北大附小教学楼地道通风及诱导通风设计

摘要： 本文简要论述了在具体工程设计中，运用生态建筑中可采用的基本技术措施之一的诱导式自然通风和烟囱效应 及太阳集热器，实现所谓的“生态建筑”。先进的欧美国家已有很多好的生态建筑作品早已问世，而我国还处于初期发展阶段。本文中所介绍的设计也是对生态建筑 设计的一个探索和尝试。

关键词： 生态建筑 诱导式 自然通风 地道通风降温 空气品质

生态建筑的设计理念在国际上已被建筑设计师们所广泛关注，并归纳总结了一些可采用的技术措施，并正在通过点点滴滴的工程实践，合理地运用到生态建筑中。在 创造健康舒适的室内环境，满足人类对舒适环境需求的同时，最大限度地降低资源浪费和对自然环境的污染，保持和促进地球自然生态环境的平衡，提倡“人类建筑 与环境共生”的设计新理念。

本文结合工程设计实例，介绍了生态建筑中可采用的基本技术措施之一的诱导式构造技术。除此之外，技术措施还包括有绿化技术、太阳能利用、废物的回收循环利 用、生态建材的开发利用等方面。这些技术措施都要靠目前的技术条件，并结合本国国情，才能得以运用和实施。

1.工程概况：

建筑面积：12000㎡；建筑高度：22m；建筑层数：地上5层/地下一层（设备层）。

建筑分为主教学楼、南教学楼及宿舍三部分，地下设备层布置为通风机房、通风静压箱、消声砌体及库房，地上布置为教室、宿舍、餐厅、库房、多功能教室等，其 中教室面积约为6000㎡。2003年完成施工图设计。本文主要介绍地道通风降温及诱导通风系统的设计。

2.室内设计计算参数及负荷计算分析

2.1 室内设计参数：

2.2 负荷计算分析

首先需要分析北京地区的气候条件和学校建筑物的使用情况，利用逐时气象数据生成软件Medpha生成的北京地区的典型气温数据，根据教室的人员负荷和灯 光、设备负荷特点及学校的标准作息时间，利用建筑热环境模拟软件DeST计算出各房间的冷负荷数值。

计算结果发现，除宿舍楼外，其他建筑的房间高于29℃的时间比较一致：都出现在5月22日～9月6日（如图2-1）。考虑到暑假期间可不进行热环境控制，因此将实际需要进行夏季热环境控制的时间定在5月22日～7月10日。

图2-1 北大附小典型房间基础室温曲线

冬季模拟时间：与集中供暖时间相同：11月15日～3月11日。

2.3 夏季运行模式的确定

就主教学楼而言，虽然有不同使用功能、不同建筑位置的房间，但经过模拟发现，所有房间的负荷变化规律是一致的。

供冷期间，房间逐时负荷从0～43W/m2之间不等，而冷负荷大于25W/m2的时间只占整个供冷时间的22％。如采用固定的控制模式，在78％的时间内 都会出现严重的能源浪费。将负荷分为三个比较典型的负荷段：负荷大于25 W/m2的占22％、负荷在10W/m2～25W/m2之间的占36％、负荷小于10W/m2的占42％。与负荷相对应，风机选用三档变速风机。采用人工 控制的方法，根据当日气象预报数据或实际需要，选择相匹配的档位风机送风。这样一方面对初投资影响不大，另一方面可以大幅度地减少风机能耗。

; 综上所述，对于主教学楼应采用变速风机＋人工控制的分阶段控制模式。

3.地道通风降温系统及诱导式通风系统：

为了充分利用土壤的蓄热（冷）能力，节省不可再生能源（人工制冷）的消耗，保护生态环境、减少空气污染，本设计力图尽可能地利用可再生的洁净自然能源 （风、光、热）。由于夏季制冷能耗大于冬季供暖能耗，故为教室设计了地道通风降温及诱导式通风系统，以满足教室通风换气和降温，达到改善室内热环境及空气 品质的要求，并使教室在不开窗时CO2浓度低于1.5‰，这是传统的人工制冷系统（空调器）所不能做到的。为了降低建筑物能耗，对围护结构热工设计进行优 化，既建筑专业采取了隔热、保温、遮阳等节能措施。外墙的传热系数达到了0.60W/(㎡.K)。

通过对本建筑物各方面进行的模拟分析，预测本建筑物全年冬季采暖逐时热负荷和夏季空调逐时冷负荷，确定出了合理的环境控制方案；预测室内温度场和气流组织 状况；利用地道降温系统全年非稳态程序，根据冷负荷曲线，预测计算地道风提供的冷量和逐时的出口风温，保证地道提供的冷量曲线高于建筑物的负荷曲线。

3.1 地道通风降温系统

北大附小教学楼采用地道通风降温系统作为主冷源，根据建筑物逐时动态负荷确定地道几何尺寸，使地道通风能在供冷季提供建筑物所需冷量，维持室内良好的热环境。

3.1.1 地道设计方案

根据北京地区土壤温度随深度的变化情况，4m深处土壤温度年波动幅度已经比较小（波幅3℃左右），因而上层预制混凝土埋管中心深度定为4m，使用钢筋混凝 土预制管，内径1.2m，水平布置，管道间中心间距2.4m。考虑到地道建成后的维护，方便维修人员的进入，因此选用内径为1.2m的管道。

在模拟计算中，通过优化控制方案，尽量使计算地道冷源系统提供的总冷量曲线接近所有建筑物需要的冷负荷曲线，以求得满足冷量需求的最短地道长度，最大限度地降低初投资。

图3-1 地道布置示意图 3-2 地道埋管布置示意图

设计结果如下：总计需要四根埋管，其中一根埋管供南教学楼，三根埋管供主教学楼，在主教学楼和南教学楼地下层分别设置机房，为主教学楼和南教学楼送风（如图3-1）。 埋管布置方案为上下层各布置两根埋管（如图3-2），地道长度为290米/根。

3.1.2 地道夏季运行模式

如前所述，地道降温系统使用期定为5月21日～7月10日，共51天。每天通风时间按照早9：00～晚17：00考虑。

根据建筑物所需冷负荷及新风量的要求，使用三档变转数风机控制地道内的通风量，实现分阶段控制方案。根据室外的气象参数和地道出口空气温度来确定风机的运 行工况。经计算教室的最大冷负荷为200KW，系统总设计风量为89000m3/h，地道送风温度为20℃。地道降温系统选用的风机为三档变转数风机，可 满足90%以上时间房间温度控制在29℃以下。

3.1.3 地道冬季运行模式

地道通风系统在冬季作为地道预热系统：一方面将室外的低温空气引入地道，使地道的温度降低以保证地道在夏季的冷却能力；另一方面通过地道预热室外新鲜空 气，改善房间的空气质量。4m埋深下土壤温度在11月～2月均高于室外气温，所以在11月～2月可以通过地道通风或敞开地道口进行蓄冷以保证第二年的供冷 效果不会降低。

3.1.4 机房布置

&nbs p; 机房设于建筑物内的地下室。机房内设置风机，静压箱，消声砌体、初效过滤器等。风机作减震处理。室外空气经过埋管，经风机加压后送至静压箱，然后通过水平送风道送至送风竖井，再送至各房间。

3.2 诱导式通风系统

主教学楼的南侧教室考虑采用诱导式排风系统——通过烟囱效应和太阳集热器（涂成黑色的坡屋顶）尽可能吸收太阳辐射热，加热流过其中的空气，扩大与室外空气 的温差，形成并强化热压拔风作用，进而对房间内的空气产生有效的抽拔作用，从而保证教室内能形成稳定的气流组织形式。

由于诱导式通风系统较依赖于室外气象条件，并且提供的拔风动力较小，为了确保排风效果，同时安装机械排风系统（如图3-3）。

图3-3 主教学楼通风系统示意图

3.2.1 机械送风系统设计

地道风通过送风竖井，送至各教室，为了确保机械送风系统能满足各个教室风量要求，在建筑投入正式使用前，必须进行初调节，使各房间的风量分配满足使用要求。

3.2.2 机械排风系统设计

房间内污浊空气通过排风口引至排风道内，经排风机排出室外。空心夹层墙排风道在设计上需要兼顾诱导式通风、建筑物采光和外立面外观的要求，经计算校核，设计墙体空腔尺寸为600mm×500mm，每间教室对应三个空心夹层墙排风道。

当采用诱导式自然排风时，地道送风系统处于低档运行，此时开启排风电动百叶窗，并关闭排风机。南向教室在设计诱导式自然排风系统的同时还并联设计机械排风 系统，当太阳辐射较弱或地道送风系统处于中、高档运行时，开启排风机，并关闭排风电动百叶窗。北向教室的排风直接通过排风机排出室外。

4.室内气流组织设计

由于教室里人员的位置固定，而且又是小学生，因此房间气流组织的设计尤其重要。而合理的风口设计可以实现良好的房间气流组织。房间的风口设计是根据房间的气流组织设计而决定的。

经多方案比较并利用流体力学PHOENICS模拟软件，预测室内温度场和气流组织状况（如图4-1），上送上排通风形式能形成良好的室内气流组织分布。新 鲜冷空气从上部送出后，下沉至房间底部，在下沉的过程中气流扩散掺混，风速衰减，温度上升至学生活动区域时，温度在24℃左右，风速在0.2米/秒左右， 达到人体热舒适的标准。下沉的空气遇到热源时，靠室内发热源的热力作用又以自然的形式使室内的余热和污浊空气向上漫漫浮起，移至房间上方，通过排风口排出 教室。这种通风方式为由热压驱动引起的自然对流，仍是一种置换通风方式。

需要注意的是，该送风方式，有可能出现当送风风速过小时（风机运行在低中档），冷气流下坠过快，出现部分区域低温度高风速的情况，使该区域舒适度不满足要 求。因此在送风口设可调节角度的水平百叶，以便当送风速度变化时相应进行调节送风角度，以保证室内的舒适度。

图4-1 百叶30°夹角上送上排置换通风教室温度场模拟结果

结束语：

以上简要论述了生态建筑中地道通风降温系统、诱导式自然通风系统和烟囱效应的运用。设计中力求达到节能、减少污染的目的。这种通风方式，一方面改变了教室 内的空气品质，满足了教室降温的要求；另一方面又节约了夏季所需的制冷能源，创造了一个即自然又舒适的学习环境。既利用了可再生能源，又保护了生态环境， 实现了可持续发展的目的。虽然该系统的初投资较高（主要高于预埋管道的敷设方面），但仍是一个经济上可行的方案。同时本设计的出发点是使业主获得一个低能 耗和低运行费的“生态建筑”。设计过程中应与建筑专业密切配合，尽量减少建筑物的体形系数，减小外围护结构的传热系数，利用双层外墙和多层外窗尽可能减少 散热量，实现低能耗。

在本 项目的设计过程当中，得到了清华大学建筑环境与设备研究所的大力支持，在此深表感谢。由于笔者水平有限，设计中尚有不妥之处，敬请广大同仁批评指正。