随着我国经济发展方式的转变和产业转型升级, 大量工业建筑面临更新改造。为实现建筑业可持续发展, 采取低成本的绿色化改造策略, 如太阳光及自然通风的利用、结构和建材的保留及再生等应是旧工业建筑再生利用的主导方向。

本文探讨工业建筑更新改造中自然通风的有效利用。相较于公共建筑, 工业建筑空间宽敞、进深大, 自然通风可利用区域较小。在保留工业建筑原有立面体系和结构前提下, 如何通过平面布局划分、通风开口设置来实现内部功能区的自然通风效果, 对建筑改造设计实践具有积极意义。

项目位于雄安新区容城县, 建筑为南北朝向, 用地东侧及南侧为城市交通路, 北侧为锅炉房和酒店。大楼原为制衣车间, 钢筋混凝土框架结构。楼中段为两跨大空间, 东侧为卫生间及楼梯, 西侧设1部货梯及楼梯, 改造前如图1所示, 改造后主要功能为办公。

经检测, 主体结构质量较好, 因此不做改动, 局部楼板根据机电要求增加板洞。

建筑平面布局为大开间, 中间设1条东西向走道, 不利于自然通风。南、北立面窗墙面积较大, 窗墙比分别为0.6和0.5。大开间南北宽度约19.35m, 单侧进深9.6m, 双侧采光。经自然采光模拟分析, 进深7m以内区域采光效果较好。立面改造时, 仅对原有墙面进行局部处理, 外窗面积保持现状, 替换原门窗为节能门窗。

改造后, 大楼设置变制冷剂流量多联分体式空调加新风系统。

大楼南侧面向交通主干道, 为减少外界气候和噪声对办公空间的直接影响及在室内空间形成1条合理便捷的交通流线, 改造建筑平面布局, 在南向设置封闭式外廊。为保证自然采光效果, 封闭式外廊北侧 (靠近办公侧) 采用玻璃隔断 (见图2) 。

为获得较好采光及视野效果, 封闭式走廊南向窗墙比较大, 温室效应明显。如何通过自然通风排出走廊热负荷, 减少夏季日间办公功能区的制冷负荷, 在过渡季和夏季夜间将室外新风引入办公区, 改善热环境及空气质量, 是该改造项目自然通风设计难点之一。

该改造项目工作周期短, 2018年2月开始方案设计, 同年6月底须完成施工。为配合项目进度, 自然通风的设计分析需及时跟进, 不同设计阶段采取不同分析方法。

为更直观了解自然通风效果, 依据GB/T 50378-2014《绿色建筑评价标准》^[1]中按热舒适要求对室内设计温度进行分级, 及依据GB/T 50189-2015《公共建筑节能设计标准》^[2]要求主要功能房间平均自然通风换气次数不小于2次/h等规定, 本文按自然通风换气次数和自然通风后房间温度值, 将自然通风效果分为3个等级:一般、较好、很好 (见表1) 。自然通风换气次数不低于2次/h是该项目各功能房间自然通风的最低要求。

采用数值模拟手段, 通过优化设计各朝向外窗及玻璃隔断的通风开口, 包括开口面积及位置, 合理组织室外气流进入办公空间的流向。

方案阶段, 为及时快速地提出自然通风设计建议, 采用只关注流体宏观运动的多区域网络模型法^[3]进行分析, 得出各朝向外窗及玻璃隔断的通风开口面积。

初步设计和施工图阶段, 为详细描述空气流场, 采取CFD方法, 对通风开口位置提出建议, 并验证通风开口面积能否满足自然通风的最低要求。

雄安地区室外计算参数如表2所示。过渡季选择为每年3月16日—5月31日及9月1日—11月13日。夏季夜间温度和过渡季最多风向、风速和平均温度根据《中国建筑热环境分析专用气象数据集》提供的逐时气象数据统计得出。

建筑表面风压通过模拟项目所在小区的场地风环境得出。

CONTAM软件主要使用孔口阻力模型对各通路阻力特性 (如门、窗等) 进行描述。研究中, 门的流量系数取0.80, 指数取0.50;窗户流量系数取0.65, 指数取0.50。

过渡季自然通风时室内外温差不大, 因此室内发热量不考虑围护结构的传热及蓄热, 仅考虑太阳通过玻璃的直射辐射、人员显热负荷、照明及设备负荷。其中, 太阳直射辐射取过渡季12∶00～16∶00时逐时太阳辐射强度值。

计算模型中涉及的边界包括外墙、内墙、屋顶、外窗、外门、内门、内扰及地面等。

屋顶、外墙及内墙设置为第二类边界条件。

室内热扰包括人员、电脑、灯光发热。人员和电脑发热设置为单位体积设备发热量, 灯光发热量为单位面积发热量。

地面设置为绝热边界条件。

方案阶段采用CONTAM软件建立过渡季自然通风物理模型。各朝向开窗比例的设计建议如表3所示, 此时办公区的换气次数可达2.9～3.2次/h。

初步设计及施工图设计阶段采用CFD方法对南向开启扇和玻璃隔断开口的具体面积及位置进行详细计算, 建议南立面上下部均设置通风口, 且上下部通风开口错开。为将室外新风引入办公区域, 在玻璃隔断上方设置通风开口 (见图3) 。

夏季日间办公区空调运行时, 关闭玻璃隔断的通风开口, 只开启南立面外窗上部及下部的通风口, 利用烟囱效应排掉走廊内的热空气 (见图4, 5) 。此时, 走廊人行区温度为31.3～32.7℃, 比人员短期逗留区域空调室内设计参数高1.3～2.7℃。

过渡季及夏季夜间, 关闭南立面外窗下部的通风开口, 开启南立面外窗上部及防火隔断的开口, 在办公区形成较好的自然通风 (见图6, 7) 。过渡季自然通风计算统计结果如表4所示。夏季夜间 (19∶00～05∶00) 自然通风时, 办公区温度为24.6～25.4℃。

在保留原有立面体系及结构的前提下, 改造寒冷地区制衣车间的功能平面布局^[4]。为兼顾采光、降噪、通风、冬季采暖、交通流线等因素, 在南向采用玻璃隔断形成封闭式外廊。从方案到施工图设计阶段, 分别采用多区域网络模型法和CFD方法, 以快速响应建筑师在不同阶段的设计需求。

分析结果表明, 夏季日间关闭玻璃隔断的高侧窗, 开启南立面上下部的外窗, 引导外廊内热空气排出室外, 走廊人行区温度略高于人员短期逗留区域空调室内设计参数的要求, 具有降低温室效应的效果;过渡季及夏季夜间 (19∶00～05∶00) 开启南面下部的外窗及玻璃隔断的高侧窗, 在办公区形成类似置换的效果, 过渡季自然通风换气次数达2.9～8.4次/h, 人行区温度21.0～31.0℃, 夏季夜间办公区温度为24.6～25.4℃。