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摘要：本文介绍了超高层项目利用可开启外窗进行自然通风的应用可行性，本文主要对超高层建筑设置开启扇进行自然通风的安全性、对室内环境舒适性的影响及对空调系统的影响等方面进行分析，讨论超高层建筑采用可开启外窗进行自然通风的适用性。
关键词：可开启外窗、自然通风
中图分类号： TD724 文献标识码： A 文章编号：
一、概述
随着社会经济的发展，超高层建筑越来越多，环境污染的日益严重，能源亦过度消耗，国家对超高层建筑的节能减排的要求越来越严，作为城市建筑中的耗能大户，其中50%以上的能耗集中在空调系统中，故国家和地方政府均根据各地的具体情况出台了一系列关于超高层建筑的节能设计规范和相关要求。
其中有些节能规范或节能措施的具体要求超高层建筑外墙必须按一定比例设置可开启外窗，目的是为了在春、秋季节和冬、夏季的某些时段开窗加强房间通风，开窗房间通风能带走室内热量，节约能源， 且可以改善建筑热环境，是节约空调能耗最为简单、经济，具有良好效果的一项具有强制性要求的技术措施。
但是在实际设计过程中发现要执行该要求困难重重，本文主要对超高层建筑设置开启扇进行自然通风的安全性、对室内环境舒适性的影响及对空调系统的影响等方面进行分析，讨论超高层建筑采用可开启外窗进行自然通风的可行性。
超高层建筑设置可开启外窗的安全性分析
超高层建筑设置开启扇安全性主要体现在幕墙上， 而幕墙的安全事故主要涉及以下三个因素：玻璃板块的破损、框架组件的损毁和连接框架组件的连接件出现损毁。
原则上以上三个事故因素都可以通过事先适当的分析与幕墙系统设计和适当的日常保修和维护更能起着维持幕墙系统的安全和效率。但任何分析和设计都不足以完全避免日后幕墙系统的损坏和安全设施上的失效。
无论选择任何形式的开启窗：如上悬窗, 平开窗，双悬窗，低矮窗台，百叶窗等，开启窗的机械装置方式均是整个开开后窗系统的关键所在。由于玻璃是由铝框架支撑，再由窗框的机械装置连接及锁紧固定开启部分，同时允许两者间的脱离和运作。故所有窗户飞脱的个案中，都包括了限位支撑及窗铰的损坏，窗户飞脱及玻璃被捣毁，如上海的汇亚大厦 、中建大厦、宏伊广场等项目的可开启窗飞脱。
由于上述原因，即使设置了可开启外窗的超高层项目在投入使用后，为避免安全事故的发生，所有外窗均认为进行锁死，在超高层项目设置可开启外窗进行自然通风的设计均未实现其设计预期。
可开启扇对室内舒适度影响及其可行性
超高层项目可开启外窗的设计主要是为了自然通风，提供充足的新鲜空气以保持室内的热舒适性在可接受的范围内。但在ASHRAE基础手册中的空调系统设计要求室内气流速度不能超过0.5m/s。一般情况下，办公室中的气流速度大概在1m/s左右。另外一份ASHRAE 55-2004标准中，条款5.2.3说明，在考虑室内环境舒适性的情况下，室内气流速度不应高于0.8m/s。因为过高的室内气流速度将会导致下列问题： 风吹感引起不舒适或吹飞纸张与头发，影响工作 (办公室更为重要) 。因此，以维持可接受的室内风速来决定可开启式窗户的面积及位置，是保证适当的室内风环境条件。
例如根據深圳某超高层建筑的建筑条件和深圳经济特区技术规范SZJG29—2009《公告建筑节能设计标准》深圳市实施细则，假设透明幕墙具有10%的透明面积可开启，以核算最大的可开启部分自然通风的影响范围。用以核算建筑透明幕墙10%可开启面积的最佳节能经济效益。
根据不同高度风速的不同，在此，选取几个典型的高度段50%风频情况下进行分析：
考虑在50%风频的情况下，100米高度的风速约为3.2 m/s，建筑窗墙比为40%，10%的透明幕墙可开启，根据国内透明幕墙开启度的规定，透明幕墙的最大可开启值取，开启度15度，开启距离300mm的二者中的最小值，由此，计算得出办公层的有效通风面积约为该层外围护结构面积的0.4*0.1*（1-cos15）=0.136%。
标准层围护结构外表面面积A=241.2*4.5=1085.4㎡
有效通风面积A1=1085.4*0.136%=1.48㎡
有效通风量Q=1.48*3.2*3600=17049.6m3/h
根据深圳典型年气象参数，其中深圳3月到11月的最高平均气温较高，不适合做自然通风。只有冬季12月到次年2月气温较为温和，可考虑采用自然通风。考虑办公室的开放时间为日间，故此，自然通风设计以月平均最高气温作为设计参考值。即21.5°C作为参考温度进行研究。
下图是深圳市典型年气象参数
在室外月平均最高气温为21.5°C时，在人员热舒适度达到90%的情况下，自然通风条件下，最高室内温度不可超过26.5°C。此条件作为自然通风的设计标准。但考虑到办公层层高较低，热浮效应差，气流寿命周期短，故对其排气温度进行1°C的修正，即自然排气温度约为25.5°C。此时：
自然通风带走有效热负荷为1.48*3.2*1.205*1.005*（25.5-21.5）=23kW
则自然通风能够作用面积（节省空调的使用面积）23*1000/150=153m2
自然通风作用于窗内的进深：153/241.1=0.63
标准层体积V=（3855-1060）*4.5=12577.5m3
自然通风在不同高度的服务面积和节能效率：
从上述计算分析显示，该本项目在各层采用自然通风策略的优势较少，主要原因如下:
建筑办公层自然通风的服务进深较小，节能效果不显着。
自然通风策略需要连同实际空调系统的运作配合，才能达到节能效果。由于建筑各办公层自然通风的服务进深较小，约为0.5-1.5 m，根据空调系统进风口的设计，难于实现外部1.5 m范围内自然通风，而内区同时进行新风冷却。
分析基于建筑的各个方位立面均具有垂直于该面向室内的50% 风频时的风速，根据风气流特点，实际等效的有效通风面积将会折减，即等效自然通风服务面积、自然通风服务进深以及自然通风节能率也均相应折减；
基于外界自然风环境的不稳定性、自然服务进深小以及实际空调系统自然通风与非自然通风的服务范围的难控性。当室外可采用自然通风时，也不能直接关掉自然通风范围，无法有效达到空调系统节能之效。
故在超高层项目中利用外窗进行自然通风的节能效果并不明显，因为超高层项目大多为写字楼，办公区的的通风环境在考虑人舒适度及安全后，通风风速受限，通风效果下降。
四、总结
综上所述，在设计过程中对超高层项目设置可开启外窗进行自然通风需要慎重考虑，不能简单地从字面上执行国家及地方关于外墙设置开启窗户的标准或要求，不同的项目应从技术安全角度、技术节能效果或外观设计角度等方面进行专项论证其可行性和必要性，并采取优秀先进的设計手法与技术措施，使项目在各方面达到合理，经济，节能。节能应从项目整体考虑，对建筑外围护结构形式、材料及机电系统等各方面进行综合节能设计考虑，使项目的综合节能效果最优。
参考文献：
陆耀庆主编 实用供热空调设计手册(第二版) 中国建筑工业出版社
《公共建筑节能设计标准-深圳市实施细则 》– SZJG29-2009
全国民用建筑工程设计技术措施，中国计划出版社，2003年
中华人民共和国国家标准：民用建筑供暖通风与空气调节设计规范（GB50736-2012）
中华人民共和国国家标准：通风与空调工程施工质量验收规范（GB50243-2002）
关键词：可开启外窗、自然通风
中图分类号： TD724 文献标识码： A 文章编号：
一、概述
随着社会经济的发展，超高层建筑越来越多，环境污染的日益严重，能源亦过度消耗，国家对超高层建筑的节能减排的要求越来越严，作为城市建筑中的耗能大户，其中50%以上的能耗集中在空调系统中，故国家和地方政府均根据各地的具体情况出台了一系列关于超高层建筑的节能设计规范和相关要求。
其中有些节能规范或节能措施的具体要求超高层建筑外墙必须按一定比例设置可开启外窗，目的是为了在春、秋季节和冬、夏季的某些时段开窗加强房间通风，开窗房间通风能带走室内热量，节约能源， 且可以改善建筑热环境，是节约空调能耗最为简单、经济，具有良好效果的一项具有强制性要求的技术措施。
但是在实际设计过程中发现要执行该要求困难重重，本文主要对超高层建筑设置开启扇进行自然通风的安全性、对室内环境舒适性的影响及对空调系统的影响等方面进行分析，讨论超高层建筑采用可开启外窗进行自然通风的可行性。
超高层建筑设置可开启外窗的安全性分析
超高层建筑设置开启扇安全性主要体现在幕墙上， 而幕墙的安全事故主要涉及以下三个因素：玻璃板块的破损、框架组件的损毁和连接框架组件的连接件出现损毁。
原则上以上三个事故因素都可以通过事先适当的分析与幕墙系统设计和适当的日常保修和维护更能起着维持幕墙系统的安全和效率。但任何分析和设计都不足以完全避免日后幕墙系统的损坏和安全设施上的失效。
无论选择任何形式的开启窗：如上悬窗, 平开窗，双悬窗，低矮窗台，百叶窗等，开启窗的机械装置方式均是整个开开后窗系统的关键所在。由于玻璃是由铝框架支撑，再由窗框的机械装置连接及锁紧固定开启部分，同时允许两者间的脱离和运作。故所有窗户飞脱的个案中，都包括了限位支撑及窗铰的损坏，窗户飞脱及玻璃被捣毁，如上海的汇亚大厦 、中建大厦、宏伊广场等项目的可开启窗飞脱。
由于上述原因，即使设置了可开启外窗的超高层项目在投入使用后，为避免安全事故的发生，所有外窗均认为进行锁死，在超高层项目设置可开启外窗进行自然通风的设计均未实现其设计预期。
可开启扇对室内舒适度影响及其可行性
超高层项目可开启外窗的设计主要是为了自然通风，提供充足的新鲜空气以保持室内的热舒适性在可接受的范围内。但在ASHRAE基础手册中的空调系统设计要求室内气流速度不能超过0.5m/s。一般情况下，办公室中的气流速度大概在1m/s左右。另外一份ASHRAE 55-2004标准中，条款5.2.3说明，在考虑室内环境舒适性的情况下，室内气流速度不应高于0.8m/s。因为过高的室内气流速度将会导致下列问题： 风吹感引起不舒适或吹飞纸张与头发，影响工作 (办公室更为重要) 。因此，以维持可接受的室内风速来决定可开启式窗户的面积及位置，是保证适当的室内风环境条件。
例如根據深圳某超高层建筑的建筑条件和深圳经济特区技术规范SZJG29—2009《公告建筑节能设计标准》深圳市实施细则，假设透明幕墙具有10%的透明面积可开启，以核算最大的可开启部分自然通风的影响范围。用以核算建筑透明幕墙10%可开启面积的最佳节能经济效益。
根据不同高度风速的不同，在此，选取几个典型的高度段50%风频情况下进行分析：
考虑在50%风频的情况下，100米高度的风速约为3.2 m/s，建筑窗墙比为40%，10%的透明幕墙可开启，根据国内透明幕墙开启度的规定，透明幕墙的最大可开启值取，开启度15度，开启距离300mm的二者中的最小值，由此，计算得出办公层的有效通风面积约为该层外围护结构面积的0.4*0.1*（1-cos15）=0.136%。
标准层围护结构外表面面积A=241.2*4.5=1085.4㎡
有效通风面积A1=1085.4*0.136%=1.48㎡
有效通风量Q=1.48*3.2*3600=17049.6m3/h
根据深圳典型年气象参数，其中深圳3月到11月的最高平均气温较高，不适合做自然通风。只有冬季12月到次年2月气温较为温和，可考虑采用自然通风。考虑办公室的开放时间为日间，故此，自然通风设计以月平均最高气温作为设计参考值。即21.5°C作为参考温度进行研究。
下图是深圳市典型年气象参数
在室外月平均最高气温为21.5°C时，在人员热舒适度达到90%的情况下，自然通风条件下，最高室内温度不可超过26.5°C。此条件作为自然通风的设计标准。但考虑到办公层层高较低，热浮效应差，气流寿命周期短，故对其排气温度进行1°C的修正，即自然排气温度约为25.5°C。此时：
自然通风带走有效热负荷为1.48*3.2*1.205*1.005*（25.5-21.5）=23kW
则自然通风能够作用面积（节省空调的使用面积）23*1000/150=153m2
自然通风作用于窗内的进深：153/241.1=0.63
标准层体积V=（3855-1060）*4.5=12577.5m3
自然通风在不同高度的服务面积和节能效率：
从上述计算分析显示，该本项目在各层采用自然通风策略的优势较少，主要原因如下:
建筑办公层自然通风的服务进深较小，节能效果不显着。
自然通风策略需要连同实际空调系统的运作配合，才能达到节能效果。由于建筑各办公层自然通风的服务进深较小，约为0.5-1.5 m，根据空调系统进风口的设计，难于实现外部1.5 m范围内自然通风，而内区同时进行新风冷却。
分析基于建筑的各个方位立面均具有垂直于该面向室内的50% 风频时的风速，根据风气流特点，实际等效的有效通风面积将会折减，即等效自然通风服务面积、自然通风服务进深以及自然通风节能率也均相应折减；
基于外界自然风环境的不稳定性、自然服务进深小以及实际空调系统自然通风与非自然通风的服务范围的难控性。当室外可采用自然通风时，也不能直接关掉自然通风范围，无法有效达到空调系统节能之效。
故在超高层项目中利用外窗进行自然通风的节能效果并不明显，因为超高层项目大多为写字楼，办公区的的通风环境在考虑人舒适度及安全后，通风风速受限，通风效果下降。
四、总结
综上所述，在设计过程中对超高层项目设置可开启外窗进行自然通风需要慎重考虑，不能简单地从字面上执行国家及地方关于外墙设置开启窗户的标准或要求，不同的项目应从技术安全角度、技术节能效果或外观设计角度等方面进行专项论证其可行性和必要性，并采取优秀先进的设計手法与技术措施，使项目在各方面达到合理，经济，节能。节能应从项目整体考虑，对建筑外围护结构形式、材料及机电系统等各方面进行综合节能设计考虑，使项目的综合节能效果最优。
参考文献：
陆耀庆主编 实用供热空调设计手册(第二版) 中国建筑工业出版社
《公共建筑节能设计标准-深圳市实施细则 》– SZJG29-2009
全国民用建筑工程设计技术措施，中国计划出版社，2003年
中华人民共和国国家标准：民用建筑供暖通风与空气调节设计规范（GB50736-2012）
中华人民共和国国家标准：通风与空调工程施工质量验收规范（GB50243-2002）