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行业新闻
 
新时代公共建筑的通风生态化设计
发布时间:2016-12-4

在建筑通风系统的设计中,建筑师和暖通工程师谁是最重要的设计师?令人奇怪的答案是建筑师。有以下两个原因:第一,通风系统的尺寸在某种意义上讲,几乎完全由建筑师所做的建筑设计决定。成功设计的通风系统的重量及占用空间可小于常规情况下的一半,而仅就通风而言,成功的生态建筑耗费的能量只有常规下的十分之一,这在技术上和经济上都是可行的——已经有了现实的例子;第二,建筑师是通风系统的首要设计师,建筑设计确定了建筑分区的数量,同时也决定了空调机房、天井、通风塔等的定位。在设计初期建筑师与通风工程师的密切配合,对于通风的生态化设计加以考虑相当必要,在新时代公共建筑设计中相当普遍,解决这类问题的途径也是异彩纷呈。


     建筑通风生态化设计的原理和意义

     我们的建筑不应该是喘着粗气的疲惫的人,而应该是吐纳自如的气功高手,建筑设计中对通风的把握不应该是低效和牵强的。

     我们可以从自然中得到启示:在动物大家庭中,冷血动物、温血动物是有较大差异的两种不同类别,温血动物主动地适应环境,通过对抗环境的方式生存,而冷血动物也同样生存下来——他们采取的是顺应环境的变化的方式,这种方式虽然适应范围较小,但他们的能耗也相应小得多,可以说是更加“生态”的方式。我们不妨学习它们,采取“顺应”的方式适应自然变化,通过对建筑造型、结构、构件的改进,大大减低能耗,同时利用“主动”的设备进行通风,对抗较恶劣的气候条件,实现公共建筑通风设计的生态化。 

     粗略地讲,建筑通风可能造成如下问题:1热量或冷量的过度消耗;2外界自然条件到来的不适感觉;3噪音及可悬浮颗粒污染;4通风过程使自然或人工影响产生的效果不可控;5建造、维护过程中的成本增加。

     实际上,当新鲜空气沿着合适的通道顺畅地流向人们希望的方向时,通风是协调与优美的,它创造一种效率、带来一种美感,将建筑导向生态化的轨道。 暖通百科 

     建筑通风至少可以有以下两方面的意义:

     1 环境意义:带来新鲜的、温度适合的供人使用的空气。

     2 热工意义:抵御自然条件的不利影响,防止过冷或过热,成为隔热或保温的活的屏障,自主地适应气候变化。 

     新时代公共建筑通风生态化的设计手法

     对于通风生态化设计,我们可以将常见的生态式通风方式约略分成大循环、小循环、微循环三类。它们在不同层次上实现建筑生态化通风发挥自己的作用。

     这里提出的大循环,指的是从建筑物尺度上考虑的通风设计,主要表现为建筑造型上对通风的考虑。

     小循环,指的是从房间尺度上考虑的通风设计,主要表现为替换式通风等形式。

     微循环,指的是从建筑构件尺度上考虑的通风设计,主要表现为双层幕墙等形式。

     大循环主要指的是在建筑尺度上的通风循环,实现的形式也多种多样。就是一个比较完整的体现。这是一座三层的建筑.是一家电讯公司的总部。建筑采用对称的平面.中心部分设有一个小规模的中庭.或者更精确地说:一个比较大的采光井。 

     建筑使用混合模式.即人工能源和自然手段相结合的办法来提高能源的使用效率和减少不必要的能源消耗。能源系统包括一个自然通风系统和一个辅助的机械通风系统。自然通风通过中庭的管道效应来实现J建筑顶部设有6个线型阵列的通风塔来强化通风效果中庭和风塔使得建筑总面积的70%都能自然通风。机械通风系统包括位于楼板构造中的散风装置。为了提高通风面积,这一建筑区别于其他建筑常用的在吊顶上设置通风口的做法不使用吊顶而将整个天花作为“通风口”,以使新鲜空气能够快速散发到室内空间各部位.从而减少对机械通风设备的动力依赖。而且这样的设计还可以起到“热飞轮”的作用.在白天迅速带走室内产生的热量.在夜间则缓慢地释放出来。室内因声学需要而配置的声学反射板被整合到照明设备中。 

     在室外空气温度比较适合的情况下可直接向室内输送在其他情况下则经过人工降温或者加热后再送到室内使用。在屋顶靠近风塔的地方配置有热量回收装置,这一装置可以将空气中的热量收集起来后再排到室外,收集起来的热量可以用来加热即将送入室内的冷空气。 

     考虑到遮光的需要,建筑南侧的窗户上配置有水平的遮阳板,这些遮阳板在建筑艺术上起到强调立面水平伸展感的作用。北立面呈弧形.朝向公路凸起,由多孔砖砌筑而成。这些砖是从废旧建筑中拆下来重复利用的,这也是环保性的手法。

     建筑虽然规模并不算很大但却是比较早注意到办公建筑生态问题的实例之一。其能源节约手法并不复杂但可操作性比较强,是一个得以成功实践的、人性化的生态设计。 

     小循环的典型方式包括最近国外正流行的一种“替换式通风(displacement ventilation)”,在这种方式下,比室内气温约低1°C的空气从地板下以很低的速率(一般0.2m/s)提供。这些空气根被用者体温、计算机等设备和照明光源加热,然后上升通过天花板和高窗排出,提供更好的室内空气质量和舒适程度。 

     座落于英国伦敦的HELICON是一个比较典型的例子,这一建筑占据了伦敦一整个街区。包括6层办公室以及其下的5层零售商店(其中两层位于地下)。建筑有非常明亮和轻盈的外表,自然光可以射入其内的办公室建筑的外部最大限度地使用了钢和玻璃这两种当代建筑最流行的材料,似乎并不特别适合可持续发展的目标。但仔细考察这一建筑的能源使用策略,显示出设计者对环境问题和能源效率的认真考虑,因而也使得这一建筑从本质上讲不同于那些一度盛行的“高技派建筑”,建筑没有可以打开的窗户,使用一种综合的空气散发系统和水冷式天花来对室内温度进行调节。水冷的天花板(一般为15°C)安装在金属龙骨上。地板内有送风系统,给室内提供新鲜空气。室外空气可以通过过滤器冷却后进入室内.从每层的高处排出。在冬天.新鲜空气在进入室内之前将和室内排出的热空气(经过滤)混合。在必要的时候.空气可以通过围绕建筑的管道加热后再送入室内。 

     建筑师希望外墙是相当透明的。因此在办公空间使用了落地的玻璃幕墙。东侧和西侧立面的幕墙上装有多层玻璃,这些玻璃间有900mm的空腔,空腔的最外层是双层玻璃。清洁和维修人员可以进入这些空腔进行维护管理。空腔中安装有铝制的通风百叶片.这些叶片的旋转由计算机系统自动控制。空腔中空气的流动可以削弱太阳热辐射对室内温度的影响。 

     办公区域内有一个中庭,为配置在中心的办公室提供自然光照明而且排出室内空气因此减少了普通办公建筑中常用的吊顶内的通风管道。

     对于处在城市中心的建筑能源节约是很困难的。因为建筑周围的空气质量和噪音使得自然通风成为不太可取的方式。因此能源节约的主要手段在这个项目中是通过多层外墙系统和水冷式天花外墙的热绝缘性能很高.密封性也很好.它们大大降低了控制室内温度所需要的能耗。 

     微循环的一种典型的形式是双层外墙系统。

     外墙是建筑室内外环境之间的分界,其设计往往直接影响到室内环境质量和建筑在生态方面的表现,特别是玻璃幕墙。外墙应该能满足自然光照、太阳能的主动或被动利用防止过度热辐射、减少室内热损失。许多研究表明.双层外墙系统有很好的热学性能。它能提供一种“空气流动的密封”,即它可以让空气流动进行通风,但同时又具有良好的热绝缘性能。其工作原理是空气腔里较低的气压把部分废气从房间抽出并且吸收太阳辐射热后变暖、自然地上升从而带走废气和太阳辐射热。 

     一般来说,.双层幕墙和传统的窗户相比大体能够减少20%-25%的能耗。在空气腔中增加日光控制装置(如百叶、光反射板、热反射板等)可以同时满足建筑自然通风、自然采光的要求。它的实质在于:形成一个生物气候缓冲层(BBLbioclimatic buffering layer )。人们把这种起缓冲作用的生物气候缓冲层称作生态建筑的形式因子。 

     双层幕墙系统的长处是多重的。其中之一为微循环状态下的通风。它能将室内空气和玻璃墙内表面之间的温度差控制在最小范围内。此外它还兼具隔音等优良性能。

     现在这种系统已得到了越来越广泛的运用。双层外墙系统独有的特点是它使高层建筑的高层部分也可以进行自然通风而不影响幕墙正常的隔热功能。 

      在德国埃森的气候比较温和,冬季平均气温为4°C,最低记录为零下9°C。夏季气候则比较凉爽。因此通过自然通风就可以带走从办公设备散发的热量而保持室内适宜的温度。然而,如果不加控制,玻璃幕墙透射的热量将增加大量的空调负荷。在WEAGHQ大厦中,建筑师英恩霍文及合作工程师发展了这种可“呼吸的外墙”来平衡热绝缘要求和日光照明、自然通风间的冲突。双层幕墙的外层由1920×3461㎜的强化玻璃构成,内侧是两层玻璃,玻璃间有充氦气的隔热层。在内外层之间深度为50cm的空腔中安装有百叶,由80mm宽的铝板制成,可以旋转。百叶被外层的玻璃保护起来,免遭风雨的浸蚀.起到遮阳和热反射的作用。当太阳辐射很强的时候,空腔内气体温度升高,热空气从每层顶部的开口排出带走热量,同时从底部自然地吸入新鲜空气.每个幕墙单元都成为一个个能“呼吸”的肺。而在冬季,当通气孔关闭时,这些空腔中的空气吸收并存储辐射热成为建筑的“棉袄”。 

     幕墙上安装有一种鱼嘴形的结构,允许新鲜空气从每层楼的底部进入这一空腔,而从顶部的开口排出“鱼嘴”这一精巧的设计创造了一个风压差,可以将外界进入的气流调整到适宜的速度,这在强风天气下尤其重要。而在无风的天气里.“鱼嘴”内外的压力差同样可以吸入相当的空气量。在空腔内外的空气之间气压差促进空气流动,同时将热量从空腔内排放出去。“鱼嘴’的具体尺度随建筑层数的增高而略有不同,以适应不同高度的气压。在发生火灾时,火焰通过各层的窗户垂直或水平蔓延是很常见的,鱼嘴结构能在防止火焰蔓延的同时迅速排出烟尘。 

     强风会对建筑产生很大的影响,而且在高空,风力往往很强,高层部分的自然通风往往很难。狂风可能吹袭室内,形成紊流和噪音干扰,气压甚至能导致房门打开困难。如果没有特殊措施,建筑高层开窗自然通风是不可能的。埃森的风向主要为南风、西南风和西风,在120m高空风速平均为5m/s。但采用双层幕墙系统以后,外界气流流经空气腔的阻隔和缓冲,可以通过内侧打开的窗户进入室内,创造接近于地面的自然通风效果。 

      大厦的运营管理系统由计算机控制,该系统根据外界气候变化控制着百叶的角度和通风机械、空调系统的动作。当风速超过标准时计算机系统会发出警报,让人们关闭打开的窗户;而当每扇窗户被打开时计算机系统会立刻知晓并关闭相应房间的通风或空调设施。每个办公室的门边都有一个控制板可以微调灯光以节约电能;也可操纵遮阳板的角度。中央控制系统控制着室内温度,但允许个人有士3°C的调节范围以提高舒适程度。通过这些管理措施和双层玻璃幕墙的自然光照明、自然通风和热绝缘性能,使得建筑的能耗大大减少。RWE大厦总的能源消耗不到同等规模普通建筑的一半,辅助性质的机械通风和空调系统的能耗量比普通建筑减少了30%-35%;自然通风率达到了70%,只是在极端恶劣的天气或者要求很高的局部场合才使用空调。 


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