深圳市建筑科学研究院股份有限公司
【摘 要】针对密闭玻璃中庭建筑室内热环境差的状况，文中结合实测诊断，提出改造方案，并进行改造效果验证，结果表明对玻璃中庭进行幕墙顶部合理开窗改造可形成良好的“烟囱效应”，改造前后中庭通风换气次数由1.23次增加到6.62次，改造后人员主要活动区域室内温度在28℃以内。
【关键词】中庭改造烟囱效应热舒适性节能
0 引言
近年来，研究既有建筑绿色改造逐渐成为新的课题，室内环境质量是绿色建筑评价的一项重要指标，也是实际改造工程中人们所关注的重要内容之一。本文结合实际工程案例，就如何合理地改善建筑封闭中庭的室内热环境进行分析探讨。
1 改造项目基本概况
深圳市某办公楼4-7层有一圆柱形封闭中庭，中庭空腔直径约为17m，高约为26.5m，总体积约为6012m3。中庭空腔顶部为玻璃幕墙，各楼层四周为封闭型办公区域（如图1和图2），仅有的通风口为各楼层新风系统的送风口和顶层玻璃幕墙周壁的4个百叶窗（1m*1m）。由于玻璃大空腔受太阳直射辐射和玻璃屋顶长波二次辐射得热量大，但室内通风条件差无法及时排出热量，造成大量得热聚集，有如密闭汽车在烈日下曝晒，室内温度高、热环境状况恶劣。为改善室内热舒适性，业主于2009年在玻璃空腔内侧设置了布帘内遮阳，并在中庭顶层增设了4台空调风柜用于制冷降温，但实际降温效果不佳。2011年业主委托我们进行诊断评估，希望提供良好的解决方案以达到改善室内热环境效果的目的。
2 项目改造技术路线
为科学合理地分析问题并提出解决方案，本项目制定了基于测试、诊断和效果评估的全过程技术路线。测试诊断主要包括资料收集、现场勘查、现场检测三大步骤，根据调研资料对中庭围护结构和通风空调系统的布置、使用合理性及综合使用效果进行分析，评估改造潜力；改造实施阶段包括确定改造对象，制定改造方案，绘制图纸，现场施工等；最后对改造效果进行测评和效果体验调研。
3.2 实测数据分析
3.2.1 室温测试分析
实测数据表明（图4，图5），不管是空调工况还是非空调工况，室内热环境均较差。空调工况下，中庭全天室内温度基本都高于30℃，顶层最高温度达38.5℃；非空调工况下，中庭全天室内温度均高于33℃，顶层最高温度达47.9℃，热环境条件恶劣。
中庭竖向温度梯度明显，以建筑实际运行工况（空调工况）为例，4～6楼之间的平均温差较小，为0.5～1℃；7楼平均温度比4～6楼高3～4℃；顶层温度比4楼高9℃。
由各区域通风换气次数估算结果可知，4～6楼通风换气次数严重偏低，整个玻璃空腔通风换气次数也仅为1.23次，显然无法满足玻璃空腔排热量需求。
4 项目改造实施方案
4.1 改造对象确定
鉴于业主不希望改造过多影响建筑外观，工程中提出两种改造思路。其一，玻璃幕墙屋顶增设自然排风与机械排风风口，采用以自然通风为主、必要时机械通风为辅的改造方式，加强室内外空气交换带走室内热空气；其二，全面排查检修空调送风系统，使空调送风系统正常运行，增大新风送风量，利用正压将顶部热空气排出。根据实际情况，对两种方式进行比较，详见表3。
出于减少对办公人员影响、缩短施工工期和节能目的考虑，本工程优先对中庭顶部进行幕墙通风改造并停止运行顶层空调机组。空调系统改造可在幕墙改造结束后根据实际效果另行决策。
4.2 改造技术方案
采用自然通风和机械排风结合的方式。在玻璃顶部开孔增设防雨百叶天窗和机械排风口，利用热压作用形成烟囱效应进行自然排风，当室内热环境无法满足要求时启动机械排风。
4.2.1自然通风
当由于建筑构造因素的影响而导致穿越式通风难以实现时，热压通风成为自然通风的主导因素[1]，建筑主要依靠烟囱效应[2][3]进行通风排气。
通过对建筑热压自然通风效能的分析，文献[4][5]指出为增大换气量，可以加大天窗开窗面积并提高天窗的高度，减少天窗的排气阻力，因此自然排风口设置在中庭顶部玻璃幕墙凹槽中部为宜。实际工程中，在凹槽中部开天窗的施工活动和后期维护活动难度太大，施工和后期维护的成本很高。本项目考虑工程实际，在玻璃幕墙屋顶凹槽两侧开百叶天窗，受凹槽及施工条件限制，百叶天窗最大为2m×2m，两侧各开两个，排风口截面共16 m2。
根据文献[6][7]，换气量可用下面公式求得：
（1）
（2）
其中：ρ为空气密度，近似取室内外空气密度均值，kg/m3；g为重力加速度，9.8m/s2；β为空气膨胀系数，取1/273；Δt为室内外温差，℃；μ为窗框的流量系数；F为窗孔的面积，m2；IP为窗孔两侧的压力差，Pa；L为空气体积流量，m3/s。
由式（1）（2）估算测试日百叶天窗自然通风最大换气量约14.3 m3/s，即51480 m3/h，可使全楼理论平均通风换气量增大到8.56次/h，是改造前的约7倍。
自然通风口采用自动防雨百叶窗，与消防排烟机联动。降雨时自然通风口自动关闭，防止雨水飘进室内中庭；火灾时，排风口自动关闭，消防排烟机开启，防止排风口负压进气。
4.2.2 机械排风
本改造工程在幕墙屋顶增设了1台机械排风机。当室内外压差较小无法达到自然通风排热要求时，人工加开机械排风进行辅助。
4.2.3 消防排烟
本项目密闭型中庭改造还须考虑火灾时的消防排烟问题。在幕墙顶部增设一台消防排烟机，根据《建筑设计防火规范》，排烟风机风量按中庭换气次数6次/小时进行选取，即风机额定风量为40000m3/h（排烟风机选取过程中考虑了一定余量）。
4.3 改造实施
由于我国建筑改造市场尚不规范，业主对改造技术和产品的选择缺乏专业识别能力，对社会产品供应商提供的改造服务缺乏信心。为此，本项目业主在改造模式中进行了有益探索，由社会专业咨询机构提供测试诊断和分析报告，制定改造方案，达到施工招标要求；根据咨询机构提供的招标要求招标确定施工单位，施工单位结合产品特点进行图纸深化设计，并提交咨询单位审查合格后开始施工；施工改造完成后再由咨询机构进行改造效果测评，作为业主单位进行项目改造验收的重要依据。
5 改造项目效果
5.1 改造工况选择
为客观评价热环境改善效果，选择室外条件基本相当的天气作为改造前后效果分析的基准日。改造前测试时间为2011年8月份，改造后为2012年6月份，均为晴天。改造前后室外平均温差为+10%；平均风速分别为1.60m/s和1.23m/s，均属同一级风力范围内（软风）；太阳平均辐射强度差值为-4%。总体上，改造后室外气温高于改造前，风速和太阳辐射偏差不大。
5.2 改造效果分析
5.2.1 通风改善情况
各楼层新风量测试结果如表5。改造后中庭新风量增加至39821m3/h，整体通风换气次数达到6.62次，尤其是屋顶幕墙空腔，通风换气量得到大幅提升。可见，实施幕墙顶部开窗改造后，中庭形成了良好的空气对流效应，为中庭排热创造了有利条件。
综上横向对比和纵向对比结果可知，改造后中庭室内热环境效果有明显改善，人员主要活动区域（4-6F）室内温度基本在28℃以内，办公人员对热改善状况普遍表示满意。
6 结论和意义
6.1 改造效果
中庭实施自然通风改造后烟囱效应明显加强，室内热环境改善明显。改造前后中庭通风换气次数由1.23次增加到6.62次；无自然通风和有自然通风时，典型工况下中庭整体温度下降率达7.14%，人员主要活动区域（4-6F）室内温度基本在28℃以内，问卷调研显示办公人员对热改善状况普遍满意。本案例对于类似既有建筑的改造具有一定的参考价值。
6.2 对建筑设计的指导意义
在建筑中庭设计中，应通过合理设计，达到有利于室内外通风的目的，并运用数值模拟软件进行通风效果和室内热环境效果的模拟验证，以指导进行设计优化。
参考文献：
图书类：
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期刊类：
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[6]赵华、高辉、王芳.建筑中庭热压自然通风效能的计算分析[J].建筑技艺，2009,12:110-113.
[7]刘建军，仝晖，孔鸿羚.基于热压通风原理的建筑建构模式研究[J].山东建筑大学学报，2011,26（5）：494-497.
论文作者:祝书丰,刘雄伟,邓翔
论文发表刊物:《低碳地产》2015年第3期
论文发表时间:2016/8/18
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