深圳市办公建筑自然通风应用研究

深圳市办公建筑自然通风应用研究重庆大学硕士学位论文学生姓名：吴珍珍指导教师：付祥钊教授专业：供热、供燃气、通风及空调工程学科门类：工学重庆大学城市建设与环境工程学院二 OO八年十一月 Application Study on Natural Ventilation of Official Buildings in Shenzhen A Thesis Submitted to Chongqing Universityin Partial Fulfillment of the Requirement for theDegree of Master of EngineeringByWu ZhenzhenSupervised by Prof. Fu Xiang ZhaoMajor: Heating, Gassing, Ventilation andAir-conditioning EngineeringCollege of Urban Construction & Environmental Engineering of Chongqing University, Chongqing, China November 2008 中文摘要摘要自然通风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。但实际上，在居住建筑中早已成熟的自然通风技术，在办公建筑中却应用较少，或应用受到多种因素的限制。从深圳市办公建筑自然通风应用调研中也发现，68的办公建筑未采用任何促进自然通风的措施，或自然通风设计使用不当，因此导致大部分工作人员对办公环境空气质量感到不满或不舒适，并表示了对自然风的迫切需求，以改善办公空间室内热舒适度，提高工作效率。同时，从调研中也分析出深圳市办公建筑自然通风运用比较欠缺的原因：室外空气质量和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，导致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；办公建筑得热量和建筑体型对自然通风的限制；大部分办公建筑在设计上就没有自然通风的专门设计。从以上原因出发，为使深圳市办公建筑更好的应用自然通风，本文进行了以下三方面的研究：深圳市城市风环境研究、深圳市某一办公建筑自然通风应用效果分析和适合于深圳市办公建筑自然通风技术的探讨。深圳市城市风环境研究，首先从风洞实验、气象监测和数值模拟三个方面进行城市风环境研究方法的理论分析，最后选用数值模拟方法分析深圳市城市风环境，初步得出深圳市城市风环境区域划分图，为进一步的城市风环境研究奠定理论基础，并选择深圳市某一办公建筑与其所在的小区为例，分别利用城市主导风向和城市风环境分析后的区域风向为边界条件，对该小区风环境和建筑单体自然通风潜力进行了对比分析，从对比中可以看出城市风环境研究对办公建筑小区和单体自然通风设计有很大的影响，强调城市风环境研究的重要性和必要性。通过分析深圳市某一办公建筑自然通风应用效果发现，该办公建筑若采用其设计的相关自然通风措施，在空调时段，利用自然通风就可以达到办公空间舒适性要求的时间可占空调时段的 39.86%，即至少可减少空调运行时间达 570小时，达到节约建筑能耗的目的。而且该大楼空调系统设计时，若能结合自然通风分析改善其设计方案，采用分层分区的空调系统，可更多的减少空调系统运行时间，并满足办公人员对自然风的需求，改善办公空间空气质量。从而说明深圳市办公建筑有必要合理采用自然通风技术来满足办公空间热舒适性要求，同时减少空调能耗，达到节能的目的。在进行城市风环境研究时也发现，深圳市城市风环境具有多种风速区域或时I 重庆大学硕士学位论文段，针对不同的风速应采取不同的办公建筑自然通风技术措施。所以本文最后，针对深圳市特殊的城市风环境，结合办公建筑自身建筑特点和功能要求，简要探讨了几种适合于深圳市办公建筑的自然通风技术，并对某一自然通风装置进行了实验分析和模拟验证，证实该装置适用于深圳市低风速区办公建筑的自然通风应用需求，同时也能满足风速变大或台风天气的通风控制。但该部分属于简要介绍分析，需针对深圳市不同区域的风环境特点，并结合各种办公建筑的功能需求进一步研究适合于深圳市各区域的办公建筑自然通风技术。关键词：办公建筑，办公空间舒适性，城市风环境，自然通风运用效果，自然通风技术II 英文摘要Abstract Natural ventilation is a relatively economical ventilation method. As can bring largeamounts of ventilation volume without energy consumption, natural ventilation is profitto environment protection which is widely utilized in industrial buildings and civilbuildings. However, natural ventilation mature in residential buildings is still seldomused or Subject to a variety of factors in official buildings. From the survey on naturalventilation utilization of official buildings in Shenzhen, 68% of official buildingsdoesnot have any natural ventilation designs or doesnot have efficient ones, thus mostdwellers feel uncomfortable or dissatifact about indoor air quality. They claim that it isessential to make use of natural ventilation in order to enhance indoor air quality andraise work efficiency.It is analyzed from the survey that there are 5 reasons for the utilization limit of naturalventilation in official buildings of Shenzhen. The reasons includes outdoor air qualityand noise, the influence of air conditioning system operation mode, outdoor wind speed,building heat-gain and building form, and the vacancy of natural ventilation design.For the above reasons, in order to provide ventilation designers with accurateinformation, researches in 3 aspects is undertaked in this paper, namely, the research onurban wind environment, the analysis on the application effect of natural ventilation in aofficial building of Shenzhen, the discussion on the natural ventilation technologyappropriate for official building of Shenzhen.The research on urban wind environment in Shenzhen started from wind tunnelexperiment, climate observation and mathematical simulation, ended up with themathematical simulation and analysis. By doing these, urban wind environment districtdivision graph for Shenzhen was worked out, which is provided for the later research.This paper also set a plot for example, which includes a official building. By analyzingthe wind environment of the plot and the natural ventilation potential of the singlebuilding, it is presented that the research of urban wind environment has significantinfluence on the design of not only plot but also single building, thus related research isvery important.By the application efficiency analysis on the natural ventilation of an official building inShenzhen, it is showed that if natural ventilation design is utilized, during airconditioning period, the time that reaching office indoor comfort by natural ventilationIII 重庆大学硕士学位论文is 39.86% in all. That is to say, more than 570 hours of air conditioning operating timecan be saved, thus energy saving goal can be reached. Moreover, if natural ventilationanalysis can be considered in order to improve the design in the preliminary period thatby using layer-split or zone-split air conditioning system, more air conditioningoperation time can be saved, while the natural wind necessity of dwellers can bereached, and indoor air quality can be improved. It is also demonstrated that it is verynecessary to utilize natural ventilation technology to meet the need of natural ventilation,and to descend air conditioning energy consumption, thus reaching energy saving goal.When undertaking the research on urban wind environment, several differenttechnological approaches is used according to different wind speed, because there areseveral different wind speed zone and time zone in Shenzhen. In the end of this paper,several appropriate natural ventilation technologies are discussed according to thecharacteristics of urban wind environment and the feature and function of officialbuildings in Shenzhen. While an experiment and simulation on a typical ventilationequipment is done in Shenzhen in order to prove its adapatabilty for office buildings inlow-wind-speed-zone, at the same time the equipmen also is able to meet ventilationcontrol when wind get larger on typhoon weather. However, this part is only a briefintroduction, which should be regarded according to different climate features for eachzone, while the different function requirement of official buildings should also beconsidered.Keywords： Official building, official indoor comfort, urban wind environment,operation efficiency of natural ventilation, natural ventilation technologyIV 目录目录中文摘要. I英文摘要. III1绪论. 1自然通风的特点和原理 . 1自然通风的特点 . 1自然通风的原理 . 1国内外自然通风技术的发展状况 . 4近年来成功的自然通风建筑实例 . 4自然通风技术的发展 . 7办公建筑相关自然通风技术 . 8本文研究目的和研究内容 . 9研究目的 . 9研究内容和主要工作 . 92深圳市办公建筑自然通风应用综述. 11深圳市自然通风潜力 . 11深圳市办公建筑自然通风应用现状分析 . 11深圳市办公建筑室内热环境感受调研 . 11深圳市办公建筑自然通风应用调研 . 14调研存在问题原因分析 . 17总结. 203深圳市城市风环境研究 . 21城市风环境简述 . 21城市风环境研究方法简析 . 22风环境研究概述 . 22风洞实验法 . 24各区域气象数据监测法 . 28计算机数值模拟法 . 30深圳市城市风环境模拟分析 . 353.3.1 PHOENICS计算模型选择. 35深圳城市模型的建立和计算区域划分 . 36模拟结果分析 . 46V 重庆大学硕士学位论文总结. 514城市风环境对自然通风分析的影响 . 53某办公大楼项目简介. 53办公大楼所在小区风环境对比. 56小区自然通风舒适性评价方法. 56小区风环境对比分析. 56办公大楼自然通风潜力对比分析. 614.3.1 2.7 m/s东南东风和 3.00 m/s东南风的对比. 614.3.2 2.82 m/s东北风和 3.03 m/s东偏北 30东北风的对比. 63总结. 665办公建筑自然通风运用效果分析. 69办公大楼自然通风技术运用分析. 69该办公大楼自然通风运用效果分析. 72自然通风运用效果评价指标. 72确定办公大楼空调运行时间. 74办公建筑自然通风室内空气龄和热环境模拟 . 75该办公建筑自然通风运用效果. 80总结. 816深圳市办公建筑自然通风技术探讨 . 83几种适合于深圳办公建筑的自然通风技术 . 83高层办公建筑开洞措施. 83办公建筑位置布局. 84办公建筑外墙通风口设计. 84办公室自然通风的有效进深. 88办公建筑平面分隔与穿堂风的控制 . 88办公建筑中庭热压通风. 90深圳市某一低风速区办公建筑自然通风装置开发 . 93自然通风装置简要介绍. 93自然通风装置试验分析. 94自然通风装置模拟验证. 99结论.1027结论与展望.103主要成果和结论.103展望.104VI 目录致谢. 105参考文献. 107附录.111VII 重庆大学硕士学位论文VIII 1绪论1 绪论在人类社会文明的进化过程中，环境起着至关重要的作用。然而，随着世界经济的迅猛发展，人类对自然的索求剧增。尤其是随着居住条件的改善以及人们对居住环境热舒适要求的提高，空调能耗在建筑能耗中的比例也相应增加。在我国，据 2001年同济大学对上海部分居民调查1显示空调普及率达 97.2%，家庭空调耗电量约 1127kWh/年，且我国的能源利用率较低，1995年我国的能源利用率只相当于经济合作与发展组织成员 70年代后期的水平。为了降低能耗，许多建筑采取了减少通风量，尤其是减少新风量并增加房间密闭性等措施，再加上运行管理不善及室内建筑装饰材料散发的挥发性有机混合物的增加，导致室内空气质量恶化。基于此，建筑及建筑设备专业人士开始重新考虑自然通风技术在建筑中的应用问题。特别是，2003年在我国和其它国家突然爆发的 SARS疫情，引起了国内外暖通空调界人士对室内空气质量问题和建筑空调应用方式的广泛重视，引发了对自然通风技术的新一轮探讨。自然通风的特点和原理自然通风的特点自然通风（Natural Ventilation）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23，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，除去余热和余湿的目的。在建筑物中应用自然通风技术，主要包括以下优点：节能；排除室内废气污染物，消除余热余湿；引入新风，维持室内良好的空气品质；更好的满足人体热舒适等。自然通风是一项历史悠久的技术。我国传统建筑平面布局坐北朝南，讲究穿堂风，都是自然通风原理的朴素运用，只不过当现代人们再次意识到它时，才感到更加珍贵。随着科技的发展，将自然通风与现代技术相结合，使自然通风从理论到实践都提高到一个新的高度，十分必要且前景看好。自然通风的原理自然通风最基本的动力为风压和热压。通常的作法为利用建筑物外表面的风压，利用室内的热压，以及风压与热压相结合。则自然通风按工作原理可分：热1 重庆大学硕士学位论文压作用下的自然通风、风压作用下的自然通风、热压风压共同作用下的自然通风，按通风方式可分为纯自然通风和机械辅助自然通风。利用风压实现自然通风所谓风压，是指空气流受到阻挡时产生的静压。当风吹向建筑物正面时候，受到建筑物表面的阻挡而在迎风面上静压增高，产生正压区，气流再向上偏转，同时绕过建筑物各侧面及背面，在这些面上产生局部涡流，静压降低，形成负压差，风压就是利用建筑迎风面和背风面的压力差，室内外空气在这个压力差的作用下由压力高的一侧向压力低的一侧流动。而这个压力差与建筑形式、建筑与风的夹角以及周围建筑布局等因素相关。当风垂直吹向建筑正面时，迎风面中心处正压最大，在屋角及屋脊处负压最大。在迎风面上的风压为自由风速动压力的 倍，而在背风面上，负压为自由风速动压力的 倍6。风对建筑物产生的作用力可以分解成一个水平的阻力和一个垂直的升力，对风压的利用往往是利用水平方向阻力来设计和组织通风的。垂直方向的力会产生伯努力效应（Bernoulli-Effect）。例如进风面的斜屋顶，会形成巨大的抽吸力，这种形式的屋顶起到兜风的作用。如位于巴基斯坦的传统建筑屋顶的招风斗（见图、图 ），设置的越高，风速越大，建筑物对风的影响就越小，兜风效果越显著，同时形成了典型的民族地方特色7。图 巴基斯坦传统民居外观7Fig.1.1 Appearance of the traditionalhouses in Pakistan7图 巴基斯坦传统屋顶通风原理7 Fig.1.2 Ventilation principle oftraditional roof in Pakistan7风压引起的另一个效应就是文丘里效应（Ven-turi Effect）。气流流动时，会因为空间的收缩而引起加速，于是收缩段形成负压区。德国著名建筑师 ThomasHerzog设计的汉诺威 2000年世博会 26号馆是充分运用文丘里效应创造自然通风的典范之作。利用热压实现自然通风2 1绪论所谓热压通风，就是利用“烟囱效应”（Chimney Effec）原理，根据建筑内部由于空气密度不同，热空气趋向于上升，而冷空气则趋向于下降的特点，促进自然通风。热压作用于进风和出风的风口高度差，以及室内外空气温度差存在着密切的关系：高度差愈大，温度差愈大，则热压通风效果愈明显。热压通风还存在一种“漏斗效应”。根据热力学第二定律，热量由高温传向低温一侧，那么在漏斗空间中的热量传导也符合从下部传向上部的规律，即漏斗作用将会对热空气的上升起到推波助澜的效果，有效的加剧热量的上升扩散8。NikkenSekkei设计的日本 Matsushita电子公司的信息传播中心大厦中，建筑沿南北方向进深层层退台，内部配置了一个梯形状倾斜的中庭（见图 ）。新鲜空气通过中庭下部的窗户图 梯形中庭通风示意8 8Fig.1.3 Ventilation of atrium trapezoid进入过滤器后，再散发到室内。从窗户下吸入的冷空气可以冷却整个结构体系，以减少整个建筑空调系统的负荷。办公空间可以向中庭完全开放，在需要的时候亦可以通过卷帘部分或全部围合起来。就算在室外无风的情况下，梯形中庭的漏斗效应也可保证吸入足够的空气，促进热量散失。利用热压与风压实现自然通风建筑中的自然通风往往是热压与风压共同作用的结果，只是各自作用的程度不同，对建筑物整体自然通风的贡献不同。热压作用相对稳定，烟囱拔风效应的产生条件较容易实现；而风压作用常常受到大气环流、地方风、建筑形状、周围环境等因素的影响，具有不稳定性。所以，当风压与热压同时作用的时候，还可能出现减弱通风效果的情况。当风向与热压作用的流线方向相同时，会相互促进；反之，则会相互阻碍，从而影响自然通风的效果。如英国沃特福德外部郊区的一座办公建筑建筑研究组织（BRE，Building Research Establishment）办公楼。南侧立面上设置了五个高耸的风塔，图 风塔通风示意图6 6Fig.1.4 Ventilation of wind tower表面安装太阳能板，可以吸收太阳能转化为电能，以驱动内部的低压风扇，在闷热的天气条件下以增强风塔的抽风效能（见图 ）。在气候温和的季节里，建筑则打开窗户来通风。南侧的窗户上还装有可调角度的遮阳板，防止吸收过多的太3 重庆大学硕士学位论文阳辐射8。国内外自然通风技术的发展状况自然通风并不是个新想法，几千年以来，招风斗和招风塔一直是东方本土建筑不可或缺的一部分。这些通风结构依靠主导风向，控制空气向上或向下流动，从而使住宅和其他建筑物能适应当地炎热而干燥的气候。在维多利亚时代，英国建筑师们就曾经试图在他们的设计中充分利用清新干净的空气。当时，伦敦和其他城市的上空充斥着烟雾和灰尘，有些建筑物（例如本顿维尔监狱和议会大厦）有意设计了高高的烟囱和塔楼，它们不仅仅用来排烟及形成整个城市的制高点，同时也是建筑通风系统的一部分。但是，在第二次世界大战之后，随着中央空调技术的诞生及其不断完善，产生了封闭的建筑物，自然通风似乎已经过时了。然而，由于空调的使用消耗大量能源和建筑界在全世界范围内掀起的“绿色建筑”运动，一切又颠倒过来。许多建筑师和工程师（大部分在欧洲），正在使用高级计算机和模型技术着重研究建筑物的加热、冷却、通风等物理原理。最初，这种“绿色”的设计策略是迫于客户降低能源费用的强烈要求，后来，才逐渐形成了一套有效的自然通风系统。这些工程能最终得以实施，部分是因为在某些业主看来，采取自然通风的建筑物有一种亲和力，而这正是密闭建筑所缺乏的。近年来成功的自然通风建筑实例历史给了建筑师们灵感，他们开始探索一种新的办公楼和其它大型建筑的设计方式，尽可能避免使用机械通风装置。这些低能耗、被动通风的建筑是依据总体气流模式，从进气口到排气口综合动用风道以及抽拔效应等空气流动的基本物理原则。为增强通风效果，尽可能控制空气的自然浮力以促进它的流动。原理是：新鲜空气积聚在建筑的低部空间，当其被加热后（主要通过人为和设备），它就会上升，停留在天花板附近，接下来就会流向风道和气楼。位于诺丁汉的国内税收中心（the Inland Revenue Center）（图 ）是由伦敦建筑师 Michael Hopkins和工程师 Arup设计。它是一个建筑面积将近 万的大型管理办公综合体，两翼均有 14m宽、73m长，以尽量增大暴露在外的建筑界面。当窗户打开时，每个楼层低部出挑的狭长钨板就能促进建筑物的交叉通风；当窗户关闭时，入口鱼鳞形的窗板就能吸收新鲜空气，同时使不新鲜的空气通过建筑物，在每个翼的尽端到达屋顶脊背和气楼。在顶部楼层，室内空气由屋脊天窗而不是出屋面的楼梯间排放到空中，因为楼梯间至少要高出屋顶 6m才能充分地排4 1绪论气。在每层凸起的地板内设置的风扇使新鲜空气通过固定百叶进入洞口，空气先通过热交换器（如果需要），然后通过靠近地板的格子窗，进入办公的每层。室内热空气聚集在天花板附近并沿着天花板移动，直到通过天窗或者楼梯间排出，而天窗和楼梯间的屋顶能以一种预设的频率上升和下降（图 ）。图 国内税收中心外景图 空气通过格子窗从楼梯塔顶端排出Fig.1.6 Air go through the lattice window, and isexhausted to the top of the tower of stairsFig.1.5 Location of Internal Revenue Center位于莱切斯特德的蒙特福德大学女王楼（the Queens Building）是由 Short Ford和工程师 Max Fordham设计的，玻璃窗、百叶窗和风道等不同的形式显示出这幢建筑使用了多种通风方式，而所有这些通风方式的根本原则是充分利用建筑物本身。设在中庭的风道向外排气，在大空间如实验室和礼堂等的上方也设有通风道排气作为补充。女王楼中有好几种规模不同、功能不一的使用空间，因此所采取的通风方式也不尽相同。其中，近 1万的实验室、教室、礼堂、办公室等公共空间组织在几个高的、狭长体形中，这些体块均有两个或更多的界面暴露在外，对中庭开敞，以保证自然通风的效果。有两个小的实验室因为存有精密仪器而设置了机械通风装置，除此之外，其它空间大多使用了被动通风方式。办公室尽可能使用简单的交叉通风，而进深大的空间则依赖抽拔效应通风。地下层的进风装置为礼堂提供新鲜空气；当热空气上升时，在抽拔效应下，新鲜空气会自动抽向建筑上部。中庭四周的房间墙壁开着小洞，上面覆盖着可转动的板材，调整板材的方向就能控制通风效果。风道和气楼的细微差别对于建筑的通风设计是至关重要的。国内税收中心的天窗能吸收太阳能作为动力抽走建筑中的废气。当然也有另外的方案，位于诺丁汉大学的一幢建筑，就使用了在塔顶的随风旋转的通风帽通风（如图 ）。在这个建筑中，顺风向开设的孔洞，不用考虑风向和太阳能的问题。近来，许多设计者都在利用这个原则，代替以温度差制造抽拔效果而促成空气运动。这种设计潜5 重庆大学硕士学位论文在优势很多，比如它所需的风道直径较小。巩义市环保局综合办公楼（见图 ）在设计中为避免传统内廊式办公建筑通风不利、半数房间采光不足的缺陷，该方案改内廊式为中厅式，即在两侧房间中间加设共享大厅，一是可以利用玻璃顶棚引入阳光，改善北侧房间和走廊采光不足的问题；二是在玻璃顶棚上加设玻璃尖拱顶，形成“温室”。温室内空气被阳光加热，热空气上升，逐渐带动整个中厅内空气向上运动，形成上升气流，因而在中厅内产生负压区，各房间内空气就向中厅内补充。图 诺丁汉大学塔楼顶部通风帽Fig.1.7 The ventilated hat of the promiseD Han university tower building