握自然通風(fēng) 設(shè)計(jì)專(zhuān)家的5個(gè)重要課程

當(dāng)這座456米高的昆明駿發(fā)東風(fēng)廣場(chǎng)大廈于2017年中旬在昆明開(kāi)放時(shí)，它將成為世界上最高的自然通風(fēng)建筑之一。塔樓100層的大約四分之三 - 混合用途項(xiàng)目的整個(gè)辦公室部分 - 將至少部分地通過(guò)浮力驅(qū)動(dòng)的自然通風(fēng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。利用堆疊效應(yīng)的基本原理 - 基于空氣浮力進(jìn)出建筑物的空氣流動(dòng) - 冷空氣將通過(guò)立面吸入并進(jìn)入開(kāi)放式辦公室，通過(guò)天花板通風(fēng)系統(tǒng)，并進(jìn)入一系列六個(gè)-story“生態(tài)煙囪”，它將耗盡。通過(guò)利用該地區(qū)的溫和氣候進(jìn)行“自由”冷卻和通風(fēng)(不需要機(jī)械風(fēng)扇來(lái)移動(dòng)空氣)，由Skidmore，Owings&Merrill領(lǐng)導(dǎo)的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì)將該建筑的總能耗降低至少13% 。

“這只是來(lái)自自然通風(fēng)組件，”SOM機(jī)械工程師Stephen Ray博士說(shuō)。“在過(guò)去，疊層效應(yīng)被視為高層建筑設(shè)計(jì)中的敵人。我們正在利用這些力量來(lái)改善建筑性能。“

昆明大廈是近期少數(shù)幾個(gè)項(xiàng)目之一，SOM設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)正在利用公司所謂的“被動(dòng)動(dòng)力學(xué)”的力量為建筑物提供自由冷卻和通風(fēng)。被動(dòng)動(dòng)力學(xué)需要許多具有共同特征的設(shè)計(jì)技術(shù)和理論：利用自然現(xiàn)象來(lái)減少能量消耗和改善室內(nèi)環(huán)境。

被動(dòng)動(dòng)力學(xué)：使用自然空氣運(yùn)動(dòng)的5種方法

1.堆疊效應(yīng)或反向堆疊效應(yīng)是由空氣浮力引起的。由于溫度和濕度差異導(dǎo)致室內(nèi)到室外空氣密度不同，因此產(chǎn)生浮力。與風(fēng)不同，這種空氣運(yùn)動(dòng)在溫度方面相對(duì)穩(wěn)定，并且可以預(yù)測(cè)用于自然通風(fēng)以及通過(guò)太陽(yáng)能塔發(fā)電。

2.風(fēng)塔或風(fēng)捕手是傳統(tǒng)的建筑元素(主要在住宅建筑中)，其功能是捕捉?jīng)鏊奈L(fēng)，這些微風(fēng)經(jīng)常在地面以上的高處流動(dòng)，并將它們引導(dǎo)到室內(nèi)生活空間。

3.地?zé)崾沂褂每諝膺\(yùn)動(dòng)，可以在低于坡度的較冷的室中形成，土壤溫度可以非常穩(wěn)定。地球較冷的溫度可用于冷卻空氣并產(chǎn)生空氣運(yùn)動(dòng)。

4.雙壁立面或雙通風(fēng)立面利用太陽(yáng)陰影產(chǎn)生的熱量積聚在腔內(nèi)產(chǎn)生堆疊效應(yīng)。這些外立面“捕獲”空腔內(nèi)的太陽(yáng)熱量，并形成“微塵”，以防止直接滲透和污染物進(jìn)入建筑物。

5.當(dāng)風(fēng)吹動(dòng)時(shí)，引起空氣運(yùn)動(dòng)，引起空氣隨之移動(dòng)。雖然這種空氣運(yùn)動(dòng)的誘導(dǎo)已經(jīng)用于類(lèi)似于感應(yīng)空氣單元和冷梁的有源HVAC裝置中，但它也可以用作被動(dòng)設(shè)計(jì)的力。當(dāng)風(fēng)吹過(guò)水平面以幫助排氣和自然通風(fēng)時(shí)，將產(chǎn)生垂直向上的空氣運(yùn)動(dòng)。

設(shè)計(jì)策略包括更常見(jiàn)的方法，如疊加效應(yīng)驅(qū)動(dòng)的自然通風(fēng)，雙壁立面和熱質(zhì)量，以及更不尋常的策略，如風(fēng)塔和地?zé)崾摇?/p>

大多數(shù)這些設(shè)計(jì)概念已經(jīng)應(yīng)用了數(shù)千年 - 風(fēng)塔或風(fēng)捕手，來(lái)自古代波斯建筑 - 但憑借當(dāng)今先進(jìn)的建模和模擬工具以及建筑科學(xué)知識(shí)，像SOM這樣的公司能夠更有效，更自信，更宏大地應(yīng)用它們。

SOM可持續(xù)工程總監(jiān)，LEED研究員，體育博士Luke Leung說(shuō)：“無(wú)論人們是否選擇使用它們，這些力量都存在。”“通過(guò)利用它們，我們可以看到能源使用的大幅減少和乘員舒適度的提高 - 并創(chuàng)造出更具可持續(xù)性的建筑。”

Leung指向該公司位于青島的324米高的綠城中心大廈，該大廈頂部裝有風(fēng)帆式表冠，旨在將空氣吸入建筑物的最頂部，在屋頂產(chǎn)生負(fù)壓。這種負(fù)壓將廢氣排出塔外，大大減少了對(duì)機(jī)械風(fēng)扇的需求。

“就廁所排氣而言，通過(guò)使用被動(dòng)動(dòng)力作為建筑物中的自然風(fēng)扇，每年可節(jié)省17,000千瓦時(shí)，”Leung說(shuō)。“通常，你會(huì)使用風(fēng)扇來(lái)產(chǎn)生壓差以排出空氣。我們?cè)谶@里所做的就是直接利用風(fēng)來(lái)制造壓力差。“

綠城中心大廈也將使用空中運(yùn)動(dòng)來(lái)發(fā)電。預(yù)計(jì)皇冠上的四個(gè)管道垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)每年可產(chǎn)生322 mWh的電力，為該建筑物的所有者提供10年的回報(bào)。整個(gè)塔樓的可操作窗戶(hù)允許自然通風(fēng)，進(jìn)一步減少機(jī)械系統(tǒng)的冷卻負(fù)荷。

自然通風(fēng)項(xiàng)目的教訓(xùn)

“作為一個(gè)行業(yè)，我們?nèi)匀辉趯W(xué)習(xí)被動(dòng)動(dòng)力學(xué)，”雷說(shuō)。“我們?cè)鯓硬拍茏钣行У乩媒ㄖ镏械亩询B效應(yīng)?當(dāng)使用自然通風(fēng)時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)，我們應(yīng)該期待什么樣的柯恩達(dá)效應(yīng)(流體射流被羅馬尼亞空氣動(dòng)力學(xué)專(zhuān)家Henri Coanda吸引到附近表面的趨勢(shì)?)

SOM的Leung和Ray從該公司最近的自然通風(fēng)工作中吸取了一些教訓(xùn)：

1.準(zhǔn)備好處理空氣污染物。室外空氣并不總是像室內(nèi)空氣一樣健康。超過(guò)90%的歐洲人(根據(jù)2014年世界衛(wèi)生組織報(bào)告)和42%的人(肺臟協(xié)會(huì)稱(chēng))生活在空氣被認(rèn)為不健康的地區(qū)。SOM的建議：在打開(kāi)任何自然通風(fēng)設(shè)備之前，測(cè)量室內(nèi)和室外空氣質(zhì)量以確保室外空氣可接受。

并非每種氣候都適合自然通風(fēng)。在相對(duì)健康的室外空氣處于比室內(nèi)空氣更冷的可接受溫度范圍內(nèi)的氣候條件下，自然通風(fēng)效果最佳。雖然ASHRAE和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)提供“適應(yīng)性舒適”，通過(guò)自然通風(fēng)在潮濕氣候中實(shí)現(xiàn)舒適，但“適應(yīng)性舒適”基于沒(méi)有空調(diào)的自然通風(fēng)建筑。當(dāng)建筑物裝有空調(diào)時(shí)必須小心。SOM的觀(guān)點(diǎn)：嘗試在過(guò)渡季節(jié)使用自然通風(fēng)。

位于青島的SOM設(shè)計(jì)的綠城中心大廈頂部設(shè)有風(fēng)帆式表冠，旨在將空氣吸入建筑物的最頂部，在屋頂產(chǎn)生負(fù)壓。這種負(fù)壓將廢氣排出塔外，大大減少了對(duì)機(jī)械風(fēng)扇的需求。該建筑將利用空氣運(yùn)動(dòng)通過(guò)頂部的四個(gè)管道垂直軸風(fēng)力渦輪機(jī)發(fā)電。

3.注意可能妨礙性能的設(shè)計(jì)元素。重要的是要了解風(fēng)的承受壓力以及行駛的距離。設(shè)計(jì)應(yīng)基于可用風(fēng)的功率;設(shè)計(jì)所有組件不要超過(guò)可用功率。否則，設(shè)計(jì)可能沒(méi)有足夠的動(dòng)力來(lái)驅(qū)動(dòng)空氣流動(dòng)。

4.使用建筑形式來(lái)提高性能。建筑物的形狀可以成為你的朋友。它可以加速風(fēng) - 例如，通過(guò)使用開(kāi)口或障礙物來(lái)簡(jiǎn)化空氣運(yùn)動(dòng)，或捕獲空氣運(yùn)動(dòng)的誘導(dǎo)效果作為“風(fēng)扇” - 或者它可以用于改變風(fēng)向。

5.自然通風(fēng)的空氣流動(dòng)可以來(lái)自多個(gè)來(lái)源。風(fēng)力驅(qū)動(dòng)的外部空氣不是自然通風(fēng)的唯一空氣流動(dòng)源。由于壓力或溫度差異，空氣將移動(dòng)。堆疊(或反向堆疊)效果通常是比風(fēng)更穩(wěn)定和更強(qiáng)大的空氣移動(dòng)元素?？諝膺\(yùn)動(dòng)也可以通過(guò)較高和較低高度之間的壓力差來(lái)形成。