旧工业建筑绿色生态更新中的自然通风设计探讨——以雄安新区某建筑为例

文/中国建筑设计咨询有限公司 刘 敏 李新中 李天阳 吴越超徐 风 刘 恒

0 引言

随着我国经济发展方式的转变和产业转型升级，大量工业建筑面临更新改造。为实现建筑业可持续发展，采取低成本的绿色化改造策略，如太阳光及自然通风的利用、结构和建材的保留及再生等应是旧工业建筑再生利用的主导方向。

本文探讨工业建筑更新改造中自然通风的有效利用。相较于公共建筑，工业建筑空间宽敞、进深大，自然通风可利用区域较小。在保留工业建筑原有立面体系和结构前提下，如何通过平面布局划分、通风开口设置来实现内部功能区的自然通风效果，对建筑改造设计实践具有积极意义。

1 工程概况

1.1 现状调研

项目位于雄安新区容城县，建筑为南北朝向，用地东侧及南侧为城市交通路，北侧为锅炉房和酒店。大楼原为制衣车间，钢筋混凝土框架结构。楼中段为两跨大空间，东侧为卫生间及楼梯，西侧设1部货梯及楼梯，改造前如图1所示，改造后主要功能为办公。

图1 改造前

图2 改造后平面

经检测，主体结构质量较好，因此不做改动，局部楼板根据机电要求增加板洞。

建筑平面布局为大开间，中间设1条东西向走道，不利于自然通风。南、北立面窗墙面积较大，窗墙比分别为0.6和0.5。大开间南北宽度约19.35m，单侧进深9.6m，双侧采光。经自然采光模拟分析，进深7m以内区域采光效果较好。立面改造时，仅对原有墙面进行局部处理，外窗面积保持现状，替换原门窗为节能门窗。

改造后，大楼设置变制冷剂流量多联分体式空调加新风系统。

1.2 平面布局改造

大楼南侧面向交通主干道，为减少外界气候和噪声对办公空间的直接影响及在室内空间形成1条合理便捷的交通流线，改造建筑平面布局，在南向设置封闭式外廊。为保证自然采光效果，封闭式外廊北侧（靠近办公侧）采用玻璃隔断（见图2）。

2 自然通风设计思路

2.1 设计难点

为获得较好采光及视野效果，封闭式走廊南向窗墙比较大，温室效应明显。如何通过自然通风排出走廊热负荷，减少夏季日间办公功能区的制冷负荷，在过渡季和夏季夜间将室外新风引入办公区，改善热环境及空气质量，是该改造项目自然通风设计难点之一。

该改造项目工作周期短，2018年2月开始方案设计，同年6月底须完成施工。为配合项目进度，自然通风的设计分析需及时跟进，不同设计阶段采取不同分析方法。

2.2 效果判定指标

为更直观了解自然通风效果，依据GB/T 50378-2014《绿色建筑评价标准》[1]中按热舒适要求对室内设计温度进行分级，及依据GB/T 50189-2015《公共建筑节能设计标准》[2]要求主要功能房间平均自然通风换气次数不小于2次/h等规定，本文按自然通风换气次数和自然通风后房间温度值，将自然通风效果分为3个等级：一般、较好、很好（见表1）。自然通风换气次数不低于2次/h是该项目各功能房间自然通风的最低要求。

表1 自然通风效果等级判断条件

2.3 研究目的及方法

采用数值模拟手段，通过优化设计各朝向外窗及玻璃隔断的通风开口，包括开口面积及位置，合理组织室外气流进入办公空间的流向。

方案阶段，为及时快速地提出自然通风设计建议，采用只关注流体宏观运动的多区域网络模型法[3]进行分析，得出各朝向外窗及玻璃隔断的通风开口面积。

初步设计和施工图阶段，为详细描述空气流场，采取CFD方法，对通风开口位置提出建议，并验证通风开口面积能否满足自然通风的最低要求。

3 边界条件说明

3.1 室外气象参数

雄安地区室外计算参数如表2所示。过渡季选择为每年3月16日—5月31日及9月1日—11月13日。夏季夜间温度和过渡季最多风向、风速和平均温度根据《中国建筑热环境分析专用气象数据集》提供的逐时气象数据统计得出。

3.2 建筑表面风压参数

建筑表面风压通过模拟项目所在小区的场地风环境得出。

3.3 CONTAM计算参数说明

CONTAM软件主要使用孔口阻力模型对各通路阻力特性（如门、窗等）进行描述。研究中，门的流量系数取0.80，指数取0.50；窗户流量系数取0.65，指数取0.50。

过渡季自然通风时室内外温差不大，因此室内发热量不考虑围护结构的传热及蓄热，仅考虑太阳通过玻璃的直射辐射、人员显热负荷、照明及设备负荷。其中，太阳直射辐射取过渡季12∶00～16∶00时逐时太阳辐射强度值。

3.4 CFD计算参数说明

计算模型中涉及的边界包括外墙、内墙、屋顶、外窗、外门、内门、内扰及地面等。

屋顶、外墙及内墙设置为第二类边界条件。

室内热扰包括人员、电脑、灯光发热。人员和电脑发热设置为单位体积设备发热量，灯光发热量为单位面积发热量。

地面设置为绝热边界条件。

4 自然通风结果及分析

方案阶段采用CONTAM软件建立过渡季自然通风物理模型。各朝向开窗比例的设计建议如表3所示，此时办公区的换气次数可达2.9～3.2次/h。

初步设计及施工图设计阶段采用CFD方法对南向开启扇和玻璃隔断开口的具体面积及位置进行详细计算，建议南立面上下部均设置通风口，且上下部通风开口错开。为将室外新风引入办公区域，在玻璃隔断上方设置通风开口（见图3）。

夏季日间办公区空调运行时，关闭玻璃隔断的通风开口，只开启南立面外窗上部及下部的通风口，利用烟囱效应排掉走廊内的热空气（见图4，5）。此时，走廊人行区温度为31.3～32.7℃，比人员短期逗留区域空调室内设计参数高1.3～2.7℃。

过渡季及夏季夜间，关闭南立面外窗下部的通风开口，开启南立面外窗上部及防火隔断的开口，在办公区形成较好的自然通风（见图6，7）。过渡季自然通风计算统计结果如表4所示。夏季夜间（19∶00～05∶00）自然通风时，办公区温度为24.6～25.4℃。

表2 雄安地区室外计算参数

表3 方案阶段开窗比例建议

图3 通风开口设置

图4 夏季日间剖面风速示意

图5 夏季日间剖面温度示意

图6 过渡季及夏季夜间剖面风速示意

图7 过渡季及夏季夜间剖面温度示意

表4 过渡季自然通风计算结果统计

5 结语

在保留原有立面体系及结构的前提下，改造寒冷地区制衣车间的功能平面布局[4]。为兼顾采光、降噪、通风、冬季采暖、交通流线等因素，在南向采用玻璃隔断形成封闭式外廊。从方案到施工图设计阶段，分别采用多区域网络模型法和CFD方法，以快速响应建筑师在不同阶段的设计需求。

分析结果表明，夏季日间关闭玻璃隔断的高侧窗，开启南立面上下部的外窗，引导外廊内热空气排出室外，走廊人行区温度略高于人员短期逗留区域空调室内设计参数的要求，具有降低温室效应的效果；过渡季及夏季夜间（19∶00～05∶00）开启南面下部的外窗及玻璃隔断的高侧窗，在办公区形成类似置换的效果，过渡季自然通风换气次数达2.9～8.4次/h，人行区温度21.0～31.0℃，夏季夜间办公区温度为24.6～25.4℃。