握自然通風 設計專家的5個重要課程

當這座456米高的昆明駿發(fā)東風廣場大廈于2017年中旬在昆明開放時，它將成為世界上最高的自然通風建筑之一。塔樓100層的大約四分之三 - 混合用途項目的整個辦公室部分 - 將至少部分地通過浮力驅(qū)動的自然通風進行調(diào)節(jié)。利用堆疊效應的基本原理 - 基于空氣浮力進出建筑物的空氣流動 - 冷空氣將通過立面吸入并進入開放式辦公室，通過天花板通風系統(tǒng)，并進入一系列六個-story“生態(tài)煙囪”，它將耗盡。通過利用該地區(qū)的溫和氣候進行“自由”冷卻和通風(不需要機械風扇來移動空氣)，由Skidmore，Owings&Merrill領導的設計團隊預計將該建筑的總能耗降低至少13% 。

“這只是來自自然通風組件，”SOM機械工程師Stephen Ray博士說。“在過去，疊層效應被視為高層建筑設計中的敵人。我們正在利用這些力量來改善建筑性能。“

昆明大廈是近期少數(shù)幾個項目之一，SOM設計團隊正在利用公司所謂的“被動動力學”的力量為建筑物提供自由冷卻和通風。被動動力學需要許多具有共同特征的設計技術和理論：利用自然現(xiàn)象來減少能量消耗和改善室內(nèi)環(huán)境。

被動動力學：使用自然空氣運動的5種方法

1.堆疊效應或反向堆疊效應是由空氣浮力引起的。由于溫度和濕度差異導致室內(nèi)到室外空氣密度不同，因此產(chǎn)生浮力。與風不同，這種空氣運動在溫度方面相對穩(wěn)定，并且可以預測用于自然通風以及通過太陽能塔發(fā)電。

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

3.地熱室使用空氣運動，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)生空氣運動。

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

5.當風吹動時，引起空氣運動，引起空氣隨之移動。雖然這種空氣運動的誘導已經(jīng)用于類似于感應空氣單元和冷梁的有源HVAC裝置中，但它也可以用作被動設計的力。當風吹過水平面以幫助排氣和自然通風時，將產(chǎn)生垂直向上的空氣運動。

設計策略包括更常見的方法，如疊加效應驅(qū)動的自然通風，雙壁立面和熱質(zhì)量，以及更不尋常的策略，如風塔和地熱室。

大多數(shù)這些設計概念已經(jīng)應用了數(shù)千年 - 風塔或風捕手，來自古代波斯建筑 - 但憑借當今先進的建模和模擬工具以及建筑科學知識，像SOM這樣的公司能夠更有效，更自信，更宏大地應用它們。

SOM可持續(xù)工程總監(jiān)，LEED研究員，體育博士Luke Leung說：“無論人們是否選擇使用它們，這些力量都存在。”“通過利用它們，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)生負壓。這種負壓將廢氣排出塔外，大大減少了對機械風扇的需求。

“就廁所排氣而言，通過使用被動動力作為建筑物中的自然風扇，每年可節(jié)省17,000千瓦時，”Leung說。“通常，你會使用風扇來產(chǎn)生壓差以排出空氣。我們在這里所做的就是直接利用風來制造壓力差。“

綠城中心大廈也將使用空中運動來發(fā)電。預計皇冠上的四個管道垂直軸風力發(fā)電機每年可產(chǎn)生322 mWh的電力，為該建筑物的所有者提供10年的回報。整個塔樓的可操作窗戶允許自然通風，進一步減少機械系統(tǒng)的冷卻負荷。

自然通風項目的教訓

“作為一個行業(yè)，我們?nèi)匀辉趯W習被動動力學，”雷說。“我們怎樣才能最有效地利用建筑物中的堆疊效應?當使用自然通風時，根據(jù)設計，我們應該期待什么樣的柯恩達效應(流體射流被羅馬尼亞空氣動力學專家Henri Coanda吸引到附近表面的趨勢?)

SOM的Leung和Ray從該公司最近的自然通風工作中吸取了一些教訓：

1.準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90%的歐洲人(根據(jù)2014年世界衛(wèi)生組織報告)和42%的人(肺臟協(xié)會稱)生活在空氣被認為不健康的地區(qū)。SOM的建議：在打開任何自然通風設備之前，測量室內(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。在相對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，自然通風效果最佳。雖然ASHRAE和國際標準提供“適應性舒適”，通過自然通風在潮濕氣候中實現(xiàn)舒適，但“適應性舒適”基于沒有空調(diào)的自然通風建筑。當建筑物裝有空調(diào)時必須小心。SOM的觀點：嘗試在過渡季節(jié)使用自然通風。

位于青島的SOM設計的綠城中心大廈頂部設有風帆式表冠，旨在將空氣吸入建筑物的最頂部，在屋頂產(chǎn)生負壓。這種負壓將廢氣排出塔外，大大減少了對機械風扇的需求。該建筑將利用空氣運動通過頂部的四個管道垂直軸風力渦輪機發(fā)電。

3.注意可能妨礙性能的設計元素。重要的是要了解風的承受壓力以及行駛的距離。設計應基于可用風的功率;設計所有組件不要超過可用功率。否則，設計可能沒有足夠的動力來驅(qū)動空氣流動。

4.使用建筑形式來提高性能。建筑物的形狀可以成為你的朋友。它可以加速風 - 例如，通過使用開口或障礙物來簡化空氣運動，或捕獲空氣運動的誘導效果作為“風扇” - 或者它可以用于改變風向。

5.自然通風的空氣流動可以來自多個來源。風力驅(qū)動的外部空氣不是自然通風的唯一空氣流動源。由于壓力或溫度差異，空氣將移動。堆疊(或反向堆疊)效果通常是比風更穩(wěn)定和更強大的空氣移動元素?？諝膺\動也可以通過較高和較低高度之間的壓力差來形成。