商场建筑是公共建筑中的重要一类。从功能来看，商场内功能多样，包括百货店、购物中心、餐饮店与超市等；人员流动性强，工作日、周末以及典型日的高峰与低谷期人流量差异大；内部业态呈多样化，需要配置不同的空调系统分区进行控制。相对高档的商场建筑，中庭的设置丰富了内部的功能空间，充分利用自然光源，也成为汇集人流的亮点。同时，北方地区具有高大中庭的建筑冬季供暖出现的问题也较为突出，集中体现在底部过冷、顶部过热，竖直温差大，能耗水平高等。
国内学者的现有研究主要从两方面入手解决这一问题。一方面，在设计阶段对中庭热环境进行优化，大部分集中在中庭热环境与气流组织的模拟分析。在提升预测精度方面，盛嘉宾针对西安地区的某商业建筑，对中庭的分层空调负荷以及气流组织进行了详细的模拟计算，并根据相似准则搭建了模拟试验台进行验证，取得了较好的效果。在优化设计方面，研究者针对北京、天津、哈尔滨等地的商业建筑中庭进行了模拟分析，并对中庭热环境的改善措施进行了讨论。此外，杨洁等人针对不同的中庭空间组合方式对室内气流组织的影响进行了研究，并讨论了降低空调能耗的可能性。
另一方面，部分学者通过工程实例的研究，讨论了既有建筑中庭热环境改善的技术措施。刘晓萌等人针对呼和浩特市某商场建筑的供暖工况，通过在每层与中庭相连的区域设置空气幕，使楼内6层竖直温差仅为3～4 ℃，且商场内温度均在19～23 ℃之间，热环境良好。张京奉在银川市某商场建筑的顶部加装了室外新风机，直接将室外新风送到高大中庭无人区，从而缓解了商场高层的过热现象。
但从整体来看，现有研究对拥有高大中庭商场的供暖优化措施的讨论仍然较为零散。特别是供暖系统角度的调试改造措施，尚未有较好的工程经验。本文基于清华大学建筑节能研究中心2013—2017年对某案例的持续诊断调试，结合理论分析建立了该商场建筑的热压通风模型，并从系统层面全面总结了供暖优化措施，为北方地区高大中庭建筑的节能运行提供了借鉴。
该商场建筑位于北京市朝阳区东北区域，是一座大型商业综合体购物中心，曾获得美国绿色建筑协会的能源及环境设计先锋评级(LEED)金奖认证。项目基本信息如表1所示。其中，商场水系统为两管制系统，公共区域采用定风量系统，租户与部分办公区采用风机盘管系统。
商场的中庭可以分为2类：一类是商场东侧的上下贯通的大型中央中庭，如图1所示，与东侧外部的玻璃幕墙相连，是商场内部标志性的公共空间；另一类是商场内部分散的小型中庭，主要起到扶梯上下直通的作用，如图2所示，与外部玻璃幕墙及出入口不直接相连。
2013—2017年供暖季，清华大学建筑节能研究中心对该商场进行了详细的节能诊断及调试改造工作。对2016—2017年供暖季的相关数据进行核算，得到该商场现有的能耗指标如表2所示。2016—2017年供暖季，整个商业综合体的燃气耗量为63.9万m3，相比上一年下降了29.2%，相比2012年开业初期的153.9万m3下降了58.5%；其中，该商场供热量占主要部分，约为88%。
其中，能耗指标包括一级指标与二级指标两大类：一级指标主要为建筑供暖整体的能耗情况，包括单位面积的供暖能耗、天然气耗量、碳排放及氮氧化物排放；二级指标主要为影响供暖能耗的因素，包括供水平均温度、供回水平均温差及供暖系统输配能耗指标。与GB/T 51161—2016《民用建筑能耗标准》中的供暖指标对比，该商场的供暖能耗及输配指标均低于国家标准值，供暖能耗处于较低水平。
2013—2016年，研究团队对该商场的室内热环境进行了连续监测，测试时间均为北京市供暖季期间，室外温度相对接近，全天平均温度为0～3 ℃左右，结果如表3所示。其中，商场营业区域分为LG(地下1层)，L1，L2与L3四层(L4为电影院，区域较小，文中忽略)，每层设置10个环境测点，各层的温度为10个测点温度的平均值，商场内的最大温差为统计得到的建筑所有测点温度的最大差值。
由热环境数据可见，2013年商场开业初期，LG层过冷十分严重，LG层的平均温度仅为13.3 ℃；2014年对商场围护结构漏洞进行了初步封堵，热环境得到改善，但L2，L3等高层区域严重过热，仍有部分区域有不舒适感。由于测试当天室外环境条件有所差异，2016年的竖直温差略大于2015年，但热环境整体优良，商场温度基本均在20～24 ℃之间，竖直温差小，部分测点(与出口直接连通的区域)温度较低，保持在17 ℃以上。商场室内监测的相对湿度基本在20%以下，处于相对干燥的状态。而对北京地区另一座大型商业综合体的调研显示，其冬季温度场存在明显的过冷现象，地下2层平均温度仅为13.9 ℃，地上2层的平均温度也仅为15.7 ℃，商场多处区域出现温度低于10 ℃的情况，整体温差大，舒适性差。
由于该商场具有大量中庭，当底层过冷时，热压的烟囱效应容易增加建筑上下的竖直温差，进一步恶化室内热环境，并增加供暖能耗。底层过冷的原因，往往来源于建筑入口、后区等区域大量的无组织新风渗透。本文首先建立商场的热压通风模型，在明晰商场风平衡现状的基础上，进一步总结系统化的供暖优化措施。
2.1 商场热压通风模型
该商场的热压通风原理模型见图3。其中，室内与室外压力相等的位置称为建筑中和界，该处压力设为p0；中和界高度为h0，1～3层高度分别为h1～h3，1～5层室内温度分别为t1～t5。中和界以下部分与等高度的外界空气构成连通器模型。中和界以上部分，压力为正压，向外送出空气。
压差与风量之间的关系可简化为
式中 Δp为热压压差，Pa；q为通风量，m3/h；S为建筑整体的阻抗，kg/m7。
在实际测试中，室内外的热压差可以直接测出，由式(1)可知，热压通风的压力差是商场热压通风量的直接影响因素。
2016年供暖季典型日，室外温度－6～4 ℃，在商场营业时间与夜间休息时间，对不同层室内外压差进行了测试，结果如图4所示。可见，夜间休息时的热压线相对营业时间更陡，商场相对外界的压差更小，造成的热压通风效应更小，即楼内的无组织通风更少。商场在营业期间，一方面空调系统运行向室内送热风，加强了对流效应；另一方面，厨房的有组织排风使得部分气流进入餐饮区域，而餐饮往往集中在高区，进一步增加了热压通风效应。热压通风效应的增加，直接增加了商场正压上部的无组织排风，由全楼的风平衡可知，进而增加了下部从出入口及后区的无组织渗风，恶化了商场的室内环境，并增加了供暖能耗。
由图4可见，该商场的热压线与层高基本呈线性关系，即
式中 y为建筑高度；k与b分别为线性拟合表达式的斜率与截距。
在夜间休息工况下，由风平衡可知，商场的无组织通风量即等于商场的无组织排风量。令h0为中和界的高度，hi为建筑顶端的高度，则可通过积分表示出商场的无组织排风量q(hi)，如式(3)所示：
式中 s为建筑单位高度的阻抗，kg/m6。
在实际测试中，可将建筑作为一个控制体考虑，近似认为整个建筑高度上的s是定值，不随高度变化而变化，式(3)可表示为
如果知道了工况1下的全楼无组织通风量，在s不变的情况下，可以根据式(5)得出工况2下的无组织通风量。
在商场实际运行中，由于中和界以上的部分出入口较少，可认为近似满足不变的需求。商场中和界以下有多个人员出入口及后区卸货区等渗风区域，s的变化较大，无法通过数值计算直接确定，需要通过楼内的风平衡间接测定无组织渗风量。
齐美薇等人讨论了利用二氧化碳作为示踪气体测试房间换气次数的方法，并取得了较好的可信度。将商场作为一个控制体考虑时，在夜间休息工况下也可以利用这一方法近似计算楼内的无组织通风量。
示踪气体法的基本原理是气体的质量守恒，可用式(6)表示：
式中 V为房间体积，m3；F为示踪气体释放率，10-6 m3/h，夜间可认为F=0；C为示踪气体体积分数，10-6，下标out表示室外；t为时间，h。
在一段时间内，可以认为渗风量q(t)与Cout保持不变，进一步可得到式(6)的解，如式(7)所示：
实际测试初始浓度C0，每隔Δt记录1次C(t)，可以计算得到通风量q，如式(8)所示：
对于商场有组织通风量。在实际调研中，发现商场的有组织通风量主要包括：热回收式新风机组(PAUR)集中处理的租户新风量qP，餐饮补风机(MAU)的厨房补风量qM，空调箱(AHU)的公共区域新风量qA，厨房排油烟风机(KSF)的有组织排风量qK，以及卫生间排风量qW。
加上商场的无组织渗风qin与无组织排风qout，可得到商场全天的热压通风模型，如式(9)所示：
式中 τ1为开启时间；τ2为关闭时间。
2.2 风平衡测试结果
清华大学建筑节能中心于2015—2016年对该商场的各有组织通风设备进行了详细测试，风量测试结果如表4所示。其中，公共区域AHU在供暖季新风阀全部关闭，故q(t)A=0。可见，在营业的餐饮时段，商场厨房排油烟总量为33.7万m3/h，而厨房补风量仅为2.26万m3/h，加上商场租区的有组织新风量8.42万m3/h，有组织新风量仅为有组织排风量的32%，其余部分风量均需要无组织渗风来补足。而室外新风的渗风量增加，进一步导致热压通风效应增强，底层负压增加，热压线斜率减小。
研究团队于2016年3月2—4日对该商场的夜间无组织通风量进行了测试，在商场3层室内、商场4层某出口附近各布置了1个二氧化碳测点，记录间隔为2 min。以3月4日4层的测试结果(见图5)为例，取室外二氧化碳平均体积分数为450×10-6，其室内外体积分数差的对数值呈现较好的线性拟合关系。测试结果如表5所示，由于示踪气体法测试受建筑外界风压影响，同时对大体量建筑测试存在一定误差，4层测点3月3日的结果相对3月4日显著偏高。由于风压受外界气候条件影响大，难以定量分析，故取各工况下的换气次数平均值作为热压效应的总影响，得到商场夜间的无组织通风换气次数平均为0.18 h-1，商场体积为62.1万m3，故夜间无组织通风量为11.2万m3/h。按照风压线结果与式(5)进行核算，可得到白天营业时间的无组织排风量为13.3万m3/h。
按式(9)，对商场的全楼风平衡进行统计，结果如图6所示，其中，卫生间排风量根据设计工况估算为15 000 m3/h。可见，由于大量的厨房机械排风与较少的机械新风，使得该商场的大部分新风仍只能通过无组织通风渗入：一方面增加了中庭的热压效应及商场上部的无组织通风量，另一方面造成大量新风负荷，增加了供暖系统的能耗。从排风侧来看，夜间的换气次数为0.18 h-1，仍有进一步优化空间。
对拥有高大中庭的建筑的供暖系统进行优化，其主要目的是提升建筑热环境的舒适度，并降低系统能耗。由商场的风平衡结果可见，目前该商场的无组织渗风量仍然较大，占总新风量的74%。由于无组织渗风绝大部分通过后区通道及围护结构漏洞进入建筑内部，冬季带来大量新风负荷，所以减少无组织渗风是供暖系统优化的核心手段。为此，研究团队总结了系统化的调试调节手段，主要包括4个方面：围护结构的漏洞封堵，厨房排补风系统的联动，降低热站供水温度进而降低送风温度，设备运行策略的调节。
3.1 围护结构漏洞封堵
围护结构漏洞封堵的目的是增加建筑的等效阻抗，提升建筑的气密性，使得同样热压效应下建筑的无组织通风量减少。2016年初，研究团队利用红外成像仪对该商场的围护结构进行了全面检测，共发现漏热、漏风点31处，其中公共区域19处，商场租区12处。
有中庭商场主要的围护结构漏洞可以大致分为3类。第1类为门窗漏风，如后勤通道、卸货区卷帘、顶层部分出入口及中庭排烟窗等，渗风区域广，风量大；第2类为施工漏洞，如部分管道穿过外墙的漏洞，吊顶破损漏风等，往往较为隐蔽，不易发现；第3类为消防风机及百叶风口的漏风，在室内热压效应下，屋内空气顺着消防风道流向室外，产生明显的热风感。上述问题，建议业主对于较小的漏洞进行直接封堵，如贴塑胶封条等；后区的卷帘门建议改为自动门，对于排烟窗、风机等，建议供暖季保持完全关闭状态，防止不必要的渗风。
3.2 厨房排补风系统联动改造
厨房补风量的设计值为排风量的85%左右，补风经过盘管加热至10 ℃左右送入室内。一方面平衡厨房排风，减少对公共区域空气的抽吸量；另一方面能够向厨房内部供冷，改善厨房的热环境。现场测试发现，该商场目前的厨房补风量仅为2.3万m3/h，与设计值相比严重不足，使得大量公共区域空气渗入厨房，进而影响整个建筑的无组织渗风量。其主要原因是大部分餐饮店铺租户在开启排风机时，并未开启补风机；且部分补风机由于极端天气下盘管冻裂，已经暂停使用。
针对这一问题，研究团队建议业主对排风机及补风机进行联动，对厨房排油烟机进行变频+分时段控制，并加装如图7所示的联动及延时装置。这一装置强制使补风机随排风机开启，同时设定只在餐饮时段开启；其他时段如需开启使用延时装置，建议每次延时20 min。具体运行还需设置相应的开启策略时间，如表6所示。
3.3 降低商场供热站供水温度
在中庭热压作用下，热空气上浮，冷空气下沉，空调末端的送风温度越高，对流效应越明显，进而热压通风效应也更大。所以在保证室内舒适度的前提下，降低空调末端的送风温度，能够减少中庭内部的对流效应，进而降低竖直温差，是解决商场中庭热压通风问题的重要手段。
2016年，对该商场所在商业综合体的供热站进行了管路改造，使得该商场与办公楼的二次侧供暖支路分开，能够单独控制相应的供水温度及设备作息时间。以2017年初供暖季某典型日为例，室外温度－5～5 ℃，商场供暖支路全天的平均供水温度仅为36.0 ℃，其全天变化趋势如图8所示。这一温度相比于2016年年初的45.5 ℃下降了9.5 ℃，有效缓解了中庭区域的热压问题。
3.4 设备运行策略调节
在热压效应下，底层空调末端的热空气上浮，实际上给商场上部造成了附加的供暖效果。此时商场上部的空调末端打开，容易造成明显的室内环境过热。如2014年该商场2，3层温度平均可达27 ℃左右。
2015年，研究团队建议业主调整部分AHU的运行时间，如图9所示，将负责2，3层(框线区域)的AHU全天关机，以减缓顶层过热现象。2015年以后，商场上部温度基本可以控制在24 ℃左右，处于相对舒适的水平。
1) 对于具有高大中庭的商场建筑，减少其由于热压效应造成的大量无组织通风，是供暖系统优化的核心。通过建立建筑整体的热压通风模型，发现该商场营业期间，由于机械排风量与机械新风量的不匹配，导致商场下部大量的无组织渗风进入室内，不仅进一步恶化了热压效应，而且增加了空调系统的能耗。
2) 在运行调试中，可以通过几方面措施对商场的供暖系统进行优化。其中，围护结构封堵能够增加建筑气密性，通过增大阻抗减小室内渗风量；厨房排补风改造通过增大厨房的有组织新风量，减少机械排风系统对整个建筑热压效应的影响；降低供热站供水温度与调整设备运行时间，可以减弱室内的空气对流，进而减缓热压效应。
3) 对于具有高大中庭的商场建筑，通过减缓热压效应，可以实现室内环境与节能效益的双赢，表明了优化措施的可行性与有效性。通过对该商场的连续监测，解决了商场竖直温差过大的问题，目前商场整体的竖直温差仅为3～4 ℃，整体温度处于舒适水平；同时该商场供暖能耗大幅减少，相比开业初期下降了58.5%。
全文刊登于《暖通空调》2018年第1期
作者：清华大学 刘畅 魏庆芃 吴序
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