太阳能烟囱加强建筑中庭空间热压通风的设计方法研究＊

李麟学 张琪 彼得·特鲁默 周凯锋

1 研究背景

随着城市化进程的推进，建筑的实际运行越来越依赖设备驱动与空调调节，使其面临高能耗与低舒适的挑战，设备环境下的高舒适会消耗大量的运行能源，运行机械空调时的建筑能耗显著高于自然通风模式[1]。气候是城市中最后未被人工化的自然[2]，自然通风可以利用自然气候要素改善建筑空间性能，调控环境。但在大型建筑空间中，常见的风压通风往往难以发挥有效性能，而热压通风取决于室内外温度差与气流通道的高度或通风口之间的垂直距离，对解决大尺度空间的通风问题尤为有效，可利用于建筑的中庭空间、过渡空间、双层界面空间。通过有效的空间组织、合理的体型和构造设计，可以实现对室内外环境的性能化调节，把环境调控的技术手段融入建筑的本体要素[3]。

1993年，印度环境规划和技术中心大学的Narendra Kumar Bansal等发表了太阳能烟囱辅助风塔系统应用于建筑物自然通风的研究，指出太阳能烟囱与风塔结合应用的优势[4]。1994年，Ammar Bouchair提出英国暖通设计手册的温度指标未考虑空气流速，可通过加强自然通风加快空气流速而改善人体热舒适状况，并使用烟雾追踪法围绕热力学烟囱进行了相关实验研究[5]。2000年，Antonio Moret Rodrigues等研究了太阳能烟囱的温度和风速，在空气流量与空气流动方面有了更深入的研究成果，为太阳能烟囱创新设计与应用提供理论基础[6]。2003年，Chen Zhengdong等通过实验研究了倾斜和垂直两种太阳能烟囱的性能，提出倾斜45°的烟囱效果更好，但并未发现最佳高宽比[7]。在国内，2003年王丽萍等人搭建了太阳能烟囱模型，并通过实验表明，烟囱高度越高、室外温度越高，则通风量越大[8]。2003年，翟晓强等人研究太阳能烟囱与建筑结构相结合的形式，提出太阳能烟囱与集热板协调作用的空调房，并在生态建筑中运用了三种能量系统[9]。2005年苏醒等人研究了太阳能烟囱的实际应用，综合考虑太阳辐射、日照、风压、高度等因素，并提出与风塔、天井、楼梯间等的结合方式[10]。本文主要研究利用太阳能烟囱加强建筑中庭空间热压通风，并在既有理论基础上重点研究其在实际案例中的应用策略及设计方法。

2 太阳能烟囱

16世纪，太阳能烟囱作为通风装置出现在意大利，被称为“Scirocco Rooms”（热风房间）。在我国传统建筑四合院中，细高的天井也利用太阳能烟囱原理实现通风和降温，这些都是太阳能烟囱的“原型”。1967年，菲利斯·特朗博（Felix Trombe）提出“太阳能吸热壁”（图1），后被称为“特朗博墙”（Trombe Wall），在特朗博墙的设计中，烟囱井道内深色蓄热材料吸收射透玻璃盖板的太阳能辐射，加热井道内空气使其向上流动，并引入底部空气，强化空气流动，这是首个真正意义上的建筑太阳能烟囱。太阳能烟囱在发展中演化为多种形式，集中表现为特朗博墙、竖向集热板和倾斜集热板屋顶、通风塔三种形式，例如奥地利林茨设计中心（Design Center Linz）采用了特朗博墙结构，在展厅外侧设置双层玻璃幕墙，实现气流循环；英国德蒙福特大学（De Montfort University）女王馆则采用了通风塔（图2）。

太阳能烟囱根据位置不同可以分为三种形式：1）建筑内置竖向贯通空间，包括管道井、电梯井、核心筒的通风廊道等；2）封闭式中庭空间；3）依附于建筑外立面，与建筑立面融为一体，成为构型元素。三种形式各有优缺点，如表1所示。

3 设计方法和应用转化

3.1 项目概况

研究项目崇明体育训练基地1号楼（以下简称“1号楼”）位于上海市北部崇明区，属于夏热冬冷地区，过渡季较长。利用Ladybug Tools对上海进行气候参数（全年辐射量、太阳高度角以及风玫瑰图）可视化分析，可以看出上海在夏季有良好的东南风，适合利用自然通风进行环境调节（图3）。

1号楼位于基地西南角，为运动员公寓及管理楼，设计关注到崇明生态岛背景下“建筑生态实验”这一命题，以性能为出发点探索环境、建筑、系统的协同关系。1号楼建筑高度50m，标准层面积约750～800m2，采用开放式中庭，结合风环境进行外部造型优化，形成渐变式幕墙单元，建筑中心设置交通核，上下对应，尺寸相同（图4）。本文主要针对1号楼太阳能烟囱尺度参数与窗户开启情况进行多参数性能分析，并围绕舒适性指标进行综合评价。

3.2 太阳能烟囱初始方案

3.2.1 位置及数量

太阳能烟囱设计应减小对室内使用空间的影响，同时结构合理。基于以上原因及项目的定位要求，在统筹考虑建筑的功能、结构、形式等基础上，将太阳能烟囱设置于中庭边缘，与核心筒相邻，上下尺寸统一（图5），利用中庭空间，形成更加便捷的室内外空气联动。在建筑十层标高位置设置屋顶花园，作为太阳能烟囱的集热区域及出风口。

1号楼一至二层为入口大厅，三层及以上为办公及公寓区域。烟囱设置考虑功能分区，避免建筑上下风速差过大，同时考虑防火分区，避免一至二层发生火灾牵连至以上楼层，分区设置东、西两个烟囱，西侧烟囱C1负责一至二层中庭通风，东侧烟囱C2负责三至九层中庭通风。

3.2.2 形式及尺寸

1号楼平面布局规整，核心筒可用尺寸约10m×14.8m，根据功能要求，需设置四部客梯及一部疏散楼梯，通过核心筒优化设计，将太阳能烟囱与电梯井相邻，C1、C2烟囱尺寸分别为1 400mm×2 300mm和1 400mm×5 600mm（图6）。

相比于固定的平面尺寸，太阳能烟囱的高度较灵活，可结合建筑造型、屋顶设备用房等调整高度，但顶部作为其集热区域及出风口，需高于建筑屋顶。

表1 太阳能烟囱形式及其优缺点

1 特朗博墙—太阳能吸热壁

2 德蒙福特大学女王馆风塔

3 项目基本情况及气候分析

4 崇明体育训练基地1 号楼实景5 太阳能烟囱位置

3.2.3 各层风口面积

为保证太阳能烟囱风口面积满足需求，根据暖通工程师的计算，得到每层风口百叶尺寸大小需求（表2）。C1和C2烟囱管井在九层以上合并，形成一个整体。

最后通过计算，分别得出C1和C2两个烟囱玻璃幕墙、吸热板、出口的尺寸（表3）和最终的整体设计效果（图7-9）。

3.3 模拟优化

3.3.1 模型建立

将建筑模型简化，保留必要的边界条件，选用Fluent①软件模拟室内风环境，研究太阳能烟囱变量与室内风环境的动态关系，确定优化策略。太阳能烟囱主要服务于中庭、走廊等建筑自然通风的主要区域，C1、C2烟囱负责不同区域及楼层（图10,11），相应研究区域的详细数据如表4所示。

3.3.2 变量设定

为分析室内风环境与太阳能烟囱的动态关系，选定以下三个变量：

（1）季节

上海地区冬春时期室外气温为10℃左右，无法满足人体舒适度要求，因此不作太阳能烟囱模拟考虑。气象参数选取典型气象年的5月12日和10月15日工作时间内（8时—17时）的逐时气象参数（温度和太阳辐射强度），即春季和秋季的两个时间段，具体参数见表5。

（2）烟囱高度

结合建筑形体，在满足造型、功能及结构要求的基础上调整烟囱高度，烟囱与核心筒结合整体凸出建筑屋面。1号楼在十层（37.5m标高）设有屋顶花园，建筑屋顶结构标高为49.2m。为了实现太阳能烟囱的优化效果，设置三种高度模式，分别为41.4m、49.2m及56.0m。41.4m高度模式在十层花园的基础上提高一层高度，作为太阳能烟囱上方的集热区；49.2m高度模式与建筑屋顶结构标高相等，以减少建筑形体的复杂程度；56.0m高度模式在屋顶机房标高的基础上，进一步提高烟囱高度，同时保证人视点建筑形体效果（图12）。

（3）开窗方式

表2 各层拔风井百叶口尺寸

表3 太阳能烟囱尺寸

表4 建筑各楼层自然通风区域概况

6 太阳能烟囱尺寸示意图

7 太阳能烟囱示意图

8 太阳能烟囱内黑色集热板9 太阳能烟囱南侧玻璃立面

10 西侧拔风井及其负责的通风区域11 东侧拔风井及其负责的通风区域

开窗方式主要包括每层开启扇的位置及数量，不同开窗方式会对室内风速及中和面产生不同影响。1号楼采用玻璃幕墙围护，一层大堂空间内除部分设备及后勤用房外均可开窗；二层除会议室外，西侧及东侧走道均可开窗；三至九层除办公及公寓功能外，北侧、南侧及西侧均可开窗。为初步判断开窗数量，首先将全部窗扇打开作为模拟对照组。一至二层模拟结果显示，一层风量远大于所需风量，而二层风量很小，甚至出现倒灌现象，说明中和面位置远不能达到要求，需对底部和顶部的开窗情况进行调整，依次减少为初始数目的0.5倍和0.1倍，与对照组进行模拟对比；三至九层模拟结果显示，三至五层通风量远大于需求，而七至九层呈现愈发严重的倒灌现象，说明中和面位于六至七层之间，需调整低楼层开窗情况，提升中和面高度，依次减少三至七层的开窗数，与对照组进行模拟对比。开窗对比方案及参数如图13和表6所示。

综上，汇总上述三种变量及其值的设定，如表7所示。

3.3.3 评价标准

（1）新风量

表5 5 月12 日和10 月15 日逐时气象参数

表6 开窗参数

表7 模拟变量设定分类②

12 太阳能烟囱高度示意图

13 开窗方案示意图

从室外引入室内的新鲜空气能够降低室内污染，是一个重要的衡量指标。太阳能烟囱可以形成自然通风，满足室内新风量要求。根据设计计算书可得到每层自然通风区域所需的最小新风量，如表8所示。

（2）室内热舒适

采用适应热舒适模型确定自然通风室内的舒适温度范围。随着室外温度变化，用户对室内温度的期待值会产生变化，将室内最舒适温度值与室外月平均温度关联，得到线性公式tcomf=0.31ta,out+17.8③。最终所得每个月室内舒适温度范围如表9所示，由此可知，5月和10月的室内舒适度区间分别为20.7～28.4°C及19.8～27.5°C。另根据《采暖通风与空气调节设计规范》（GB 50019-2003）及《办公建筑设计规范》（JGJ 67-2006），风速不超过0.3m/s为舒适状态。

3.3.4 模拟结果

通过Fluent软件对所设太阳能烟囱模型进行模拟，得到结果如表10,11所示。在气候条件为春季、烟囱高度为41.4m的前提下，窗户全开时一层全部时间为新风，通风量为3.3～10.2m3/s，二层出现倒灌，三至六层全部时间为新风，通风量为0.4～7.1m3/s，七至九层出现倒灌；室内整体温差均匀，一至二层在20～24℃间变化，三至九层在20～23℃间变化，相同时间段温差相差在1℃以内；一至二层室内相同时间段风速相差在0.07m/s内，三至九层室内相同时间段风速相差在0.06m/s内。减少部分开窗数后，一至二层全部为新风，三至七层全部为新风，八至九层出现倒灌现象；室内整体温差均匀，一至二层在20～24.2℃间变化，三至九层在20～23℃间变化，相同时间段内温差相差在1℃以内；整体风速较为均匀，一至二层在0.09～0.18 m/s间变化，三至九层在0.1～0.20 m/s间变化，相同时间段风速相差在0.07m/s内。开窗数量再次减少后，一至二层、三至七层全部时间为新风，八层部分时间为新风，九层出现倒灌现象，中和面位于八层；室内温度、风速变化稍有增加但整体分布均匀。秋季分析呈现相似现象。

表8 各层所需新风量

表9 每个月室内舒适温度范围

14 模拟变量设定示意图

表10 一至二层模拟结果数据汇总

表11 三至九层模拟结果数据汇总

表12 方案对比汇总④

表13 最优方案MC-03 参数

15 改进前后的中和面位置对比16 一层及西侧拔风井风速图17 三层及东侧拔风井风速图

随着开窗面积减少，总体表现为中和面上移、室内温度基本不变、最高温度上升、风速减小等关系特征。建筑开窗对中和面影响较大，为使更多楼层获取新风，需适当提高建筑中和面，采用“上多下少”的开窗方案。

在不同烟囱高度的模拟中，随着烟囱高度增高，建筑中和面无明显变化，呈通风量增大、室内温度降低趋势，室内风速基本保持不变。

3.3.5 最优方案

按照最初设定的评价标准，对各方案进行舒适需求汇总，如表12所示，从而选出最优方案。可以看出，MC-X-03与MC-Q-03基本满足各标准要求，即烟囱高度56m、开窗最少的方案，详细参数如表13所示。

最后，对所选最优方案的室内温度、风速、通风等进行了数据可视化分析验证，得出每个楼层自然通风的风速、风压、温度以及东西两侧拔风井的拔风效果。结果表明上述指标均能够基本满足人体对环境的舒适性要求，说明本方案具有较强的实际价值和示范作用（图15-17）。

4 总结

建筑是环境的媒介，与环境的互动可以呈现出超越技术的集合体。本文研究了太阳能烟囱的基本原理，从位置、形式、高度、防火等角度对其进行系统分析，并以1号楼为例阐释其在公共建筑空间中的设计及应用。以烟囱高度、开窗位置为变量，通过模拟分析试验不同变量对于太阳能烟囱通风性能的影响，并从立面、材料、风口、井道、外立面窗户等方面进行深入研究，呈现了完整、系统性的利用太阳能烟囱加强中庭空间热压通风的设计方法，具有较强的应用价值。

注释

①Fluent是目前使用较多的CFD模拟软件，有较高的精确度。该软件既可以通过模拟获取大量数据、进行对比分析，又能通过比较精确的图示化语言反应气体、热量的流动等。在方案设计前期使用Fluent，可以为节能设计提供更精准和更有导向性的建议。

②X代表春季，Q代表秋季；MA、MB、MC分别代表烟囱的三种高度，即41.4m、49.2m、56.0m；01、02、03代表上文所述三种开窗方式，分别为多开窗、中开窗、少开窗。

③tcomf为室内最优的舒适温度，ta,out为室外空气的平均温度。

④√为满足标准要求，○为基本满足标准要求，×为不满足标准要求。

图表来源

1,12-14 作者自绘

2 来源于www.google.com

3-11,15-17 麟和建筑工作室提供

表1-13 作者自绘

项目信息

业主：上海体育职业学院

建设地点：上海市崇明区

建筑设计：同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司麟和建筑工作室

项目负责人：李麟学

设计团队：刘旸、周凯锋、王彦雯、吴琦

总建筑面积：41 700m2

设计时间：2013.10—2019.02

项目状态：在建