高层建筑自然通风环境要求

总体来讲，自然通风的物理环境要求是以人体舒适性标准为基础进行界定的，它们受四方面因素的影响和限制，即：气候环境因素、人体自身因素、地区因素以及人类对环境的控制因素。其中，气候环境因素涵盖温度、湿度、太阳辐射、风速等；人体自身因素涵盖人体新陈代谢速度、活动状态、服装的保温作用等；地区因素是指不同地域、不同种族的人由于多种原因影响，在同种气候条件下不同的抗寒和抗热能力；人对环境的控制因素是指，使用机械手段影响人体舒适度标准、建筑形体和布局对气候的控制和改善。

人体热舒适性是一种主观量度，是依据人在环境中的自我评价来确定的。人体热舒适性标准即是使人体感觉到舒适的环境条件。建筑师通过各种手段调整环境因素，使人体因代谢而产生的热量与人体和环境之间热交换的热量之间达到平衡状态，使体温保持在36.5℃，使用者将达到最舒适的状态。

办公建筑实现自然通风的物理环境要求，主要包括室内外空气温度、室内外空气湿度、室内外风速、室内新风量、室内空气品质等几点。由于舒适性标准并不是单一的气候因子能够决定的，因此在对各点物理环境要求分别讨论后，还必须综合考虑复杂环境下的人体体感。

5.1.2.1　空气温度要求

首先，人的体感温度，即人感觉到冷热的温度感觉，不能简单地理解为人体皮肤温度和空气温度之差，在相同气温条件下，湿度高低、风速大小、服装种类甚至心情好坏都会对体感温度，造成不同的结果。但客观的气温高低，仍是判断人体冷热程度的一个最重要的参数，它对人体热舒适度的影响最为显著。

正常情况下，人类的体温在36.5℃左右最为舒适。由于人体无时无刻不进行着新陈代谢，必须将代谢过程中产生的热量向外发散，以降低体温，否则就会有炎热感。当室内气温低于人体体温时，热量得以散发，人才会感觉舒适。但当气温过低时，热量散发超过了人体正常的散热速度，失热大于产生的热量，又会感觉到寒冷。所以，需要通过建筑对室内环境加以控制，使人体保持在一个热平衡的状态。人体热平衡状态是达到人体热舒适的必要条件。

人体与周围环境换热的方式有三种：对流、辐射、蒸发。当人体达到热平衡状态时，总散热量中的对流换热量占25%～30%，辐射换热量占到45%～50%，呼吸和蒸发的散热量占到25%～30%^[2]。其中，对流和蒸发换热量可以通过改善通风效果得到控制。根据国内外的数据显示，人处于静止状态，风速为零时，在夏季，人体感到舒适的气温在19℃～24℃范围内；而冬季，这一气温范围在17℃～22℃。暂不考虑湿度、风速等的影响，当空气温度高于28℃时，人体会感觉到热；当空气温度低于15℃时，人体感觉冷。

室内外温差是自然通风赖以形成的客观条件之一，室内外温差越大，通风效果越好。在任何气候条件之下，气温都大致符合一种年变化和日变化的规律，即平均气温有一个最高值和最低值。地面气温除了取决于太阳辐射和大气逆辐射，更取决于地面热量的储存和损失。所以，以北半球中、高纬度为例，地面气温年变化的最高值，通常出现在太阳辐射最强的的一天（夏至日、每年6月22日前后）之后的1～2个月，即一月或二月；其最低值，通常出现在太阳辐射最弱的一天（冬至日、每年12月22日前后）的1～2个月，即七月或八月。另外，受海洋和陆地储热能力不同的影响，靠海地区的气温变化落后较多，即八月气温最高，二月气温最低；内陆地区的气温变化落后较少，即以七月气温为最高，一月气温为最低。

由于人的活动、机械设备运行、维护结构储热等因素影响，办公建筑内部温度一般高于室外温度。以夏热冬冷地区为例，春秋两季的气温较为适宜，室外气温在20℃左右，室内气温在25℃左右，简单的开窗既能获得良好的自然通风；但在夏季，室外温度可升高到28℃以上，室内气温低于室外气温，所以室外空气需要经过冷却处理才能获得感觉适宜的自然通风；在冬季，室外温度在10℃以下，室外空气必须经过加热处理到人体适宜温度才能引入室内，形成良好的自然通风。

我国2003年3月1日实施的《室内空气质量标准》（GB/T18883—2002）中的室内空气质量参数（indoor air quality parameter）规定，室内温度在夏季应在22℃～28℃范围内，冬季应在16℃～24℃范围内，超过此范围应使用空调或采暖手段。

5.1.2.2　空气湿度要求

空气湿度是描述空气干燥或湿润程度的物理量，分为绝对湿度和相对湿度两种。绝对湿度表示空气中所含水蒸汽的多少，相对湿度表示空气中水蒸汽距离饱和状态的远近程度。建筑生态学领域内主要使用相对湿度来考量建筑通风的物理环境要求。相对湿度数值上表现为，某温度下空气的绝对湿度与同一温度时饱和水蒸汽的密度（或者压强）的百分比。

当天气炎热时，人体需要靠汗液蒸发来带走热量，从而降低体表的温度。当体表的空气中的水蒸气含量接近饱和时，汗液无法再蒸发到空气成为水蒸气，滞留在皮肤表面，就导致人的体表温度无法平衡在36.5℃左右的舒适温度。据统计，通风能产生舒适感的最适合相对湿度范围为40%～50%，小于30%或者大于85%时，通过空气流动引起的蒸发制冷作用就将停止^[3]。相对湿度的增大会增加人的热感觉，因而，夏季如能适当降低室内的相对湿度，就能在保证人体热舒适的前提下，适当放宽对温度的要求范围。

必须说明的是，相对于空气温度，空气湿度对人体舒适度的影响并没有那么显著，特别是在舒适温度的范围内时，相对湿度对热感觉的影响最弱。但温度越高，相对温度对热舒适度的影响会相应增强。

《室内空气质量标准》（GB/T18883—2002）中规定，室内空气相对湿度在夏季应保持在40%～80%范围内，冬季应保持在30%～60%范围内，超过此范围应使用空调或采暖手段。

湿度不仅仅影响着人体的热感觉。湿度高于80%或者低于30%时，很可能会引起气管炎、肺炎、支气管哮喘等呼吸道疾病，影响人体内的内分泌腺的正常分泌，使人感到疲劳和烦闷焦躁。另外，湿度也影响着室内的空气品质，当空气干燥和凉爽时，人更易感觉空气较为新鲜。

5.1.2.3　风速要求

形成自然通风的条件之一是风压，风速差形成风压。通常在风速方面，气象数据取三个数据：① 平均风速；② 平均最大风速；③ 极端最大风速。建筑的自然通风设计是以平均风速作为设计参考值的。极端最大风速则应用在建筑力学结构设计上。

人对风速的感知与气温有关，通常情况下，人体能感知的最低风速在0.5 m/s左右。当气温高于人体体表温度时，温度越高，人体对风速的感觉越敏感；当气温低于人体体表温度时，温度越高，人体对风速的感觉越迟钝^[4]。冬季时，当进入室内的冷风风速超过0.2～0.25 m/s时，人体就会感觉不舒适。同样，根据Baetjer的实验测定，当气温为12℃时，人体能感知到的最低风速为0.15 m/s；气温在15℃～18℃范围内时，人体能感知到的最低风速为0.2 m/s；而当温度高达30℃时，人体最低感知风速为0.6 m/s。

另外，人的活动状态也会影响人体对风速的感知。如对商场内的顾客来说，由于其活动频繁，走动范围广，所以其体感送风风速应在0.3～1.0 m/s。然而对于办公建筑来讲，办公人员活动较少，走动范围小，因此其体感送风风速应控制在0.1～0.3 m/s范围内（表5—1、表5—2）。

表5—1　风速对人体感觉和作业的影响

表5—2　送风口最大允许风速

资料来源：《建筑环境控制学》

《室内空气质量标准》（GB/T18883—2002）中规定，在夏季，室内空气流速应控制在0.3 m/s左右，冬季应控制在0.2 m/s左右。

5.1.2.4　室内新风量要求

新风量是衡量IAQ（Indoor Air Quality，室内空气品质）的一个重要指标，直接影响室内空气的污染程度。新风量是根据空气内的CO2浓度来确定的，一般场合CO2浓度的安全界限是50%。新风量在数值上表示为每人每小时所需新风体积，单位为立方米/小时·人（m3/h·p）。(www.xing528.com)

保证一定量的新风在建筑的使用上极为重要。对于办公建筑来说，新风主要起到以下作用：① 为人体提供呼吸所需要的空气；② 稀释室内污染物；③ 稀释不良气味；④ 除湿；⑤ 调节室内温度。

表5—3总结了在不同CO2允许浓度下，不同劳动强度的工作性质所需室内新风量。

表5—3　劳动强度和必要新风量的关系

资料来源：戴自祝，邵强．建筑需要的新风量［J］．中国卫生工程学，2001，10（2）：52～57.

参考“日本劳研劳动强度分级标准”，办公人员的作业特点主要为脑力劳动、坐姿、重心不动、长时间连续上肢作业等，其劳动强度等级应属于极轻作业或轻作业。

《室内空气质量标准》（GB/T18883—2002）中规定，室内新风量应达到 30 m3/h·p。根据《暖通空调设计规范2000年征求意见稿》（GB 50XXX—2001）的民用建筑需要的新风量表中规定，高级办公室的新风量应控制在35～50 m3/h·p范围内，一般办公室的新风量应控制在20～30 m3/h·p范围内。

考虑到现在所有公共场所都有禁止吸烟的规定，办公楼设计大部分空间可依照无烟状态下的新风量要求。

需要注意的是，新风量虽不存在过量的问题，但是超过一定的限度后，就会带来建筑热负荷和冷负荷的过多消耗，造成过大负担。

5.1.2.5　室内空气品质要求

根据ASHRAE（美国采暖、制冷与空调工程师学会，American Society of Heating， Refrigerating and Air-Conditioning Engineers， Inc.）1989年制定的ASHREA62—1989标准，合格的室内空气品质，是指“空气中的已知污染物没有达到权威机构确定的有害程度指标”。

对于上海的现代化办公建筑来讲，由于大部分采用高级建材和装饰材料、新型涂料等，所以因建材造成的甲醛浓度不高。多数室内污染物来自办公家具和办公用品，杀虫剂、清洁剂等有机化学用品。另外，室外空气质量也会对室内产生影响，如果室外空气品质不能达到要求，则需要对引入室内的空气做必要的过滤处理。

《室内空气质量标准》（GB/T18883—2002）中规定，二氧化硫（SO2）不应超过0.50 mg/m3；二氧化氮（NO2）不应超过0.24 mg/m3；一氧化碳（CO）不应超过0.10 mg/m3；二氧化碳（CO2）不应超过0.10 mg/m3；NH3不应超过0.20 mg/m3；臭氧（O3）不应超过0.16 mg/m3；甲醛（HCHO）不应超过0.10 mg/m3；可吸入颗粒物（PM10）不应超过0.15 mg/m3；总挥发性有机物（TVOC）不应超过0.60 mg/m3；氡（222Rn）不应超过2 500 cfu/m3。

5.1.2.6　通风有效性评估方法

评估通风有效性的方法一般有三种：气流路径、通风量、通风率^[5]。

1. 气流路径评估法

气流路径，即指气流通过的路径。对气流路径的评估与分析，有助于设计者了解室内通风的整体情况，判断不同设计手段下风速在室内的分布情况。对于办公建筑来讲，人们的主要活动为坐、站立、行走，故设计主要关注的气流分布层面应在地面以上0～1.8 m的范围内。又由于其中大部分时间处于坐姿，故地面以上0～1.4 m为最重要的评估范围（图5—5）。

图5—5　人体活动所占空间尺寸

图片来源： 《建筑物·气候·能量》

一般采用数字模拟方式来评价气流流速及分布路径。但由于建筑初步设计阶段拟建形态多种多样，无法一一进行实验，所以通常需要依靠基于理论学习的经验，结合模拟实验进行评估。

2. 空气龄评估法

空气龄的概念最早于20世纪80年代被Sandberg提出^[6]，它是指空气质点在房间内滞留的时间，表达了送风到达房间内某点的时间，单位为秒（s）。空气龄能够反映出房间内空气的新鲜程度，是综合衡量室内空气品质的有效指标。

3. 通风率评估法

通风率是通过室内实际风速与室外风速的比值来反映室内风速情况的，是一种比较客观的评价方法，数据直观，操作性较强。但是，平均通风率虽然可以反映室内通风效果，却也有其缺点，其所表示的只是室内测定点处的通风率，而室内各点风速分布不均匀，故而通风评估不能一概而论。

综上所述，对于通风的评估，应综合考虑流速与流速的分布情况，同时通过空气龄、通风率加以比对。