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同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司 上海市 200092
摘要：通过介绍太阳能烟囱的构造及研究原理，结合实际案例应用，使得中庭空间更加具有活力与生态，本文从建筑设计的角度出发，配合热力学工程师的精确计算，完成相关土建设计要求，为日后太阳能烟囱的研究提供一个较完善的案例。
关键词：中庭；烟囱效应；太阳能墙；自然通风；低能耗
在常规能源的消耗与环境问题矛盾日趋加重的情况下，建筑行业也正不断研究探索低碳，零能耗生态建筑，从建筑布局、设备选型、建筑表皮高精技术运用等一系列措施做起，减少建筑在建造、使用乃至废弃后的垃圾污染。中庭，作为一种广受欢迎的公共建筑空间，在城市设计、人居环境改造方面起到了重要作用。现代建筑中庭既是疏导顾客的垂直交通枢纽，又是充满阳光与活力而富有人情味的憩息、观赏和交往的共享空间。中庭作为室内空间它具有封闭的空间形式与宜人的气候条件，但同时它又作为一种外向的城市空间，容纳了一定的城市活动，丰富了城市街道生活。
中庭是建筑的设计的必然产物，其形成由来已久，中国古代的藻井便是最早的庭院雏形，西方工业革命之后，随着科技的高速发展，建筑新型材料的运用，高层建筑的垂直中庭也开始孕育而生，并在以后的很长时间内得到推崇。最具代表性的当属约翰?波特曼，1967年的亚特兰大市海特?摄政酒店中庭的设置，标志着中庭的正式诞生。
但随着时代的发展，特别是生态环境理念的逐渐形成，中庭的生态效应也证逐步被人们认识，中庭——不仅是室内环境的精彩演绎，同时也是重要的生态设计策略。高能耗、低舒适性越来越受到大家的关注。通过可持续发展和生态设计，疏导和利用空间流动性、综合性，在充分利用当地自然气候资源的条件下，采用适当的建筑手段，来消减外界气候对室内热环境舒适度的不利影响。我们将中庭设计成整个建筑的“肺”通过他的呼吸，将气候的有利因素加以利用，不利因素减少最低，来实现建筑生态小环境。
本文主要通过对高层建筑内中庭的研究，采用太阳能辐射强化自然通风，实现建筑公共区域的被动式通风冷却。通过中庭、竖井、太阳能集热板、通风口部等的结合，使室内外温差产生热压，驱动室内空气的自然流动交换，形成中庭“烟囱效应”。
一、相关案例研究
太阳能强化自然通风早在20世纪50年代法国科学家隆泊就发起了对它的研究，随后研究者便对太阳能”烟囱效应”做了大量的实验和数值研究，并逐步使用在实际建筑项目中。
Barclaycard总部大楼（罗宾逊设计）采用双层玻璃幕墙，15m进深地开方办公单元，利用自然采光和通风，同时建筑的中心为一条9m宽的中庭，利用中庭及上部的太阳板实现空气热压差，形成对流效果。
图片来自网络
法兰克福银行大厦（诺曼福斯特及合伙人设计），项目本身就是绿色节能的典范，是高技派生态建筑的代表，整座大厦除非在极少数的严寒或酷暑天气中，全部采用自然通风和温度调节，将运行能耗降到最低，同时也最大程度地减少了空气调节设备对大气的污染。三角平面围合而成的拔风烟囱的做法也是日后高层垂直中庭尽相模仿的对象，通过“烟囱效应”在最少的能耗条件下，实现中庭空间的通风效果。
二、项目背景
运动员公寓（国家队）及管理楼位于由上海体育局筹建的供优秀体育运动员集中式训练使用的基地内，坐落于中央绿化景观带的南部，是一座地上12层的公共建筑，主要功能包含有基地管理办公和运动员公寓。是基地内唯一一栋高层建筑。
按照平面布局，本项目从下至上分为3个独立的中庭，地下室至二层室内中庭主要为运动员公寓公共餐饮会议空间设置，共3层，高度为15.4米，三层至九层室内中庭主要为运动员公寓住宿空间设置，共7层，高度为27.3米，十层至十二层室外中庭主要为办公空间设置，共三层，形成屋顶内天井。
三、中庭空气引导的组织策略
太阳能强化通风主要包括：Trombe墙，太阳能烟囱，太阳能通风屋顶和太阳能墙体，经过与暖通工程师紧密沟通后，本项目主要研究通过中庭的拔风井道，利用太阳能的辐射，来调节中庭通风效果。
上海崇明岛地处北亚热带，气候温和湿润，四季分明，夏季湿热，盛行东南风，冬季干冷，盛行偏北风，属典型的季风气候，通过设计计算和调整，目标是在在过渡季节（每年的3-5月，9-11月）实现室内空气自我调节的能力，实现过渡季节的节能运行。
自然通风是指通过有目的的开口，在风压和热压的作用下，产生空气的流动，而由室内外空气密度差引起的热压自然通风就是通常说的“烟囱效应”，其原理就是运用室内外的温度不一，二者在空气密度存在差异，室内外的垂直压力梯度也相应有所不同，此时在建筑下方开口，这室外空气就会从下方口进入，而室内的空气就从上方口排出，从而形成热压通风，当室内外的温差越大，热压作用则越强，太阳能烟囱就是利用太阳能热导致内外温度差而产生浮力，使得空气流动已到达室内通风降温的目的。
结合建筑中庭布局与国内现行消防规范的要求，经热力学工程师的初步计算，本项目在1-9层中庭内设置1.3X2.3米通风井道两个，分别供1-3层、4-9层中庭使用，通风井下部每层分别设置1.3X3米的百叶，通风井至10层以上后，4-9层的拔风井相应扩大，两者均高出建筑屋顶5米，与屋顶平台形成19.1米高的透明烟囱，烟囱外侧设置透明玻璃，内侧设置太阳能集热板，顶部2.9米处设置百叶通风口，与室外连通。经过太阳能的辐射，透过透明玻璃，集热板迅速收集热源，加热通风井内的温度，使得井道内产生热压，热气流迅速向上，带动井道下部气流向上流动，从而中庭内部的气流也通过拔风井的百叶实现气流的流动。
四、材料选型
关于中庭及拔风井道。本项目中庭及拔风井道采用钢筋混凝土现浇一次成型，中庭空间位居建筑中部，为运动员公寓接待、休息提供一个交流活动空间。拔风井道与核心筒垂直交通紧密结合，在满足防火规范的前提下，实现从下至上的贯穿。
关于玻璃，太阳辐射中可见光占大部分，选择对可见光透射率高；对外部空气的热损失要小，即导热系数要小；根据《全国民用建筑工程设计技术措施——节能专篇/建筑》中选择玻璃品种及规格：玻璃厚度为6+12+6，可见光透射比为0.83，传热系数为5.8W/（m2*K）。
关于集热板，考虑吸收系数，价格和重量；吸收系数高有银、铜、铝，由于项目经济性和轻便性，虽然铝的吸收系数比前两者低，但是其价格低廉，材质轻便；所以这里选用最常用的集热板的吸热板芯（1070型铝合金）同时加黑色涂层，可使其对太阳辐射的吸收率达0.93~0.96。同时为了减少热损失，集热板后部保温材料也必不可少：聚苯乙烯泡沫、聚氨酯泡沫、酚醛泡沫都可供选择。这里选用20mm厚酚醛泡沫作为保温材料。其耐热防火性能较好。
五、模拟结果与分析
通过对太阳能烟囱通风效果进行研究，寻找最佳通风量的优化结构是十分必要的。同时，以强化室内自然通风为目的的太阳能烟囱能否达到预期的通风效果，室外气象条件对其有何影响也需进一步探讨。这方面，国内外学者针对太阳能烟囱技术强化自然通风进行了大量实验研究、数值模拟和解析分析。
热力学工程师云运用基础建筑模型，采用FLUENT进行分析，设置内容包括标准k-e两方程模型，增强的壁面函数法边界条件，吸热板按照全年逐时的热流密度（根据太阳辐射，玻璃的透射率、吸热板吸收率和发射率），玻璃按照第三类边界条件，free stream temperature 取为全年逐时的综合温度（根据逐时温度、逐时太阳辐射强度、玻璃的吸收率和换热系数），墙体按照为第三类边界条件（输入全年的逐时气象参数），入口和出口分别设置为压力入口和压力出口，同时输入全年的逐时温度，每层输入人员照明和设备的功率作为第二类边界条件，再编写udf，导入全年的气象参数，设置好控制条件，即可进行模拟。通过将建筑网格法划分，对太阳能烟囱通风模型进行了数值模拟分析研究，分析了所重情况下，气流的温度场和速度的分布，从而得到通风量与烟囱高度、进风口面积、出风口面积的相互关系，以便对后续建筑深化产生指导作用。经计算得出：
本项目属于单个侧面受太阳辐射，出风口开在非受热面的一侧，在烟囱内空气流动较小，通风两不足的情况下，在烟囱内增加集热板可以大大提高通风效果，且集热板面积与通风效果成正比。烟囱通风量大小与烟囱高度、宽度、进排风口面积及太阳能辐射热等因素有显著关系，通风量达到最大时，烟囱的宽高比约为1：9通风量随烟囱高度的增加而增加，但由于烟囱断面的大小对有限空间内对流换热影响很大，当烟囱内出现换热充分区后，在增加烟囱高度对换热影响不大，从经济角度来看，烟囱高度应该根据宽度和高度的比值来确定。这个与2004年，赵平歌对太阳能烟囱自然通风模型进行了数值模拟研究效果基本一致。
按照模拟分析报告，本项目中庭环境在过渡季节实现了建筑室内外的换气降温，满足预期的效果，同时又将室外新鲜空气直接引入室内，降低室内温度，提高室内空气品质，通过利用太阳能来进行自然通风、冷却有力推动绿色生态建筑的发展，真正实现无能耗、无污染、绿色二星建筑。
参考文献
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[5]赵平歌，太阳能烟囱提高室内热压自然通风极端研究 西安工业学院学报 2004，24（2）181，184
论文作者:蔡单婵1,周凯锋2
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第27期
论文发表时间:2019/1/3
标签：中庭论文; 烟囱论文; 太阳能论文; 建筑论文; 自然论文; 空气论文; 空间论文; 《建筑学研究前沿》2018年第27期论文;