海口超高层建筑自然通风的影响与节能分析

敖思宇

中旭建筑设计有限责任公司，北京 100160

1 超高层建筑自然通风研究背景

随着我国改革开放后的经济快速发展，我国建筑业更是迎来了一次从设计到施工的整体技术飞跃，尤其是超高层建筑，而且大部分超高层建筑为当地的地标性建筑。根据相关数据统计，早在2014年我国的已建超高层民用建筑就已突破7000座，其中公共建筑占65%，同时我国的超高层建筑数量也成为世界上数量最多，分布地域最广的国家。

研究结果表明，对于办公建筑，采用自然通风的方式每年可以为建筑节省冷量约为14～41kWh/h，相应可节约费用约1.3～3.6美元/m2。因此，自然通风成为最受现代暖通设计师青睐的一种节能设计，同时是为了实现“绿色建筑”的一种必然选择。

2 超高层建筑自然通风数值模拟法

选用标准k-ε模型。进口边界条件使用速度入口Velocityinlet，出口边界条件采用压力出口Pressure-outlet，在室内侧出口处压力设置为0Pa。在建筑物高度＜450m时，室外风场的速度随高度的增加呈指数形式的增加，其中城市风速随高度变化公式计算：

式中：v为距地h米处风速，m/s；v1为距地h1米处风速，m/s，h1取10；n为地面粗糙度系数。

以海口市内某超高层办公楼为例，根据《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012），且高度为250m风速梯度依旧取决于地面粗糙度，因此在模拟中n取0.22。

3 超高层建筑自然通风案例概况

文章的研究对象为一栋位于海口市的超高层建筑。该项目位于海口市老机场旧址，总用地面积为25492.86m2，总建筑面积为275143.98m2，其中最高塔楼为52F，建筑高度为249.85m。

室内自然通风研究对象为2座塔楼的4F～42F开敞式办公准层，外围护结构均为玻璃幕墙。在核心筒和办公区连接处设有公共走廊，走廊均设有密封较好的户门，且开启频率不频繁，在室内模拟时不考虑核心筒处。因为楼梯及电梯井道造成的烟囱效应及热压反应，所以公共走廊和核心筒处按照密闭腔考虑。标准层的吊顶高度为2.7m，故在室内空间的模型建立时仅考虑2.7m吊顶以下区域。

选用经度110.33119、纬度20.031971的气象台所提供的气象参数，该气象台离目标建筑约3.6km，同样处于海口市中心。气象站与目标建筑之间没有明显的高大山等高大的地势影响，地理条件基本一致，且有效数据比较完整，可以作为研究目标建筑的气象参数资料。

由于在15.35～27.13℃时，室外新风不为室内带来冷负荷，据此在近10年的气象样本中可知一共2020d符合气温要求。集中在当年10月至次年4月，在此期间主导风向主要为ENE（东北偏东）。为了满足在模拟室外风向时能够体现不同风向的影响，以3种典型风向作为满足自然通风的典型气候风向，如表1所示。

表1 适于自然通风的典型气候工况 单位：m/s

4 超高层建筑自然通风措施

因为幕墙通风器具有造价低、效果好的特点，自然通风采用幕墙通风器。选用的某型号通风器抗风压性能最大为3.6kPa，能够满足目标建筑的安全性需要。

幕墙通风器设置情景如表2所示。布置采用整个办公层对称的方式。在所有情景下设置通风面积均相等，总通风面积为4.64m2。室内模拟最终划分网格数量为2595687，设置计算域计算步数为2000次。

表2 幕墙通风器设置情景

4.1 不同情景的自然通风效果分析

在3种典型工况下，在目标建筑100m高度处室内工作区情景1的空气速度矢量图,情景2与情景1基本类似。情景3地板送风无论室外风为何种风向，最终气流都会从迎风面送风口垂直从下往上送风，背风面垂直排出，因此情景3仅模拟在工况1下的室内送风情况。

在情景1时，各个入流面的入流角度越大，从入流口到出流口的路径越短，空气会越快的完成在室内的流动过程，且停留时间较短，对室内空气的扰动就弱，即新鲜空气在室内的分散效果越差，虽然满足了通风量的要求，但是无法达到全面置换的目的。入流角度越小，气流的置换路径越长，气流会入射到核心筒的墙上，并沿着核心筒的墙在室内更均匀地扩散。

当幕墙通风器安装在情景2时，因为气流的入流口和出流口高度都更加接近工作区，所以在工作2.0m高度的分布优于幕墙通风器安装在情景1时的分布。情景2时，工况1中在出流夹角区所形成的涡流面积均减小约10%，工况2涡流面积减小约30%，工况3涡流面积减小约15%。因此，在幕墙通风器安装于情景2时，对室内利用自然通风换气的分布效果更好。此时，流速约集中在5m/s，在短时间内开启不会令人感觉不适，可以满足办公生活的要求。

在情景3时，室外气流沿着幕墙通风器的室内送风口垂直往上送风，一部分气流垂直射流到2.7m高的吊顶，沿着吊顶扩散，另一部分气流会在不同高度随着射流边界的扩大逐渐扩散。在工作区2.0m高度时，2个迎风面处气流分布比较均匀，且呈对称的形式。综上所述，情景2时室内通风的空气质量更优，因此以幕墙通风器安装在情景2为基础进行分析，即幕墙通风器安装在2.0m高度处。

4.2 不同建筑高度的通风效果分析

幕墙通风器安装在情景2，对主导风向工况1标高为50m、100m、150m、200m的办公层通风进行数值模拟。在这4层入流的新鲜空气均将对该层内的整体气流产生不同程度的扰动。在50m时，2个入流口速度为4.42m/s，出流口处的速度为1.77m/s；在100m时，2个入流口速度为5.14m/s，出流口处的速度为1.85m/s；在150m时，2个入流口速度为5.62m/s，出流口处的速度为2.06m/s；在200m时，2个入流口速度为5.99m/s，出流口处的速度为2.23m/s。在入口速度从4.42m/s提升至5.99m/s时，出流口速度仅从1.77m/s提升至2.23m/s,出流速度的提升小于入流速度。随着入流速度的提升，虽然提高了空间的换气次数，但是对于整体区域的空气扩散置换效果并不一定越好。可知，在5.14m/s时，整体空间空气置换效果最好。

4.3 运行策略及节能效益分析

《公共场所卫生指标及限值要求》（GB 37488—2019）中对室内二氧化碳的浓度要求为不高于0.1%，1.964g/m³，室外空气的二氧化碳浓度约为0.04%，0.786g/m³。根据实测办公时每人每小时呼出的二氧化碳约为22.6L，该研究办公区为1800m2，按每人8m2计算，共有225人，即每小时产生二氧化碳为5085L。以全面通风的形式稀释室内的二氧化碳浓度，需要新风量为8480m³/h。通过控制通风器阻力将入流速度控制在5.14m/s时，自然通风量为43299m³/h，是稀释二氧化碳浓度的5.1倍，即通风器每小时开启12min即可满足室内稀释二氧化碳的需求。

按照资料，2010—2019年，有2020d满足自然通风，如果仅在每天上午8点至中午13点室外温度较低时采用幕墙通风器，室外温度较高后采用新风机组的冷却通风。即每天减少开启热回收新风机组5h，10年一共有10100h可以采用幕墙通风器自然通风，目标建筑共设置12台热回收新风机组，每台风机电量为37kW，至少可以节省4484.4MWh，按海口当地电价0.6792元/kWh计算，可节省304.6万元，办公楼平均每年可以节省30.46万元。

5 结论

文章以海口地区一栋正在设计中的超高层办公建筑作为研究对象，采用数值模拟法，得出具体结论如下：（1）在安装高度为2.0m时，幕墙通风器对工作区的气流分布更稳定，而且对新鲜空气的分散和室内污染空气的排出更加有利。（2）最有利于室内自然通风空气置换的风速为5.14m/s。同时，入流角度较小时，有利于扩散入流的新鲜空气。（3）如果将夏季的通风效果纳入分析，可以进一步将自然通风应用得更加全面，获得更好的节能效果。