混合通风导向的公共建筑空间组织设计研究.pdf

042摘要：解析公共建筑中流动空间带来的能源浪费问题，建议对室内热环境调控进行温度分区管控；以混合通风的运行机理为依据，提出采用分时段或分区域混合通风模式调节室内热环境，在节能前提下响应外部气温变化和内部空间热环境调控差异。结合案例和模拟佐证，归纳公共建筑采用混合通风的空间形态特征和空间组织模式策略。Abstract：Analyzing the energy waste potential of free-flowing spaces in public buildings,the paper suggests the principle of temperature zoning control.Based on the mechanism of hybrid ventilation,it is proposed to adjust indoor thermal environment by adopting the mode of time division or zonal hybrid ventilation,so as to respond to weather changes and zonal thermal differences.By case studies and simulation evidences,the spatial morphological characteristics and spatial organization tactics of public buildings using hybrid ventilation are summarized.关键词：公共建筑；温度分区管控；分时段混合通风；分区混合通风；空间组织基金项目：国家自然科学基金青年项目（项目编号：52108022）Keywords：public buildings；temperature zoning control；time division hybrid ventilation；zonal hybrid ventilation；spatial organization文吴国栋苏州大学建筑学院国家一级注册建筑师讲 师韩冬辰苏州大学建筑学院讲 师（通讯作者）张军学江苏科技大学土木工程与建筑学院讲 师DOI：10.19875/ki.jzywh.2023.11.013引言天气条件适宜时，自然通风能有效置换室内污浊空气并降低室内气温，促成舒适的室内热环境并减少能耗。但无风天气、城市日益密集的建成环境导致自然通风具有不稳定的特征。自然通风的不稳定性以及极端气候条件频发使空调系统通风降温的普及趋势不可逆转，但公共建筑封闭气候边界、完全依赖机械通风降温的做法被证明是高能耗且不利于使用者生理和心理健康1。平衡自然调控和机械调控矛盾的手段是兼收并蓄，扬长避短。混合通风模式能够实现自然通风和机械通风的时空协同，提供热舒适和可接受的室内空气质量，同时使用最少的能源2。在中国南方，混合通风比纯机械通风节能 30%35%3。在混合通风模式下，建筑内部可根据时间或空间需求选择恰当的调控方式（自然或机械），动态调控内部热环境。合理的空间组织布局实现自然通风最大化是混合通风的关键议题，此为本文探讨的核心内容。建筑合理使用自然通风具有气候差异性，本文探讨的空间组织策略主要适用于温带和亚热带季风气候区。1 公共建筑热环境调控的问题与对策在我国，单栋公共建筑面积超过 2 万平方米、采用中央空调时，其单位建筑面积能耗是不采用中央空调的普通规模公共建筑能耗的2 8 倍，差距主要集中于空调系统能耗4。空调系统高能耗的根源之一是公共建筑中流动空间的大面积、无节制使用。开放通透的大进深平面结合竖向中庭的流Research on Spatial Organization of Public Buildings based on Hybrid Ventilation混合通风导向的公共建筑空间组织设计研究动空间已成为大型公共建筑的空间标配。“流动空间”可塑造空间艺术效果，但易造成不必要的能源浪费。广州某图书馆的空间布局为三个并列的略带弧度的细长体量，中间长条中庭被南北两侧开敞式使用空间夹持（图 1）。除局部楼层采用玻璃分隔，大部分使用空间与通高中庭直接联通。这意味着中央空调使中庭和开敞式使用空间常年维持一致的热环境参数。作为气候缓冲空间，中庭的热环境标准宜低于日常使用空间，但空调系统持续为中庭上部的“无用”空间降温；而开敞式使用空间在无人使用状态下仍持续接受空调系统的热环境调控。由此，流动空间形成统一标准的室内热环境导致了“全时间、全空间”的运行模式，具有浪费能源倾向。2 混合通风营造可变热环境2.1 混合通风的两种模式混合通风的原理是外界条件适宜时利用风的自然能量和温度梯度来获取免费的空气流通和室内温度降低；当风压和温度差不够驱动空气流动时，再通过机械系统达到通风率。其意义在于，在室外气候要素层面，建筑使用空间可以应对季节差异和自然风的不确定性；而在建筑本体层面，内部空间中的不同部分可以根据外部气象条件和内部使用情况采用不同的通风方式。混合通风模式通常可以分为季节性混合通风和分区混合通风5，以应对外部气象条件变化和内部通风方式的多样需求。混合通风有三种基本方式：（1）自然和机械通风交替；（2）风扇辅助的自然通风；（3）热压和风压辅助的机械通风。由此，自然和机械通风可以在不同时段单独使用，也可以在相同时间协同配合：既可以是小型机械设备辅助自然通风，也可以是自然动力辅助机械通风；进风和排风动力可分别由不同动力系统提供，而不必由一个系统单独完成。2.2分时段混合通风：热环境调控随时间变动在季节性混合通风模式中，一个区域中既使用自然通风，又安装机械通风设备，两者在不同时段分别使用。通常来说，机械通风系统在冬季和夏季炎热时段开启，自然通风多在过渡季节使用。通风模式不单随季节变化，还可运用短周期的昼夜变化带来的温度差异。夜间通风是被动降温的手段之一6，适用于昼夜温差较大的地区。在白天使用机械通风降温，而夜间则开启窗户利用凉爽的室外空气为建筑结构降温；第二天的使用过程中，建筑结构作为冷源吸收建筑运行过程中产生的热量，从而降低空调系统负荷。这种以一天为周期的热循环也能有效节能，前提是要使用高热容的建筑材料并加大其与夜间流动空气的接触面。因此，季节性混合通风更准确的说法是分时段混合通风，可弥补“季节性”意涵的不足。根据季节、昼夜变换等制定大致的自然通图 1广州某图书馆典型平面、剖面简图043236|2023|11建筑学风时段，其关键依据是室外空气温度。一般情况下利用自然通风进行室内降温的适当室外气温为 10 267，在此范围内的室外空气流入室内可在保证热舒适性的前提下提升空气质量，此范围外的室外空气进入室内会使室内气温过低或过高，而引起使用者热不适。除了温度，还需分析内部功能及人员、设备的散热情况7，评估使用空间对热环境的性能要求，综合多种因素制定使用空间具体时段的通风方式。2.3 分区混合通风：热环境调控按区域变通空间分区在建筑设计中较为常见，为了满足功能使用要求，将某些具有共同特征的使用空间集中放置在一起，以区别于其他空间区域，如动静分区、私密与公共空间分区。建筑内部也可按照热环境的不同调控需求进行分区，每个区域包含相似热负荷特征的空间。与流动空间的统一性能指标不同，一栋建筑的不同部位宜根据各自位置、性能要求、使用状况或临近的外部建成环境差异使用不同的热环境调控方式。在空间规划前，对任务书中各个功能的热环境性能需求分类至关重要。相同或相似热环境性能需求的空间可聚集在同一区域，并与其他热环境性能需求和调控方式有差异的功能进行分隔。空间分区隔离为各自区域的热环境单独调控提供了保障。此分区混合通风模式中，不同区域采用独立的调控方式来满足各自的热环境需求，并根据时间变化进行切换调整。由于机械通风适用于一切空间，混合通风的空间分区合理性问题可延展为自然通风区域的最大化以及不同自然通风方式的合理空间排布问题。各区应充分考虑提高自然通风频率以及不同通风动力的合理搭配，当室外环境恶劣导致自然通风无法实施或无效时，局部或全部空间再使用机械通风。3 基于混合通风的空间组织策略混合通风导向的空间形态组织应该促进并优化自然通风的使用，降低室内热环境对机械通风的依赖。成功的混合通风需要制定合适的通风策略以减少使用机械通风的空间面积和时间，其手段依赖合理的温度分区及整体空间组织。3.1 竖向气流通道辅助的浅进深空间因机械通风不受时间、空间的限制，基于混合通风的空间组织的首要原则是最大化地促进自然通风的使用时间和空间区域，以降低促进人体热舒适所需能耗。由此，建筑空间形态应积极塑造利于风压或热压通风的组织策略：进深不大于 5 倍室内净高的浅进深平面利于穿堂风的流通5，而竖高的空间能够形成烟囱效应，利用空气温度分层的特点进行热压通风。两种空间形态的恰当组合、协同能够在天气适宜时最大限度地利用风压和热压自然动力形成时间互补，促进内部空气流动。竖高的空间可以是小型中庭或供空气流通的井道，计算流体力学（CFD）模拟证实了无辅助动力情况下竖向通道实现整体热压通风的可行性（图 2）。由此，有风情况下浅进深办公空间利用风压驱动内部空气流动，而无风气象条件下竖向气流通道可以实现各层办公空间工作人员和发热设备加热的污浊空气顺利排出。竖向气流通道宜布置于向阳侧，借助太阳辐射热形成热浮力的辅助动力，或利用顶部小型机械提升热空气竖向流动并排出的稳定性。英国南部的 BRE 楼（Feilden Clegg Architects，1996）办公区进深较浅（13.5m），适宜穿堂风的充分流动；在冬季窗户关闭时，南侧 5 个太阳能烟囱可用来促进热压通风（图 3）。烟囱顶部设有排风扇，提供辅助的机械排风动力。竖向气流通道配合浅进深平面是分时段混合通风的典型空间组织模式，可应用于建筑局部或整体。下面探讨适用于大进深平面、采用分区混合通风的空间组织策略。3.2 内外空间通风模式差异化布局气候适应性建筑空间组织的原则之一是将普通性能需求的日常使用空间布置在建筑外围，优先使用自然通风8。位于平面外围的空间方便使用对流通风或单侧通风引入室外空气，处于顶部的空间也可利用热压通风排出室内废气。这种空间排布使非普通性能空间（如低性能需求的服务空间或高性能要求的空间）处于建筑中心位置，其热环境调控面临两种情况。3.2.1 中心空间使用机械通风典型的案例如塔式高层建筑的核心筒部分，因使用者停留时间较短，大量的服务空间如卫生间、楼梯间采用机械通风的方式维持内部空气流动。另一种是对环境性能要求极高或回避自然光热的空间位于建筑核心位置，如对温湿度有较高要求的精密实验室、珍品库房等，这些空间必须采用机械通风调控室内热环境。3.2.2 中心空间使用热压通风对于较大平面的建筑，处于中心位置的空间可以是日常性的使用功能，也可以是瞬时性的公共交往空间。会议类建筑是日常性使用空间居于中心的建筑类型代表，通常举行大型会议的高耸集会空间会位于中心，周边被小型的会议室或办公室包围。同中庭空间类似，中心的会议大厅可利用竖高空间实现热压通风。威尔 士 国 民 议 会 大 楼（Rogers and Partners，2005）的议会厅为圆锥体状高耸空间，利于热空气汇聚至顶部；屋顶之上随风转动的风帽保证排气口总是朝向背风向的负压区，促进热空气顺利排出而不会出现气流倒灌（图 4）。3.3 季风迎风面空间通风模式差异化布局适宜自然通风的室外温度范围意味着建筑使用自然通风具有时段差异：冬季防风，夏季导风，春秋过渡季是使用自然通风的最佳时节。季风气候的特征是盛行风向在冬夏两季几近相图 2竖向气流通道配合浅进深平面的模型及剖面气流矢量图图 3BRE 楼风压和热压通风剖面044反，建筑自然通风应有朝向差异，其空间布局要做到对冬季风屏蔽、夏季风利用（主要是夜间通风）。在温带或亚热带季风气候区，冬季主导风方向布置服务空间或交通空间可以形成抵御冷风的缓冲空间，使用频率较低的非日常使用空间、不采用自然通风的使用空间可置于此，在夏季主导风向优先布置日常使用空间，在做好遮阳的前提下充分利用室外风压。冬夏季风对应的迎风面使用空间之间需包夹竖向的空气流动空间，以将流过夏季迎风面使用空间的空气结合竖向热浮力升至顶部排出。夏季迎风一侧的进深应满足穿堂风的尺寸要求，但因迎风面气压随立面高度增加而增大，在空气流经室内、气压衰减后，在竖向空间中仍可能存在上大下小的气压梯度，无热工况下的 CFD 模拟证实了这种压力梯度和自上而下的气流（图 5），这与热浮力驱动的上升气流相冲突。要保证此空间布局能够运行，竖向空间需增加额外的动力辅助热浮力，否则可能导致内部气流紊乱。该动力可以是小型机械提供的排风动力，也可利用屋顶形态优化后室外风提供的负压吸附力9。德国 Biberach 药理学实验室（Sauerbruch Hutton，2002）所在地夏季常年平均最高气温约 24，主导风为西南向。建筑采用长条体量嵌入场地，西侧布置的办公室充分利用通过西南侧建成环境留出的间隙到达场地的季风；东侧为配备精密仪器、使用机械通风的实验室，中间为狭窄中庭，顶部引入自然光并促进竖向空气流通10（图 6）。在冬季，实验室形成屏蔽冬季东北季风的缓冲带，避免中庭和办公空间热量损失。3.4 通风模式的竖向差异化布局受周边建筑、绿化植被等的遮挡，城市环境中近地面处空气流动速度相对较低，建筑底部使用空间难以直接利用风压动力促进室内通风。上空风速比近地面处大，建筑上部空间对自然通风的使用存在优势，因此在密集建设的城市环境中，日常使用空间宜置于建筑上部，不使用自然通风的空间可置于底部。因进深影响风压通风，空间进深尺度在垂直方向上的差异可以配合风压通风的优化利用，由此可形成不同进深的建筑空间在垂直方向分区布置：大进深空间位于建筑底部并使用机械通风，浅进深空间位于上部引入自然对流风。区别于常见的平面分区布局，空间进深的竖向差异化布局结合与之匹配的通风模式可以适应城市环境中空气流动的竖向变化。塞维利亚大学科学教育学院（Cruz y Ortiz Arquitectos，2010）使用两个结构上下堆叠的布局：底部进深 19.5m 的四层体量沿场地较长的两侧布置，其间形成一个线性庭院。两条体量容纳大教室、图书馆、篮球馆和会堂，使用空调系统；其上布置多条进深 10m 的两层体量，容纳工作室和办公室，使用自然通风。由此形成立体通风系统：无风时，底部的热空气可通过上部指状体量间的缝隙上升排出；有风时除了自身消化部分风压动力，上部体量形成的“口袋”空间收集凉爽空气向下到达庭院（图 7）。结语随着气候和能源问题逐渐被重视，“能效设计”理念应成为当代建筑的优先选择。相比密闭立面进行单纯的机械调控，混合通风提供了一个更加节能、更少花费的室内热环境。混合通风模式宜优先利用外部风压和内部热压提供的天然动力，当自然通风无效时，再借助小型机械或空调系统辅助热环境调控。恰当的空间组织有助于实现自然通风的时空最大化，这参考文献：1朱颖心.热舒适的“度”，多少算合适J.世界建筑,2015(07):35-37.2CIBSE.Energy efficiency in buildingsR.London:the Chartered Institution of Building Services Engineers,1998.3Ji Y,Lomas K J,Cook M J.Hybrid ventilation for low energy building design in south ChinaJ.Building and Environment,2009,44:2245-2255.4江亿.中国建筑节能理念思辨M.北京:中国建筑工业出版社,2016.5CIBSE.Natural ventilation in non-domestic buildings.Application manual AM10R.London:the Chartered Institution of Building Services Engineers,1997.6Givoni B.Indoor temperature reduction by passive cooling systemsJ.Solar Energy,2011,85(08):1692-1726.7吴国栋.自然通风导向的城市公共建筑形体与空间组织设计研究以亚热带季风气候为例D.南京:东南大学,2021.8韩冬青,顾震弘,吴国栋.以空间形态为核心的公共建筑气候适应性设计方法初探J.建筑学报,2019(04):78-84.9吴国栋,韩冬青.公共建筑空间设计中自然通风的风热协同效应及运用J.建筑学报,2020(09):67-72.10何如.索布鲁赫胡顿建筑事务所J.时代建筑,2004(03):136-147.在建筑空间设计层面提供了宏观解决方案，而不是将室内通风依赖后置的暖通专业的微观计算。竖向气流通道辅助的浅进深空间可以促进风压和热压通风在时间维度协同，降低机械通风的时间比例；中心与外围差异、冬夏季风朝向差异以及垂直方向上的进深差异等空间组织策略能最大化地使用自然通风，使内部使用者受惠于自然动力驱动的空气流动。这提供了基于混合通风的气候适应性公共建筑空间组织的基本框架。图 6药理学实验室朝向和平面布局图 7科学教育学院的立体通风系统图片来源：文中所有图片均为作者自绘图 4威尔士国民议会大楼通风剖面图 5顶部封闭时中庭空间竖向压力梯度云图和气流矢量图