节能论文-浅谈建筑节能中的通风设计

浅谈建筑节能中的通风设计【内容摘要】本文从规划设计的角度、建筑设计的角度以及建筑外围护结构设计的角度探讨了通风设计在建筑节能方面的作用。【关键词】自然通风通风设计建筑节能随着中央空调技术的诞生及其不断完善，建筑与自然的隔阂越来越大，建筑热抵御能力越来越强但热亲和能力却越来越差。很多建筑师在设计时觉得通风设计并不是自己的设计范围，将自己的设计局限于建筑外观设计而不重视建筑功能设计。同时区域性建筑群之间的通风设计，若是小区设计还好一些，新旧建筑之间考虑通风设计的更是少之又少。这一现象使得建筑相互之间阻挡自然风的流通，让我们的城市温度越升越高。对于建筑的降温过多地依赖于空调，通风降温除湿似乎已经过时，但是空调的使用会消耗大量能源，伴随着能源危机，建筑节能开始进入人们的视野。各种各样的节能技术应运而生，同样一项历史久远的技术——通风技术又重新受到了人们广泛的关注。通风不仅可以在全年部分时间里不消耗或很少消耗能源的情况下降低室内的温度，带走潮湿气体，达到人体热舒适从而部分取代空调制冷系统的使用。而且通风还能够为室内提供大量室外新鲜空气，排出室内浑浊气体，空气流通可提高室内的空气品质，为人们营造贴近大自然的室内生活环境。广州的母亲河珠江年平均风速0.7～2.7m/s，最大风速30m/s。本来居住于珠江两岸的居民都可以享受到母亲河带给我们美好的自然风。但是随着城市高速发展的进程，在广州市整体规划被动的前提下，珠江两岸越来越多的高层建筑涌现，整体规划以及单体规划都没有考虑到通风的设计。滨江东从海印桥至广州大桥之间不到10公里，而这一执广州江景豪宅牛耳的区域的发展也不过短短十几年。十几年后的今天，这一区域一直被建筑学家和城市景观学的研究者们所“诟病”。在上世纪90年代中的时候，就有专家提出，珠江边不能盖如此高楼，这将影响珠江景观。10年后，海珠半岛已经盖到了三期，共有9栋32~42层的高层。第4期也还将建成4幢超高层。从海珠半岛开始数，一路到42~43层的金海湾、33层至43层的中信君庭、海琴湾、珠江广场、丽景湾、汇美景台、中海锦苑，这10公里的江岸上有近30幢100米至130米高的商住楼。除了中大北门广场和目前仍只有三层高的广东国渔冷冻海产有限公司，沿江已经没有一块空旷场地。这些高楼相当密集，如金海湾和在建的滨江明珠苑间不超过20米，整个片区几乎连成一堵墙。除了滨江东外，目前滨江中路的超高层建筑也在不断涌现，就连滨江西白鹅潭段也有一栋在建的51层的商住建筑。因为有了成排的高层建筑，这段珠江成了一道两边都是“高墙”的走廊。这就使得来自珠江上的自然风，吹不到更远的地方，因珠江而起的自然气候，也逐渐消失了。城区珠江两岸，不是没有建筑就是好的，也不是只有低层建筑才是好的。我的看法是，整个珠江沿线应该统筹来考虑，在规划的起初就要考虑区域通风设计，有些地段的确适宜盖高层建筑，但相当多的地段是不适宜盖高层建筑的。这些不适宜盖高层建筑的地段，就应该考虑自然和环保，使市民能够享受到“母亲河”带来的愉悦。据相关人士的调查研究，以18层以上的高楼计，广州可以位居世界前几名，现约有7000多栋高层建筑，其中100米以上的超高层建筑有360多栋。另外，广州高楼密集程度也排在全球前列，有的高楼间距甚至不到10米，令周边低矮的房屋成年难以采光，甚至通风不畅，在城市形成了一个个“深井”。其实，除了标志性的高楼外，发达国家，特别是欧洲国家，现在基本上不建高楼了。目前国内的上海、南京等地也都相继立法，限制市区的高层建筑，其做法值得借鉴。另外，国家对于高层建筑分布密度是有规定的，一般来说为高度的0.7~2倍之间，也就是楼高100米的建筑间至少要有70米的间距，由城市规划局进行管理。一、从规划节能设计出发考虑通风设计住宅建筑规划节能设计应从建设选址、布局、朝向、间距、春冬两季季风主导风向、太阳辐射及建筑外部空间环境构成等方面进行深入研究。在整体布局方面，要充分结合当地的自然环境因素、气候特征、住宅的功能、居民的行为活动特点等，按照冬季能为居住小区遮挡西北风，而夏季又能让东南风覆盖整个居住小区的要求，尽量封闭居住小区的西北向，合理选择封闭或半封闭周边式布局的开口方向和位置，使得居住小区的组合避风节能，以形成优化微气候的良好界面，建立气候防护单元。在朝向方面，由于我国大部分大区处于北温带，住宅坐北朝南历来被认为是良好朝向。而在现代住宅节能设计研究中，为精确选择不同地理环境和气候条件下住宅节能的最佳朝向，则需要综合考虑住在各朝向墙面及居室内可获得的日照时间、日照面积、有利于本地区气温特点的太阳辐射热量、可获得的紫外线量及住宅朝向与主导风向关系等主要因素，并通过对有关数据进行实测统计和分析计算，从而得出当地能满足节能要求的住宅建筑的最佳朝向或适当朝向。根据相关资料分析，我国大多数城市住宅的最佳朝向一般为南略偏东150或南略偏西150，呈南北向布局，这种布置方式可使每套住宅都兼有南北两个朝向，并把主要居住空间尽可能设在南向。在外部空间环境方面，不应片面追求容积率，要确保居住小区绿化面积和相应楼宇间的间距，这样一方面可以形成良好的居住条件，使居民获得良好的心情和视觉感受，同时也改善了居住小区住宅的日照、通风条件，更有利于微气候环境的形成，以减少室内热环境质量对设备的过分依赖。二、建筑通风设计建筑通风一般分为机械通风与自然通风两种类型。机械通风是指完全依靠电动风机进行室内外换气操作，保持室内外换气操作，保持室内人体的健康与舒适，其优点是能够准确的控制室内外换气量，及时排出室内污浊的空气，引入室外新鲜的空气，缺点是需要消耗额外的电能。自然通风是指完全依靠自然风进行建筑通风，其优点是节能、费用少，缺点是受大气气流与室内环境影响非常大，风压或热压不稳定，换气量与效果不稳定。当被引入的外界大气气流既能保持人体的健康与安全，又不超过人体的热舒适承受极限时，就能够使用此项被动式技术。自然通风是利用自然能源且不依靠传统空调设备而仍能维持适宜的室内环境的方式。应用自然通风技术的意义在于三方面：一是自然通风带来的被动式换气可以减少机械通风带来的能源消耗，甚至有的时候可以减少部分空调与供暖设备的使用；二是消除潮湿和污浊的空气，提供较好品质的空气；三是它可以给人体带来更好的热舒适感受。自然通风的基本作用原理主要是利用室内外的温度差造成的热压或风力作用所产生的风压来实现换气通风。自然通风已经被人类使用了数千年，如何将机械通风与自然通风完美的结合，在耗能最少的情况下享受到自然带给我们的新鲜空气，我认为是所有向往节能建筑的设计人员共同的向往。在建筑节能方面的通风设计措施的主要体现。一是建筑外环境的改善，包括冬季防风、夏季及过渡季促进自然通风以及城市热岛效应的控制。二是建筑主体围护机构热工性能的改善，包括保温、隔热、遮阳、通风性能等。三是冷热源能效比及输配系统效率的提高，以及末端用冷（热）的可调节及费用承担形式。这些措施大多都需要新技术与新材料的运用，势必要增加一部分建筑造价。其中通风设计如果在方案设计阶段运用合理的情况下，能够在不需要增加建筑造价的基础上使节能产生明显的效果，是建筑节能的重要手段。从建筑设计的角度来说，风环境设计主要是自然通风与防风设计。自然通风贯穿于风环境之中，而自然通风有事一种节能有效健康安全的通风方式。严寒、寒冷地区，如何做好冬季防风也是风环境设计研究中的重要内容，对节约能源也有重要意义。建筑设计对自然通风设计的影响也是最可控制的。通过合理的建筑设计会保证在室外风环境不变的情况下，实现室内最优的通风设计。建筑设计包括的类别很多，流入建筑群的朝向布局排列方式。建筑单体的造型设计，围护结构设计，细部设计，建筑的构造设计等等。这些方面在自然通风设计中都起着巨大的作用。欧洲建筑委员会通过的自然通风设计方法归纳为八步：研究设计要求；计划气流通道；了解建筑物用途和可能需要特别注意的特征；决定通风要求；评估外部推动力；选择通风装置的类型；确定通风装置的大小；分析设计。另外与生态建筑相关联的各种新技术也应用于建筑的自然通风。如双层表皮结构，太阳能系统，高层绿化等技术都与自然通风技术紧密结合。三、外围护结构通风设计建筑节能成为世界建筑界共同关注的问题。建筑外围护结构的热工性能直接影响建筑能耗，玻璃幕墙是现代建筑较多采用的外围护结构之一，它不仅实现了建筑外围护结构中墙体与门窗的合二为一，而且把建筑围护结构的使用功能与装饰功能巧妙的融为一体，使建筑更具现代感和装饰艺术性。而大面积玻璃幕墙在提供良好采光的同时却又带来了采暖与制冷能耗高的隐患，它是建筑能耗的一个薄弱环节。但是双层式玻璃幕墙的出现改变了这个状态，双层式玻璃幕墙利用热压来实现自然通风，达到建筑节能的效果。由于风压通风是依靠建筑物迎风面和背风面的压力差实现的，所以风压通风队建筑的室外风环境依赖性很强。当室外风向不稳定时或者是风速很小的情况下，建筑物迎风和背风面不能形成足够的风压。同时周边建筑群或者是高大的树木等都会对建筑周边的风场产生巨大的影响，使建筑周围形成不了足够的风压，无法实现室内的风压通风。这种情况下，就需要利用热压原理来实现建筑的自然通风。热压通风的原理就是利用空气的密度差来实现的。在建筑的内部由于空气密度不同，冷空气密度大便会有下降的特点，而热空气密度小便趋向上升。这种冷空气下降和热空气上升就是热压作用下的空气交流。热压通风的原理实际上就是我们平常所讲的“烟囱效应”。室内温度高、密度低的空气向上运动，底部形成负压区，室外温度较低、密度略大的空气则源源不断补充进来，形成自然通风。热压通风效果的好坏主要有两个因素决定。第一个因素是进风口和出风口的高度差。高度差越大风压通风的效果越明显。第二个因素就是室内外空气的密度差，密度差越大，热压通风的效果也越明显。热压通风的作用效果与进出风口的高度差H，以及室内外空气的温度差Δt，之间的关系可以用以下公式表示：ΔP=pgHβΔt其中p代表空气密度，β代表空气的膨胀系数。由此公司可以看出，热压通风的作用效果跟进出风口的高度差以及室内外空气的温度差成正比。因此在室外风环境不易形成足够的风压时，应借助于热压通风。下面介绍一个利用热压通风的建筑外围护结构工程：广州市财政局业务用房位于广州市珠江新城I2-6地块。是广州第一栋双层呼吸玻璃幕墙的建筑。工程外立面双向扭曲，造成“榄核型”的空间视觉效果，同时还充分考虑了玻璃幕墙的环保节能效果，采用了双层玻璃幕墙，双层幕墙主要内外由两层玻璃幕墙和中间的一个通风换气通道组成。内外两层幕墙由连接构件连成一个整体，并在中间层安装与建筑智能控制系统连接的通风装置、遮阳装置、温度感应装置等智能化设施，使中间层成为一个具有阳光智能控制、室内外空气交换、节能和降噪等功能的缓冲的空间，还可兼作观光通道和检修走廊。双层玻璃幕墙的工作原理，实际上是通过对幕墙内部的通风装置和遮阳装置的调节，控制进入中间层的空气和太阳能，使中间层形成太阳能温室效应和烟筒效应。───在冬季寒冷时，关闭中间层的进出风口，减少中间层的空气交换，使中间层的空气在太阳的照射下储存大量的太阳能并升温，形成温暖的保护层，能大大减少室内空间的采暖能耗；在夏季炎热时，打开遮阳片并适当调节及朝向和角度，将大部分太阳能阻隔在室外，打开中间层的进出风口，利用受热升温的空气向上升的原理，使中间层形成烟筒效应，流动向上的空气带走停留在中间层的太阳能，形成降温的保护层，能大大减少室内空间的制冷能耗。正因为双层玻璃幕墙有着普通幕墙没有的结构构造，有着特殊的机构，有着一系列智能型控制装置，也确定了双层玻璃幕墙有着与众不同的特点和优点。如：它能利用中间层的缓冲空间使建筑能够在一年四季，无论室外的气象条件如何，都能达到自然通风，并有效地防止灰尘进入室内；它能利用遮阳装置的可调节功能，调节遮阳片的朝向和角度，改变室外阳光的亮度和入射角度，营造一个舒适柔和的室内光环境；它能根据人们的要求，灵活地在中间层实现太阳能温室效应和烟筒效应，保护室内使用空间，大大减少室内空间空气调节的能耗；它能利用内外两层幕墙和中间层内部的各种材料和装置，改变声音传递的形式，提高幕墙的隔音效果。这些双层玻璃幕墙独有的特点，也是双层玻璃幕墙的最大优点。双层玻璃幕墙主要内外由两层玻璃幕墙和中间的一个通风换气通道组成。内外两层幕墙由连接构件连成一个整体，并在中间层安装与建筑智能控制系统连接的通风装置、遮阳装置、温度感应装置等智能控制设施，使中间层成为一个具有阳光智能控制、室内外空气交换、节能和降噪等功能的缓冲的空间（还可兼作观光通道和检修走廊）。从而达到自然环保、节能降噪的目的，为身在其中的人们提供一个安全、舒适、柔和的工作生活空间。根据双层玻璃幕墙的原理可知，里外两层幕墙中间的空气缓冲层可起到冬季保温、夏季隔热的作用，而控制的关键就在于空气缓冲层与室内室外空气交换的调节。由于空气缓冲层与室外空气交换依赖的就是进出风口，因此要控制空气缓冲层与室外空气的交换就必须使进出风口的进出风量是可调的，通过电动控制调节进出风口的开合程度（可加装环境探测器，自动控制开合）。与此同时要注意进出风口的防水密封处理。进出风口直接与缓冲层连通，能进行内外空气的交换也必然容易导