既有建筑绿色改造的被动式设计策略_省略__以武汉建设大厦综合改造工程为例_甘月朗

第九届国际绿色建筑与建筑节能大会论文集

既有建筑绿色改造的被动式设计策略研究

——以武汉建设大厦综合改造工程为例

甘月朗1 彭波2 袁黎1 陈宏1

(华中科技大学，武汉 430074;2. 武汉市建筑节能办公室，武汉 430015）

摘 要：如何在既有建筑功能及形象改造的同时，实现其被动式绿色改造与优化，已成为既有建筑改造研究中新的关注点。结合武汉建设大厦综合改造的设计实践，运用CFD 技术与实测的方法，分析其自然通风优化设计与建筑围护结构双层隔热表皮隔热性能改造的效果，为既有建筑被动式绿色改造与优化提供技术和案例支持。

关键词：被动式技术；既有建筑改造；自然通风；双层隔热表皮

0 引言

随着时代的进步，科技的发展，大量的既有建筑已经无法适应新的使用要求，其中一部分可以作为既有建筑直接进行绿色改造。武汉建设大厦是中南地区第一个经过既有建筑改造获得“绿色建筑三星”标识的办公建筑，为既有建筑的绿色改造提供了一个有益的范例。

与新建建筑有所不同的是，既有建筑的绿色改造，在选用绿色技术方面会受到一定的限制，这在另一个层面，对选用绿色技术的适宜性提出了较高的要求。因此，我们在制定整个项目的绿色改造技术路线的初期，就结合建筑的实际情况，经过反复比较和甄选，提出了一套有别于新建绿色建筑的技术措施。实践了以被动优先、主动优化为原则的绿色建筑理念，为低成本、常规技术的绿色建筑创作做出了有益的尝试。本文主要从促进室内自然通风以及提高建筑外围护结构隔热性能等2个方面说明武汉建设大厦的绿色改造过程中基于既有建筑的特征应用被动式技术的设计策略与方法。

1 项目概况及技术应用分析

1.1项目概况

武汉建设大厦于武汉市江汉区常青路与与振兴路交汇处，占地面积6360㎡，总建筑面积25318㎡，地上五层，地下一层，一二楼之间局部含有夹层。该建筑始建于上世

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既有建筑节能改造技术及工程实践

纪九十年代中期, 原设计为大型商场，项目建成后闲置了一段时间即改造为军事博物馆，此后三江航天集团购买该楼用于办公，2008年后再次闲置。2011年武汉市城乡建设委员会决定租赁该楼，实施综合改造工程成为建委机关的办公用房。

1.2基于既有建筑特点的被动式绿色改造策略

（1）基于既有建筑空间特征的室内自然通风策略主要包括:通过室外风环境分析，探讨建筑室内自然通风的潜力；建筑中庭结构改造（如图1及图2所示）以促进室内自然通风等；

（2）双层隔热表皮，即基于既有建筑原有外墙的外围护结构隔热性能优化：在既有建筑外立面增加了格栅构件（见图3）既起到了美化作用，同时增加了原墙体的隔热保温性能。

图1改造前封闭天窗图2 改造后开敞天窗

图3双层隔热表皮细部详图

2 基于既有建筑空间特征的自然通风设计策略分析

2.1既有建筑空间特征及被动式设计策略 在武汉建设大厦由原来的商场建筑转化为办公建筑的绿色改造设计过程中，考虑到原建筑大进深的平面形式不利于办公建筑的自然通风与自然采光，在建筑设计中将原有中庭空间进行保留，并通过将原建筑中庭上空封闭的玻璃穹顶下部开敞，使得中庭空间2

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由原建筑的室内空间变为室外空间（如图4所示），从3个方面实现了节能与室内环境的改善：①通过将室内空间变为室外空间，减少了采暖空调区域的容积、大幅降低了建筑的采暖空调能耗；②通过将玻璃穹顶下部开敞，显著促进了建筑室内自然通风，减少空调能耗，改善室内环境质量；③通过中庭促进建筑室内自然采光，提高了中庭周围办公空间的采光质量，减少了照明能耗。通过上述节能措施，使得建筑的能耗，尤其是采暖空调能耗较原建筑大为降低，建筑节能率达到65.95%。

图 4 建筑中庭的被动式设计

2.2 促进室内自然通风效果分析

本文从2个方面探讨了建设大厦的室内自然通风策略：首先通过对于夏季以及全年主导风向条件下的室外风环境模拟，分析了大厦进行室内自然通风潜力；其次，进行室内自然通风模拟分析，探讨中庭的保留及开敞方式对于室内自然通风的影响。

2.2.1 室外风环境模拟分析

【1】提供的相关气象数据，设定2个模根据《中国建筑热环境分析专用气象数据集》

拟工况，各工况的具体风向及风速设置如表1所示。

表1 工况设定 工况

工况1

工况2 基本情况 风向 风速（m/s） 2.0 1.8 夏季主导风向全年最多风向

图5、图6分别为武汉建设大厦夏季主导风向及全年主导风向条件下的室外风速分布图及风压分布图。通过CFD 模拟分析，可以看到在2个工况下，武汉建设大厦周边人行区域通风状况良好，基本无涡流形成，并且在迎风面的前后压差均大于1.5Pa ，有良好的自然通风潜力。

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（1）夏季 （2）全年

图 5风速水平分布（高度1.5米）

（1）夏季 （2）全年

图 6风压水平分布（高度1.5米）

2.2.2室内风环境模拟分析

图7为大厦改建后中庭的风速矢量垂直分布图。从图中可以看出在中庭内部由于风压的作用，出现了明显的上升气流，显示出通过将原建筑中庭上部穹顶由原来的封闭改为开敞后，中庭具有良好的拔风效果。图8为大厦改建前后的风环境模拟结果对比。经过与原建筑改建前的对比分析，可以看出在既有建筑的功能由大型商场向大型办公建筑的转化过程中，保留原有的中庭空间，并将中庭上部穹顶进行开敞的被动式设计策略取得了良好的促进室内自然通风的效果，建筑室内风速有明显提高，有效地改善了建筑室内风环境状况。

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图 7中庭风速的垂直分布

（1）改建前 （2）改建后

图8中庭改建前后的风环境对比图

3 基于既有建筑的围护结构隔热性能优化策略分析

3.1结合既有建筑特征的双层隔热表皮构造

在既有建筑改造过程中，原建筑外立面陈旧老气，且大部分外窗开窗高度在1.7米以上，不适宜直接用作办公楼，因此在改造方案中对原建筑里面进行了重新设计：（1）从“基于现实、尊重历史、优先利用、控制破坏”的原则出发，对建筑立面进行更新，体现出“可追溯性”，而不是拆毁重来；（2）原建筑外墙采用250mm 粉煤灰砌块，具有较好的保温性能。对于原建筑外墙的保留有利于减少破坏，降低材料消耗，实现节材的绿色建筑理念；（3）武汉属于夏热冬冷地区，在夏季围护结构的隔热能力对于提高建筑围护结构的热工性能具有重要作用。在这样的背景下，最终确定了基于武汉建设大厦现有条件的双层隔热表皮的立面及构造形式。即在保留原建筑外墙的同时，在原有外墙的外侧，采用木塑板增加一层格栅形成双层构造（以下称为“双层隔热表皮”，如图9（1）

（2）所示），可通过外侧表皮中格栅的遮阳与空气间层的通风作用，提高围护结构的隔热性能，有效降低夏季外墙的内侧表皮的表面温度。

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既有建筑节能改造技术及工程实践

（1）改造后立面 （2）墙体构造图

图9双层隔热表皮

3.2双层隔热表皮隔热性能实测研究

3.2.1 实测概述

在武汉建设大厦的实测中设置三个测点，楼顶测点，以及三层、五层测点。楼顶测点用于测量背景气象数据（见图10），测量项目包括风速、风向、太阳辐射强度、气温、相对湿度。三楼及五楼测点设置在西南墙体中间部分（三楼实测点如图11及图12所示，五楼实测点与其对应设置），测量项目为格栅外表面温度及热流量、墙体内外表面温度及热流量、室内温度、空气间层温度及风速。另外，三层及五层测点测定室内的内墙表面温度的房间为均未使用空调的自然通风房间。

实测时间为2012年7月17日~2012年7月19日，共计三天，重点分析7月18日的实测数据。背景气象点测量时间段为0：00~24：00，实测点测量时间段为9：00~18：00。

图10楼顶背景点位置及仪器布置图 图11三楼平面及三楼实测点位置示意图

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图12三楼实测点各仪器安装位置示意及部分仪器照片

3.2.2双层隔热表皮实测数据分析

图13、图14分别为三楼及五楼的实测点温度值，从室外到室内包括表皮外侧表面温度、间层内空气温度、墙体外侧表面温度、墙体内侧表面温度、室内空气温度。

图13三楼实测点各温度对比图

图14五楼实测点各温度对比图

从同一测点的不同测试部位的温度数据可看出，双层隔热表皮经过反射与吸收，减少了大部分本应直达至外墙表面的太阳辐射，因此隔热表皮的外表面温度远高于位于隔

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既有建筑节能改造技术及工程实践

热表皮内侧的墙体的外表面温度，三层测点的最大表面温差达5.6℃，而五层则达到6℃。而位于自然通风条件下的室内的墙体内表面温度则基本在29-30℃，显示出双层隔热表皮具有突出的隔热性能。

4 总结

本研究根据既有建筑的特点以及武汉的气候条件，采用被动优先、主动优化的设计原则，首先与建筑空间转化设计相结合，在建筑中庭采取自然通风、自然采光的被动优先设计，进行环境条件优化；其次结合原建筑围护结构，设计双层隔热表皮，改善围护结构热工性能。通过武汉建设大厦的绿色建筑创作，进行了基于既有建筑向大型政府办公建筑的功能转化及特征的被动式技术集成，实现了既有公共建筑的可持续利用，为武汉市提供了一个闲置的既有建筑的绿色建筑改造的工程示范。

参考文献：

[1]中国气象局气象信息中心气象资料室，清华大学建筑技术科学系编. 《中国建筑热环境分析专用气象数据集》. 中国建筑工业出版社. 2005年

[2]中华人民共和国建设部. 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局编. 《绿色建筑评价标准》GB/T50378-2006.中国建筑工业出版社.2006年.

[3]中华人民共和国住房和城乡建设部 编. 《中华人民共和国行业标准（JGJ/T 229-2010·备案号J 1125-2010）：民用建筑绿色设计规范》. 中国建筑工业出版社. 2011年.

[4]马京涛，袁朵. 《绿色办公建筑创作研究——以南京某绿建大厦为例》《生态城市与绿色建筑》. .2011年01期

[5]赵凤山，聂梅生，张雪舟，钟静. 《绿色低碳住区的节能优化》. 《生态城市与绿色建筑》.2011年01期

STUDY ON PASSIVE DESIGN STRATEGIES IN

GREENRETROFITTINGOF EXISTINGBUILDINGS:

TAKING THE COMPREHENSIVE RETROFIT PRACTICE OF

WUHAN CONSTRUCTION BUILDING AS AN EXAMPLE

GAN Yuelang, PENG Bo, YUANu Li, CHEN Hong

(1.Huazhong University of Science and Technology WuHan 430074; 2. WuHan Green and

Energy-Efficient Building Office WuHan 430015)

Abstract ： How to improve the environmental energy-saving effect of existing buildings using 8

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passive design strategies, while retrofitting them, has become the new eco-building research focus. This paper describes a comprehensive retrofit practice of Wuhan Construction Building. In this research, the effect of natural ventilation and performance of thermal insulation in building walls is analyzed with CFD simulation and field measurement. At last, the thesis ends with an evaluation of the projects and plans for further improvement.

Keywords ：Existing Buildings Retrofit; Natural Ventilation

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