摘要:自然通風(fēng)是如今建筑普遍采取的一項改革建筑熱環(huán)境、節(jié)約空調(diào)能耗的施工技術(shù)。本文就高層建筑自然通風(fēng)節(jié)能設(shè)計進(jìn)行了探討,結(jié)合了實(shí)際的工程實(shí)例,重點(diǎn)探討了高層辦公建筑自然通風(fēng)引入技術(shù)的可行性方案,以期能為高層建筑自然通風(fēng)節(jié)能的設(shè)計提供參考借鑒。
關(guān)鍵詞:高層建筑;自然通風(fēng);節(jié)能設(shè)計
1 前言
近年來,隨著空調(diào)技術(shù)的發(fā)展,人們越來越能主動的控制建筑室內(nèi)環(huán)境,滿足了前所未有的室內(nèi)舒適氣候要求,從而使人們淡忘了建筑中自然通風(fēng)的應(yīng)用。而在空調(diào)技術(shù)得以普及的今天,為了保持良好的室內(nèi)空氣品質(zhì)、節(jié)約能源以及減少建筑綜合癥發(fā)生的壓力下,把自然通風(fēng)這一傳統(tǒng)建筑生態(tài)技術(shù)重新引回現(xiàn)代建筑中,有著比以往更為重要的意義。自然通風(fēng)不僅能夠有效地提供新鮮空氣和實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境的合理溫度,還能夠節(jié)約常規(guī)能源、減少環(huán)境污染。而如今,現(xiàn)代城市和建筑的發(fā)展,使得自然通風(fēng)的利用比傳統(tǒng)建筑更加復(fù)雜,因此,若想順利地在高層建筑中應(yīng)用自然通風(fēng)技術(shù),就要做好事前的設(shè)計。本文就高層建筑自然通風(fēng)節(jié)能設(shè)計進(jìn)行了探討,以期能為高層建筑自然通風(fēng)節(jié)能的設(shè)計提供參考借鑒。
2 關(guān)于自然通風(fēng)
自然通風(fēng)(Natural Ventnation)是一種比較經(jīng)濟(jì)的通風(fēng)方式。它不消耗動力,也可獲得較大的通風(fēng)換氣量,簡單易行,節(jié)約能源,有利于環(huán)境保護(hù),被廣泛應(yīng)用于工業(yè)和民用建筑中。國內(nèi)外對自然通風(fēng)的概念或描述不盡相同,但總體來說,所謂自然通風(fēng),其共同的特點(diǎn)是:依靠室外風(fēng)力造成的風(fēng)壓和室內(nèi)外空氣溫度差造成的熱壓使空氣流動,以達(dá)到提供給室內(nèi)新鮮空氣,稀釋室內(nèi)氣味和污染物,除去余熱和余濕的目的。
以某一棟辦公建筑標(biāo)準(zhǔn)層的自然通風(fēng)進(jìn)行模擬,對過渡季節(jié)典型周內(nèi)開窗與不開窗條件下的室內(nèi)溫度進(jìn)行比較,過渡季節(jié)開窗自然通風(fēng)可以較好地滿足室內(nèi)溫度及換氣次數(shù)需求,并降低空調(diào)運(yùn)行時間2001h/a和能耗30.61kWh/(a・m2)。
辦公建筑多為高層建筑,由于室外空氣質(zhì)量、溫度、濕度、風(fēng)環(huán)境和聲環(huán)境并不能總是滿足自然通風(fēng)的需求,因而辦公建筑自然通風(fēng)的策略主要包括:自然通風(fēng)與機(jī)械通風(fēng)混合使用策略、間歇性自然通風(fēng)策略、利用自然通風(fēng)策略等。
自然通風(fēng)與機(jī)械通風(fēng)混合使用策略主要是指在條件允許的情況下盡量采用自然通風(fēng),機(jī)械通風(fēng)只是在需要的時候作為輔助的手段。在高層建筑中,隨著豎向高度的變化,樓層的內(nèi)外部氣壓差是不同的,因此在實(shí)際操作中通常會考慮混合通風(fēng)模式。根據(jù)建筑內(nèi)各部分的實(shí)際條件和不同需求采用不同的通風(fēng)方式,或自然通風(fēng)與機(jī)械通風(fēng)同時使用,或白天使用機(jī)械通風(fēng)夜晚使用自然通風(fēng)。
間歇性自然通風(fēng)是指在室外條件適宜的時候打開窗戶或通風(fēng)口利用自然通風(fēng),不適宜的時候關(guān)閉窗戶或通風(fēng)口。溫度適宜的春秋兩季是最適合利用自然通風(fēng)的時節(jié)。而在夏季,根據(jù)對人體熱舒適感研究可知,當(dāng)環(huán)境溫度超過34℃時,即使有風(fēng)吹過,大部分人仍會感到炎熱,因此當(dāng)室外氣溫高于34℃時,就不適宜開窗通風(fēng)。在多數(shù)情況下,辦公室并不需要24小時通風(fēng),只要保證充足的換氣率即可,在噪音較大時亦可采用這種間歇性自然通風(fēng)策略,充分利用夜間自然通風(fēng)降溫(Nishtcooling)也是獲得舒適和節(jié)能效果的有效手段。只要利用自然通風(fēng)得當(dāng),辦公室全年使用空調(diào)的時間可以壓縮至20%,這將很大程度的減少空調(diào)能耗。
利用自然通風(fēng)策略是指根據(jù)辦公建筑自身的建筑特征,通過合理的建筑設(shè)計,充分利用自然通風(fēng)。目前的大多數(shù)建筑設(shè)計中,自然通風(fēng)應(yīng)用存在較多問題,辦公建筑室內(nèi)空氣品質(zhì)不理想,大多數(shù)辦公人員長時間工作在封閉空調(diào)的辦公環(huán)境中會感覺到氣流小頭暈悶氣。即使在過渡季節(jié)(即不開啟空調(diào)的季節(jié)),許多辦公人員仍然還會感覺悶氣。這種辦公室內(nèi)的環(huán)境感受與辦公建筑外殼設(shè)計模式(即采用全玻璃幕墻或玻璃面積比例過大的幕墻)能量利用模式(即采用全封閉的通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng))空間設(shè)計模式(即采用“層積式”的設(shè)計模式)等有關(guān)。經(jīng)過分析,以上現(xiàn)狀與問題的產(chǎn)生原因來源于室外空氣質(zhì)量與噪聲使自然通風(fēng)使用受到限制、辦公建筑空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行模式的影響、自然通風(fēng)技術(shù)的采用受到限制、室外風(fēng)速限制自然通風(fēng)的運(yùn)用、立面開窗的安全隱患、辦公建筑的熱量與建筑體型對自然通風(fēng)的限制以及大部分辦公建筑在設(shè)計上就考慮自然通風(fēng)設(shè)計等。
3 高層建筑的自然通風(fēng)形式
在實(shí)際工程應(yīng)用中,常使用的高層建筑自然通風(fēng)形式有幕墻開窗及雙層通風(fēng)幕墻。幕墻窗的開啟方式常見的有固定窗、推拉窗、平開窗、外開上懸窗、平行外推窗等。雙層通風(fēng)幕墻按空氣循環(huán)方式分為內(nèi)循環(huán)、外循環(huán)(整體式、廊道式、通道式、箱體式)開放式雙層幕墻。在雙層幕墻結(jié)構(gòu)中,內(nèi)層幕墻與外層幕墻之間形成一個相對封閉的空間,空氣通過下部的進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入此空間,又從上部排風(fēng)口離開此空間,這個空間稱為熱通道,熱通道內(nèi)的空氣一直處于流動狀態(tài),并與內(nèi)層幕墻的外表面不斷地進(jìn)行熱量交換,因此雙層幕墻又稱為熱通道幕墻。它改變了傳統(tǒng)幕墻的結(jié)構(gòu)形式,在節(jié)能方面,比傳統(tǒng)幕墻節(jié)能達(dá)50%,保溫性能達(dá)國際II級;采用無鍍膜玻璃,實(shí)現(xiàn)自然光照明,節(jié)省電力;具有冬季保溫和夏季隔熱的雙重功能,有效地減少空調(diào)的使用,達(dá)到節(jié)能效果。雙層幕墻的防塵通風(fēng)功能使其在惡劣天氣(特別是沙塵暴發(fā)生地區(qū))也不影響開窗換氣,提高了室內(nèi)空氣質(zhì)量,同時雙層幕墻結(jié)構(gòu)使得超高層建筑幕墻擁有自然通風(fēng)的可能,從而最大限度地滿足了使用者對于自然通風(fēng)在生理與心理上的需求。
4 高層建筑自然通風(fēng)設(shè)計研究
4.1 項目概況
本項目的設(shè)計概念是將建筑形態(tài)、結(jié)構(gòu)受力以及文化符號統(tǒng)一為“蜂巢”狀的六邊形原型。整個建筑的外立面由五種不同尺寸的六邊形窗構(gòu)成。整個項目由兩棟塔樓及裙房組成,一號塔樓為酒店,總高102m;二號塔樓為辦公酒店綜合體,總高358m;裙房為酒店大堂及配套商業(yè)、餐飲等設(shè)施。
4.2 自然通風(fēng)策略的技術(shù)探究
4.2.1 對于機(jī)電設(shè)計專項的研究 在本項目機(jī)電設(shè)計中,力求創(chuàng)建智能化辦公,搭建先進(jìn)的通訊與計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)信息高速公路,其中包括結(jié)構(gòu)化綜合布線與光纖電纜傳輸、綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)、萬兆以太網(wǎng)、數(shù)字程控交換機(jī)通訊等。對于空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計,酒店空調(diào)全年同時供冷供熱,辦公樓采用變風(fēng)量空調(diào)(AVA)系統(tǒng)。在保證室內(nèi)優(yōu)良的空氣品質(zhì)的同時,實(shí)現(xiàn)運(yùn)行節(jié)能,為辦公樓的租戶提供便利的24小時供冷系統(tǒng)?照{(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)設(shè)置熱回收裝置,回收排風(fēng)中的冷、熱氣,并將鍋爐煙氣進(jìn)行余熱回收用于預(yù)熱生活熱水。采用高能效比的制冷機(jī)組,配備機(jī)房群檢及BMS系統(tǒng),所有設(shè)備將根據(jù)總冷負(fù)荷變化進(jìn)行優(yōu)化的運(yùn)行控制。全樓的空調(diào)、通風(fēng)系統(tǒng)采用直接數(shù)字控制(DDC)系統(tǒng)進(jìn)行自控,實(shí)現(xiàn)運(yùn)行管理的數(shù)字化和計算機(jī)操作。
從以上機(jī)電設(shè)計概況可以看出此項目設(shè)計機(jī)電空調(diào)系統(tǒng)屬于全空氣系統(tǒng),新風(fēng)由室外經(jīng)新風(fēng)機(jī)組處理后送入室內(nèi),通常該新風(fēng)機(jī)組是以滿足室內(nèi)衛(wèi)生要求而不是負(fù)擔(dān)室內(nèi)負(fù)荷來使用的。送風(fēng)溫度、相對濕度、二氧化碳(CO2)濃度等都受控于新風(fēng)機(jī)組。變風(fēng)量空調(diào)(AVA)系統(tǒng)在風(fēng)機(jī)上安裝變頻器,通過室內(nèi)的感應(yīng)探頭對溫度進(jìn)行分析,通過中央控制器改變變頻器的頻率,從而達(dá)到改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來控制室內(nèi)溫度。較定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)在節(jié)能與室內(nèi)空氣舒適度上已有提高,但仍然存在著中央空調(diào)系統(tǒng)的多項弊端。
4.2.2 立面開窗的可能性
本項目海河環(huán)繞,空氣質(zhì)量好,地段周邊環(huán)境優(yōu)美,從室外空氣質(zhì)量與噪聲的角度具備立面開窗的可能性。從機(jī)電節(jié)能設(shè)計的角度分析,項目采用變風(fēng)量空調(diào)(AVA)系統(tǒng),新風(fēng)量增加會改變系統(tǒng)負(fù)荷,通過控制器的調(diào)控可以達(dá)到環(huán)保節(jié)能的效果。
通過現(xiàn)地數(shù)據(jù)采集研究室外風(fēng)速對自然通風(fēng)的影響,報告給出的極值壓力已經(jīng)考慮了封閉結(jié)構(gòu)的內(nèi)壓值,因此給出的結(jié)果可直接作為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計。從統(tǒng)計結(jié)果可知塔樓立面風(fēng)壓值與規(guī)范值基本相當(dāng);T2塔樓邊角的負(fù)壓很高。因此在T2的轉(zhuǎn)角位置應(yīng)避開幕墻窗開啟,其余部位外墻風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)值從《報告》中可以查到除去轉(zhuǎn)角后最大風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)值(100m以上部位)多在-4~2.5之間,參考《建筑外門窗氣密\水密\抗風(fēng)壓性能分級和檢測方法》,選擇抗風(fēng)壓性能等級6級,立面開窗可滿足要求。
4.2.3 高層開窗安全性研究
通過提高窗下口據(jù)室內(nèi)地面的高度,采用高窗的設(shè)計以滿足內(nèi)部人員的安全要求,同時也可解決臨近窗口的工位受自然通風(fēng)影響過大的問題。開啟窗扇在滿足各項結(jié)構(gòu)指標(biāo)的前提下,增加安全技術(shù)的應(yīng)用,例如智能電動開窗器,可與空調(diào)系統(tǒng)、消防系統(tǒng)聯(lián)動,加強(qiáng)高層建筑立面外開窗的安全可靠性。
4.2.4 立面設(shè)計和幕墻體系與立面開窗的研究
立面外形設(shè)計為中國古典建筑中經(jīng)典“六棱窗”,在設(shè)計中留有300寬外窗臺,當(dāng)采用上懸外開窗時,開啟后不會突出外鋁板幕墻,避免破壞“六棱窗”的整體造型。本項目立面采用單元式幕墻,減少高空室外作業(yè)和現(xiàn)場施工,工廠加工質(zhì)量更有保證,同時為開窗提供了很好的條件。
5 結(jié)語
綜上所述,建筑的自然通風(fēng)節(jié)能設(shè)計具有多方面的優(yōu)勢,既能滿足現(xiàn)代建筑施工的要求,也能減少能量消耗,以實(shí)現(xiàn)更大的經(jīng)濟(jì)效益。隨著建筑行業(yè)的不斷發(fā)展,節(jié)能降耗得到了各方面的高度關(guān)注。在建筑節(jié)能設(shè)計中,首先應(yīng)分析傳統(tǒng)的通風(fēng)系統(tǒng)存在的不足,了解節(jié)能設(shè)計的各類優(yōu)點(diǎn),然后再根據(jù)建筑物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)情況詳細(xì)設(shè)計自然通風(fēng)系統(tǒng),以保證最終方案的科學(xué)性,通過住宅通風(fēng)設(shè)計的合理運(yùn)用,可以實(shí)現(xiàn)提高能源使用效率、保護(hù)環(huán)境的目的。
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