昆明地区某超高层办公建筑中庭热压通风设计实例分析

刘登伦 刘鹏 牛润卓 王玢滢

摘要：针对昆明地区全年太阳能资源条件较好、空气温度适宜的气候特点，以该地区某超高层办公建筑中庭热压通风精细化设计为例，借助多区域网格法和计算流体力学（CFD）技术，进行了优化中庭位置、高度、尺寸以及开口设计，结果表明：可以最大化地利用中庭改善室內自然通风效果。改善室内人员热舒适性，体现气候适应性的建筑设计原则。

关键词：超高层办公建筑;中庭;热压通风;室内舒适性

中图分类号：TU201.5文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2019）14-0231-05

1引言

相关研究表明，自然通风技术对于建筑节能和室内人员热舒适具有重要意义，在建筑中进行气候适应性设计，充分利用自然资源实现良好的自然通风，改善室内人员热舒适性。以昆明地区某超高层办公建筑为例介绍中庭热压通风设计策略，通过优化中庭位置、高度、尺寸以及开口设计。最大化的利用热压通风，即保证室外无风时，通过建筑热压中庭的拔风作用，保证室内主要功能空间满足热舒适性要求。

2项目概况

某地产公司自建总部办公大楼，位于昆明市，南北长约35m，东西长约58m，总面积约8万m²，建筑高度约160m，主要朝向偏东西向，建筑立面为全玻璃幕墙结构，主要用途为办公。

项目所在地昆明属于低纬度高原山地季风气候，全年平均气温为15℃，全年超过30℃天数仅有1d，气候温和，夏无酷暑，冬不严寒，四季如春，为充分利用自然通风创造良好的前提条件。昆明地区夏季和冬季主导风向均为西南风，夏季平均风速1.8m/s.冬季平均风速2.2m/s，全年静风风频较高，达到31%，西南风向风频为16%，全年利用风压进行自然通风改善热环境的时间段有限，因此，项目拟利用热压进行室内自然通风组织，在适宜季节改善室内热舒适。

3中庭设计方案

热压通风属于自然通风的一种。一般而言，气流穿过建筑物是由于建筑物两侧或上下的压力梯度引起的。压差来源于两个方面：外部风的作用（风压）和室内室外的空气温度梯度（热压）。热压通风是指室内由于存在各种各样的热源，气温一般高于室外气温，此时，在密度差的作用下，室外空气通过建筑下部的门窗或开孔等流人室内，并将室内较轻的空气从上部的窗户等位置排出，形成自下而上的室内通风流动。

基于以上热压通风原理.项目设计热压中庭，室外风将通过外窗进入各个房间，然后汇集到热压中庭，利用热压中庭形成的“烟囱效应”。从井道顶部的开口排出至室外，带走室内热湿负荷，改善室内热舒适（图1）。

3.1中庭空间形态设计

项目卤立面太阳辐射强度大.能够快速提升中庭内温度。有和j于加强“烟囱效应”，进而促进室内通风换气，因此热压中庭布置在两侧外区;考虑到实际运营效果，为j，降低热压中庭空腔系统的复杂性，便于分段控制，方案设计将热压中庭空腔在垂直高度上分成3段：第一个中庭高度为低区4F～12F，第二个中庭高度为中区13F～19F，第三个中庭高度为高区20F～26F，室内与中庭相连的公共区设置通风开口，将室内空间热空气引入中庭，同时在各中庭顶部设置开口，以便热空气排出（图2）。

3.2通劂开口设计

项目中庭周边主要功能房间立面幕墙开启采用尺寸1.5m×1.5m的上悬窗，且各房间均有可开启部分，建筑的各开口应按阻力部件处理。并考虑开窗的安全推程，进行有效通风面积计算。本项目开口设计结合建筑方案立面效果，中庭周边办公空间通风开口位置示意及面积统计如图3、表1所示。

利用热压对中庭周边房间进行自然通风时应考虑中和面问题，提高中和面高度的措施包括提高排风窗高度、扩大排风窗与进风窗面积比、采用文丘里渐缩剖面等。针对本项目，为防止中庭中和面以上空间产生热风回灌现象，中庭开口设计的关键在于：顶部开口设计、各层公共区与中庭连通处开口设计。采用多区域空气流动模拟工具CONTAMW软件对中庭及中庭周边空间的通风流量进行分析，通过调整中庭开口设计位置、尺寸，使得各层通风流量平衡，保证室内气流均流向中庭，不会出现回灌现象。根据CONTAMW软件计算结果，确定低区中庭4F～12F，中区中庭13F～19F、高区中庭20F～26F的中庭顶部、各层公共区与中庭连通处开启面积如图3、表2～4所示。

4中庭热压通风效果模拟验证

4.1热压通风目标

（1）根据ASHRAE STANDARD 55，在自然通风的空间内可接受的综合温度范围如图4所示，该图适用于采用开关窗户进行通风以达到热舒适性的空间内的评价。因此，本项目利用热压通风需保证室内主要人员活动区域热舒适温度不超过28℃。

（2）依据国家《绿色建筑评价标准》GB/T50378-2014对室内自然通风的具体要求为：在过渡季典型T况下主要功能房间平均自然通风换气次数不小于2次/h。

4.2计算条件设置

项目的主要功能为办公，各空间的得热量主要由室内人员、设备及照明的散热、外围护结构传热得热及透明幕墙太阳辐射得热构成。

根据国家公共建筑节能设计标准及空调设计手册规定，高档办公室灯光发热量为15w/m²（目标值），设备发热量为13w/m²，同时开启系数按70%计算;人员密度取0.125人/m²，人员负荷取57w/人;由于利用自然通风的时期室外温度和室内温度相近，外围护结构的温差传热得热可以忽略;考虑到可利用自然通风的时间段，取全年太阳辐射强度较高的4月1～30日太阳辐射的平均值，按各朝向太阳辐射量与透明幕墙遮阳系数乘积计算各朝向房间太阳辐射得热量（图5）。

4.3中庭热压通风效果验证

根据计算上文确定的通风开口设计方案，采用Flu-ent系列软件对中庭热压通风效果进行验证分析，以验证通风开口设计的合理性。

低区中庭4F～12F剖面风速矢量及温度如图6所示，各层室内温度、风速及空气龄分布如图7～9所示。

低区中庭负担4F～8F层的室内负荷，L4～L8层均通过M处开口向中庭排风，排风口处风速约0.5～1.4m/s，并最终由顶部排风口L处排出，风速约1.5～²0m/s，中庭拔风效果明显;在外界温度为22℃时，L4～L8层室内人员活动区域的温度均在28℃以下，局部较好区域温度可以达到26℃左右，满足热舒适温度要求;L4～L8层室内人员活动区域风速均在1.0m/s以内，空气龄均在1200s以内，即通风换气次数均大于2次/h。因此，低区中庭热压可以满足室内人员热舒适要求。

中区中庭13F～19F、高区中庭20F～26F剖面风速矢量及温度分布如图10所示，各层室内温度、风速及空气龄如图11～13所示。

中区热压中庭负担13F～16F、高区热压中庭负担20F～23F的室内负荷，L13～L16、L20～L23层均通过M处开口向中庭排风，排风口处风速约0.5～1.0m/s，并最终由顶部排风口L处排出风速约1.5～²0m/s，中庭拔风效果明显;在外界温度为22℃时，L13～L16、L20～L23层室内大部分人员活动区域的温度均在28℃以下，局部较好区域温度可以达到26℃左右，少数房间温度较高，但也在29℃以下，基本满足热舒适温度要求;IA3～L16、L20～L23层室内人员活动区域风速均在1.0m/s以内，空气龄均在900s以内，即通风换气次数均大于4次/h。因此，中区、高区中庭热压可以满足室内人员热舒适要求。

5结语

针对昆明地区太阳辐射强度大、静风时间长的气候特点，热压中庭设计是强化室内自然通风的有效措施，借助模拟分析对中庭位置、高度、尺寸以及开口等进行精细化设计，充分利用中庭的热压拔风效果改善室内热舒适性，充分体现了气候适应性的建筑设计原则，也为昆明地区超高层办公建筑自然通风设计提供了参考借鉴。