员仍然还会感觉闷气。这种办公室内的环境感受与办公建筑外壳设计模式（即采用全玻璃幕墙或玻璃面积比例过大的幕墙）、能量利用模式（即采用全封闭的通风和空调系统）、空间设计模式（即采用“层积式”的设计模式）等有关。经过分析，以上现状与问题的产生原因来源于室外空气质量与噪声使自然通风使用受到限制、办公建筑空调系统运行模式的影响、自然通风技术的采用受到限制、室外风速限制自然通风的运用、立面开窗的安全隐患、办公建筑的热量与建筑体型对自然通风的限制以及大部分办公建筑在设计上就考虑自然通风设计等。

3 高层建筑的自然通风形式

在实际工程应用中，常使用的高层建筑自然通风形式有幕墙开窗及双层通风幕墙。幕墙窗的开启方式常见的有固定窗、推拉窗、平开窗、外开上悬窗、平行外推窗等。双层通风幕墙按空气循环方式分为内循环、外循环（整体式、廊道式、通道式、箱体式）、开放式双层幕墙。

在双层幕墙结构中，内层幕墙与外层幕墙之间形成一个相对封闭的空间，空气通过下部的进风口进入此空间，又从上部排风口离开此空间，这个空间称为热通道，热通道内的空气一直处于流动状态，并与内层幕墙的外表面不断地进行热量交换，因此双层幕墙又称为热通道幕墙。它改变了传统幕墙的结构形式，在节能方面，比传统幕墙节能达50%，保温性能达国际Ⅱ级；采用无镀膜玻璃，实现自然光照明，节省电力；具有冬季保温和夏季隔热的双重功能，有效地减少空调的使用，达到节能效果。双层幕墙的防尘通风功能使其在恶劣天气（特别是沙尘暴发生地区）也不影响开窗换气，提高了室内空气质量，同时双层幕墙结构使得超高层建筑幕墙拥有自然通风的可能，从而最大限度地满足了使用者对于自然通风在生理与心理上的需求。

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中钢天津响螺湾项目自然通风设计研究

4.1项目概况

中钢天津响螺湾项目位于响螺湾商务区一号地，北侧与东侧被海河环绕，西侧毗邻商务区主干道，东侧通过景观桥横跨海河与对岸相连接（图1）。本项目的设计概念是将建筑形态、结构受力以及文化符号统一为“蜂巢”状的六边形原型。整个建筑的外立面由五种不同尺寸的六边形窗构成，这也是对中国古典建筑中经典“六棱窗”的一种全新发展与创新（图2、3、4、5）。整个项目由两栋塔楼及裙房组成，一号塔楼为五星级酒店，总高102m；二号塔楼为办公酒店综合体，总高358m；裙房为酒店大堂及配套商业、餐饮等设施。（图6、7）

4.2自然通风策略的技术探究

4.2.1对于机电设计专项的研究

在本项目机电设计中，力求创建智能化办公，搭建先进的通讯与计算机网络技术信息高速公路，其中包括结构化综合布线与光纤电缆传输、综合业务数字网、万兆以太网、数字程控交换机通讯等。对于空调系统设计，酒店空调全年同时供冷供热，办公楼采用变风量空调（AVA）系统。在保证室内优良的空气品质的同时，实现运行节能，为办公楼的租户提供便利的24小时供冷系统。空调系统的新风设置热回收装置，回收排风中的冷、热气，并将锅炉烟气进行余热回收用于预热生活热水。采用高能效比的制冷机组，配备机房群检及BMS系统，所有设备将根据总冷负荷变化进行优化的运行控制。全楼的空调、通风系统采用直接数字控制（DDC）系统进行自控，实现运行管理的数字化和计算机操作。

从以上机电设计概况可以看出此项目设计机电空调系统属于全空气系统，新风由室外经新风机组处理后送入室内，通常该新风机组是以满足室内卫生要求而不是负担室内负荷未使用的。送风温度、相对湿度、二氧化碳（C02）浓度等都受控于新风机组。变风量空调（AVA）系统在风机上安装变频器，通过室内的感应探头对温度进行分析，通过中央控制器改变变频器的频率，从而达到改变风机的转速来控制室内温度。较定风量空调系统在节能与室内空气舒适度上已有提高，但仍然存在着中央空调系统的多项弊端。

4.2.2立面开窗的可能性

本项目位于天津响螺湾，海河环绕，空气质量好，地段周边环境优美，从室外空气质量与噪声的角度具备立面开窗的可能性。从机电节能设计的角度分析，项目采用变风量空调（AVA）系统，新风量增加会改变系统负荷，通过控制器的调控可以达到环保节能的效果。

通过现地数据采集研究室外风速对自然通风的影响，《天津中钢国际广场风洞测压试验报告》（以下简称《报告》）给出的极值压力已经考虑了封闭结构的内压值，因此给出的结果可直接作为风荷载标准值用于围护结构设计。从统计结果可知塔楼立面风压值与规范值基本相当；T2塔楼边角的负压很高（图8）。因此在T2的转角位置应避开幕墙窗开启，其余部位外墙风压标准值从《报告》中可以查到除去转角后最大风压标准值（100m以上部位）多在-4-2.5之间，参考《建筑外门窗气密＼水密＼抗风压性能分级和检测方法》，选择抗风压性能等级6级，立面开窗可满足要求。

4.2.3高层开窗安全性研究

通过提高窗下口据室内地面的高度，采用高窗的设计以满足内部人员的安全要求，同时也可解决临近窗口的工位受自然通风影响过大的问题。开启窗扇在满足各项结构指标的前提下，增加安全技术的应用，例如智能电动开窗器，可与空调系统、消防系统联动，加强高层建筑立面外开窗的安全可靠性。

4.2.4立面设计和幕墙体系与立面开窗的研究

立面外形设计为中国古典建筑中经典“六棱窗”，在设计中留有300宽外窗台（图9），当采用上悬外开窗时，开启后不会突出外铝板幕墙，避免破坏“六棱窗”的整体造型（图10）。本项目立面采用单元式幕墙，减少高空室外作业和现场施工，工厂加工质量更有保证，同时为开窗提供了很好的条件。（图11、12）

5 结语

表1是笔者对北京一些高层办公建筑自然通风情况所做调研，在本项目自然通风策略技术设计中有所借鉴。针对本项目，综合初设时的设计条件，以及对本项目地理位置、自然条件、平面功能、立面特性、幕墙构造等的分析，在施工图阶段向业主提出了改进的室内通风策略措施，即通过开窗，利用自然通风与机械通风的混合模式，提高办公室内舒适度，减少空调能耗。

现在北京办公楼通常的出租率约65%左右，个别办公楼因设计造型美观、空间合理、环境舒适，办公出租率得以提高。设计和建造更舒适节能的办公建筑是每个参与人的社会责任。技能环保的设计理念会不断推动材料与技术的革新，同时新材料与技术转向推动建筑走向更加节能和健康。