高校旧厂房改造工程中的自然通风设计.pdf

'４２暖通空调ＨＶ＆ＡＣ２０１１年第４１卷第４期高校旧厂房改造工程中的自然通风设计＊内蒙古工业大学内蒙古绿色建筑工程技术研究中心唐汝宁☆内蒙古工业大学马卿摘要通过对内蒙古工业大学建筑馆自然通风系统的分析，阐述了旧厂房改造中室内通风设计充分利用原有建筑构件，如烟囱、地道、排风管道等，结合金属孔板、通风口、通风竖井、可开启窗等，强化室内自然通风效果，使室内通风设计达到生态、节能、环保的目的。关键词自然通风建筑节能改造工程Ｎａｔｕｒａｌｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｆｏｒａｎｏｌｄｆａｃｔｏｒｙｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｐｒｏｊｅｃｔｏｆｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ★ＢｙＴａｎｇＲｕｎｉｎｇａｎｄＭａＱｉｎｇＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｒｏｕｇｈａｎａｌｙｓｉｎｇｔｈｅｎａｔｕｒａｌｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｏｆｔｈｅＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅＢｕｉｌｄｉｎｇｏｆＩｎｎｅｒＭｏｎｇｏｌｉａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｄｅｓｃｒｉｂｅｓｔｈｅｉｎｄｏｏｒｎａｔｕｒａｌｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｏｌｄｆａｃｔｏｒｙｂｕｉｌｄｉｎｇｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｐｒｏｊｅｃｔｂｙｍａｋｉｎｇｆｕｌｌｕｓｅｏｆｔｈｅｏｒｉｇｉｎａｌｂｕｉｌｄｉｎｇｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，ｓｕｃｈａｓｃｈｉｍｎｅｙｓ，ｔｕｎｎｅｌｓ，ｅｘｈａｕｓｔｐｉｐｅｓ，ｅｔｃ．，ｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｍｅｔａｌｐｅｒｆｏｒａｔｅｄｐｌａｔｅｓ，ｖｅｎｔｓ，ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎｓｈａｆｔｓ，ｏｐｅｎａｂｌｅｗｉｎｄｏｗｓ，ａｎｄｓｏｏｎ，ｔｏｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｉｎｄｏｏｒｎａｔｕｒａｌｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎａｎｄａｃｈｉｅｖｅｔｈｅｐｕｒｐｏｓｅｏｆｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ，ｅｎｅｒｇｙｓａｖｉｎｇａｎｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｆｒｉｅｎｄｌｙｉｎｄｏｏｒｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｎａｔｕｒａｌｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ，ｂｕｉｌｄｉｎｇｅｎｅｒｇｙｓａｖｉｎｇ，ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｐｒｏｊｅｃｔ★ＩｎｎｅｒＭｏｎｇｏｌｉａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｏｈｈｏｔ，Ｃｈｉｎａ①２，由位于西南角的一个独立厂房和一组１工程概况３０００多ｍ内蒙古工业大学建筑馆（见图１）的前身是建丁字形厂房组成。由于原厂房层高较大，出于使用于上世纪７０年代的生产铸造工件的校办工厂。随功能的需要，改建时对厂房内部空间做了夹层，其着学校办学方向的改变，厂房早已废弃，面临拆除，中，檐口标高９．８１ｍ的独立厂房被改造成报告厅由于新建筑馆建设的需要和资金的制约，旧厂房获和２层结构的物理试验室；檐口标高１６．４９ｍ的丁得了再生。字形厂房被改造成３层结构的建筑学院教学和行政办公楼，建筑馆总平面如图２所示。改建后，根据现有功能区间划分和楼层划分，建筑馆建筑面积达到５８００ｍ２。整个改建工程难能可贵之处在于设计人员根据呼和浩特地区的气候特点，在设计时充分考虑了建筑的生态效应，使建筑物的交通流线、功能区划、图１内蒙古工业大学建筑馆①☆唐汝宁，女，１９６５年６月生，硕士研究生，教授，硕士生导师０１００５１内蒙古自治区呼和浩特市内蒙古工业大学建筑学院铸造车间厂房为单层单跨形式，建筑面积（０）１３０７４７３０６８６Ｅ－ｍａｉｌ：ｔａｎｇｒｕｎｉｎｇ＠１６３．ｃｏｍ收稿日期：２０１０－０６－１８＊国家自然科学基金资助项目（编号：５０９６８０１０），内蒙古工业一次修回：２０１０－０９－２０大学建筑学绿色建筑创新团队资助项目（编号：ＣＸ２００９０７）二次修回：２０１１－０２－２８ ２０１１（４）唐汝宁，等：高校旧厂房改造工程中的自然通风设计４３管道以及庭院中２２ｍ高的烟囱组成，管道连接方式如图３所示。室内外通风管道的断面尺寸均为６００ｍｍ，室外通风管道上设有手动多叶调节阀１，２（见图４），其中手动多叶调节阀１安装在连接烟囱的竖向管段上，手动多叶调节阀２安装在与室内排风管道等高的室外水平排风管道上，随着季节变化手动调节阀门开启方向，从而保证室内热压通风效果处于最佳状态。图２建筑馆总平面围护结构构造以及建筑物细部构件等均体现出了生态、节能、环保的理念，本文主要介绍建筑馆自然通风系统的设计。２报告厅通风系统报告厅是一栋相对独立的单层建筑物，建筑面积２２０ｍ２，檐口标高９．８１ｍ，内部空间开敞，设有２２４个座位。外墙上设计有上下两层窗户，上层窗不可开启，主要用于采光，下层窗可打开，在过渡季节或夏季进行通风。热压、风压通风和室内通风换［１－２］气量计算公式见式（１）～（３）。Δｐ＝Ｈ（ρ图３报告厅通风管道连接平面示意图ｗ－ρｉ）ｇ（１）式中Δｐ为热压，Ｐａ；Ｈ为进、排风口中心线间的垂直距离，ｍ；ρ为室外空气密度，ｋｇ／ｍ３；为室内ｗρｉ空气密度，ｋｇ／ｍ３；ｇ为自由落体加速度，ｍ／ｓ２。２Ｋｖｗρｗｇｐｆ＝（２）２式中ｐ为风压，ｋｇ／ｍ２；Ｋ为空气动力系数；ｖｆｗ为未受扰动来流速度或空气风洞速度，ｍ／ｓ。ＱＧ＝（３）ｃｐ（ｔｐ－ｔｎ）式中Ｇ为换气量，ｋｇ／ｓ；Ｑ为室内散热量，ｋＷ；ｃｐ为空气比定压热容，ｋＪ／（ｋｇ·℃）；ｔｎ为室内温度，℃；ｔｐ为天窗排风温度，℃。图４报告厅通风系统运行模式示意图由式（１）可知，密度差和高度差是影响热压通２．２报告厅通风系统运行模式风的两个因素，利用尺寸为２．１ｍ×２．４ｍ的报告１）夏季，室内外温差较小，热压作用相应减厅入口作为进风口，位于梁下接近屋顶距地面７ｍ弱，在报告厅内部，随着热空气向上流动，上层空间的排风管道作为排风口，凭借进排风口之间近６ｍ气体压力不断增大，为了利用热压及时将空气中的的高差，热空气向上浮动，室内气流形成自然流动。热量和室内聚集的ＣＯ２排出，使身处报告厅中的报告厅热压通风的目的是满足全年室内通风人感到舒适，此时关闭阀门１，开启阀门２，引导气和供冷季降温的要求，以及在室内人员密度大时改流直接经室外排风管道排至大气（如图４所示）。善空气质量，维持良好的室内热环境。２）冬季，出于保温和舒适的考虑，报告厅在使２．１通风设计方案用时入口及底层窗户大部分时间处于关闭状态，虽报告厅通风系统主要由贯穿于室内外的通风然室内外温差较大，但是进风量减少，此时开启阀 ４４暖通空调ＨＶ＆ＡＣ２０１１年第４１卷第４期工程实例门１，关闭阀门２，利用烟囱增大进排风口间的高选取夏季及冬季９６ｈ室内外空气温度测试数差，从而加大热压作用力和保证室内的通风换气量据，根据式（１）～（３）计算得到报告厅夏季、冬季热（如图４所示）。压通风作用力和通风量，见表１。表１报告厅夏季、冬季热压通风测试结果统计测试时间室内空气平均室外空气平均室内空气密度／室外空气密度／进排风口中心线间热压作用力／通风量／温度／℃温度／℃（ｋｇ／ｍ３）（ｋｇ／ｍ３）垂直距离／ｍＰａ（ｋｇ／ｓ）２００９年７月１５－１９日３０．６２８．０１．１６５１．１７３６．００．４９１．６５２０１０年１月９－１３日２０．５－１０．０１．２０５１．３４２６．０８．０４１．６５３丁字形教学楼通风系统的作用，还使这些房间与外界连通，方便空气流通。教学楼内部空间极富通透感，窗户选用了可开另外，站在一区过道向上看，该处空间犹如一个通启下悬窗，矩形天窗为电动开启式天窗，建筑馆南风竖井，一直通到建筑物上层空间，这样的构造亦侧、西侧是操场，无高大建筑物遮挡，鉴于此，通风可强化室内自然通风作用力（如图６，７所示）。系统设计秉承着生态、节能的设计思想，以自然通风为主，利用风压和热压的共同作用，达到组织室内气流通风的目的。３．１送风系统从生态、节能的角度出发，教学楼通风设计使用了原铸造车间用于输送铸件的地下通道，其截面积为４ｍ２（图５加斜线部分为地下通道）。设计２个地道风引入口，分别设在建筑物外南北两立面下方，室内送风口分布在二区地面，共３个。室外空［３］气通过地下通道时与土壤换热，然后送入室内。通过冬、夏典型季节送风口处９６ｈ的空气温度测量数据可知，平均送风温度分别为１２．１℃和２７．２图６一区Ｃ－Ｃ剖面自然通风示意图℃。图７一区Ｄ－Ｄ剖面自然通风示意图图５教学楼地道送风系统示意图３．３二区通风系统设计除此之外，教学楼主入口、次入口以及下悬窗、二区分布有咖啡厅、台球厅、专业教室、教研天窗等也是新风入口，可在室外气候条件适宜时开室、学院办公室和计算机教室等房间，室内空间依启进行自然通风。然延续通透的设计风格，下悬窗、电动开启天窗的３．２一区通风系统设计设计亦与一区相同，不同的是在改建时把东北方向一区南侧从下到上依次是图书阅览室、评图室原铸造锅炉的两根钢烟囱保留了下来，从底贯穿到和美术教室，其中东向、北向围护结构开有通风口，屋顶的烟囱不仅传达了机械美学与工业秩序的独图书阅览室和评图室之间的南向墙体留有贯通１～特空间氛围，还发挥了烟囱效应，被赋予强化室内３层的通道，这些围而不封的围护结构非常有利于通风的新使命（如图８所示）。气流流动；１层书店和图档资料室的南侧外墙靠下为了增强室内热压通风效果，两根烟囱底部开部位特别做了镂空艺术设计，不但起到了美化墙面敞，在２层位置处每根烟囱圆柱形筒壁上开有竖向 ２０１１（４）唐汝宁，等：高校旧厂房改造工程中的自然通风设计４５根据图９，通过比较室外空气温度ｔ１、室内空气温度ｔ２、烟囱下部空气温度ｔ３和风帽处空气温度ｔ４可知：１）白天，无论冬夏，在强烈太阳辐射作用下，风帽附近空气温度ｔ４最高，各温度之间关系为冬季ｔ４＞ｔ２≈ｔ３＞ｔ１，夏季ｔ４＞ｔ１＞ｔ２≈ｔ３。因此，由于［４］太阳辐射的作用，热气流始终向上流动。图８二区Ｅ－Ｅ剖面自然通风示意图２）夜晚，无论冬夏，虽然风帽附近空气温度逐渐降低，但是室内空气对流换热仍在继续，依靠热百叶式通风孔，用于与室内通风换气，靠南的烟囱压的作用，气流流动方向保持不变。还连接了一根通向计算机教室的通风管，用来排除室内通风换气量随着风帽附近空气温度和室计算机教室在使用时产生的热量（如图９所示）。内高层处流体温度的升高而增大，反之亦然，这正好符合建筑物白天对换气量要求大的使用性质。由于烟囱截面积相对于室内空间而言较小，在空气流量相同的情况下，通过不可压缩流体连续性方程可知，烟囱内部气流流动速度大于烟囱外部的室内［５］其他区域，因此，室内空气极易被吸入，这对于诸如咖啡厅、计算机教室等易产热的房间的通风降噪十分有利。为了验证丁字形教学楼通风系统的设计效果，选取夏季及冬季９６ｈ室内外空气温度测试数据，应用式（１）计算得到教学楼夏季、冬季热压通风作图９二区室内烟囱区域自然通风示意图用力和通风量，见表２。表２教学楼夏季、冬季热压通风测试结果测试时间室内空气平均室外空气平均室内空气密度／室外空气密度／进排风口中心线间热压作用力／通风量／温度／℃温度／℃（ｋｇ／ｍ３）（ｋｇ／ｍ３）垂直距离／ｍＰａ（ｋｇ／ｓ）２００９年７月１５－１９日３０．３２８．０１．１６５１．１７３１３．３１．０８５．４７２０１０年１月９－１３日１９．８－１０．０１．２０５１．３４２１３．３１７．８４５．４７３．４通风对供暖系统的影响筑冬季室内供暖温度的要求。教学楼冬季供暖设计有两种形式：１层采用机２）经济。与地板辐射供暖相比，散热器供暖械循环低温热水地板辐射供暖；２，３层采用机械循具有易于施工、方便维修、成本较低等优势，教学楼环普通散热器热水供暖。地热盘管和散热器的结有两层采用散热器供暖，大大降低了工程建设成本合能够充分发挥每一种供暖形式的优势，在本工程和建筑物在使用过程中的运行维护成本，经济性不中具有如下三方面的优点：言而喻。１）节能。考虑教学楼内部空间特点和１层热３）美观。教学楼１层散热设备藏于地面之负荷相对较大等因素，１层供暖设计采用地面温度下，２，３层散热设备放置在建筑物尽头，供暖设备分配均匀、符合人体散热要求、不占用室内空间的的设计不影响室内物品摆放，室内空间利用率高，低温热水地板辐射供暖系统。由于热气流向上流对空间整体艺术效果影响较小。动，供暖设计热负荷逐层降低，以及２，３层搭建楼此外，连接散热器的管道明装于室内且未作保板不具备地板辐射供暖施工条件等原因，２，３层选温处理，这种做法有两个好处：一是热媒在管道中用散热器供暖。２０１０年１月９－１３日各层室内温输送时能直接把损失的热量释放到室内，作为加热度的测试数据显示，１～３层冬季平均室内温度差热源；二是明装架空管道与整个建筑风格一致，在别不大，平均值为１９．８℃，达到国家标准对公共建（下转第６２页） ６２暖通空调ＨＶ＆ＡＣ２０１１年第４１卷第４期技术交流际效果，无论是用于新建建筑设计还是用于改建建物；使用方便，扩展性强。有简易版、基本版、专业筑设计都能起到很大的参考作用。版３个版本。软件还可以计算ＰＡＬ和ＣＥＣ值。６．３建筑寿命周期能源管理ＬＣＥＭ（ｌｉｆｅｃｙｃｌｅ７结论ｅｎｅｒｇｙｍａｎａｇｅｍｅｎｔ）软件综上所述，在日本，节能减排不仅仅是开发和ＬＣＥＭ软件由公共建筑协会（社团法人）开发，采用新技术、新产品，更重要的是要落实在节能效由日本国土交通省于２００８年公开。是在从设计、施果的检验上。归纳为以下几点。工、调试到运营管理的整个建筑物寿命周期内都可７．１节能不仅是一个目标和口号，而且已经以法以使用的空调系统能耗模拟计算软件。各种空调部律法规进行限制的形式贯彻到了各企事业单位。件都被模型化，可以随意组成空调系统。公开后也对于企事业单位，已有具体的节能指标和奖惩制经过了几次版本更新，除了制冷机、锅炉、热泵、冷却度；对于家庭，有各种低成本、短回收期的节能产品塔、水泵、空调机等常用设备和控制模式以外，现版可供选择。本（３．０２）还包括了冰、水蓄冷，废热回收，介质除湿，７．２节能贯穿了包括规划、设计、施工、管理运行太阳能等各种节能设备。其特点在于：的建筑物的整个寿命周期。因而，建筑寿命周期的１）可计算部分负荷时的能耗。节能和评价尤为重要。２）可模拟计算空调设备的性能。７．３运行管理中的节能的重要程度不次于采用节３）可模拟不同气象条件、运行条件、控制模式能设备，越来越得到重视。其中，设备自动控制和下的能耗。中央监控已发展到建筑节能环境管理系统ＢＥＭＳ，由此，输入一年的气象数据（上述软件都有日它是运行管理节能中的重要工具。本各地的典型代表年的气象数据）和一年的空调负７．４性能检证可在建筑物寿命周期中的各个阶段荷（可用ＨＡＳＰ等软件计算），就可模拟出一年的提供如何最大程度节能的专业服务。能耗曲线。７．５日本的各节能有关机构都公开发布了能源消６．４建筑能源模拟工具ＢＥＳＴ（ｂｕｉｌｄｉｎｇｅｎｅｒｇｙ耗量、ＣＯ２排放量模拟计算软件。为节能规划、节ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｏｏｌ）能管理提供了工具。ＢＥＳＴ是集日本国土交通省、民间企业和大学的力量为一体，共同开发的建筑耗能模拟软件。它旨在改进并代替在日本已使用３０年以上的负荷和耗能模拟软件ＨＡＳＰ／ＡＣＬＤ，ＡＣＳＳ，模拟计算建筑物的总能耗量和ＣＯ２总排放量，优化建筑物的节能减排方案。该软件能模拟相邻房间的影响，计算时间间隔可短达１ｍｉｎ；可计算世界各地的建筑檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾（上接第４５页）参考文献：和谐美观之余降低了建设成本，减少了施工工作［１］柳孝图．建筑物理［Ｍ］．２版．北京：中国建筑工业出量。版社，２００２［２］彭小勇．自然通风计算方法和计算参数的应用研究４结语［Ｊ］．暖通空调，２０００，３０（６）：２７－２９通过内蒙古工业大学原有校办工厂铸造车间［３］林其静．北大附小教学楼地道通风及诱导通风设计改造为建筑馆的自然通风设计实例，充分说明利用［ＯＬ］．ｈｔｔｐ：∥ｗｗｗ．ｉｃｃｃｓ．ｃｎ／Ａｒｔｉｃｌｅ／ｊｓｌｗ１／２００７０７／既有建筑构筑物进行室内通风系统的被动式通风６８＿２．ｈｔｍｌ．２００７－０７－２０设计，不仅能改善室内空气品质，满足通风降温要［４］鲍莉，羊烨．既有建筑改造应用自然通风技术———以东求，同时能减少能源消耗，降低环境污染。现场测南大学前工院为例［Ｊ］．建设科技，２００９（１２）：６８－６９试结果表明该建筑通风效果良好，通风量满足教学［５］蔡增基，龙天渝．流体力学泵与风机［Ｍ］．４版．北用建筑的要求，达到了节能的目的。京：中国建筑工业出版社，２００５'