高層建筑自然通風節(jié)能設計探討

關鍵詞：高層建筑；自然通風；節(jié)能設計 

　　1 前言 

　　近年來，隨著空調技術的發(fā)展，人們越來越能主動的控制建筑室內環(huán)境，滿足了前所未有的室內舒適氣候要求，從而使人們淡忘了建筑中自然通風的應用。而在空調技術得以普及的今天，為了保持良好的室內空氣品質、節(jié)約能源以及減少建筑綜合癥發(fā)生的壓力下，把自然通風這一傳統(tǒng)建筑生態(tài)技術重新引回現代建筑中，有著比以往更為重要的意義。自然通風不僅能夠有效地提供新鮮空氣和實現室內環(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，現代城市和建筑的發(fā)展，使得自然通風的利用比傳統(tǒng)建筑更加復雜，因此，若想順利地在高層建筑中應用自然通風技術，就要做好事前的設計。本文就高層建筑自然通風節(jié)能設計進行了探討，以期能為高層建筑自然通風節(jié)能的設計提供參考借鑒。 

　　2 關于自然通風 

　　自然通風（Natural Ventnation）是一種比較經濟的通風方式。它不消耗動力，也可獲得較大的通風換氣量，簡單易行，節(jié)約能源，有利于環(huán)境保護，被廣泛應用于工業(yè)和民用建筑中。國內外對自然通風的概念或描述不盡相同，但總體來說，所謂自然通風，其共同的特點是：依靠室外風力造成的風壓和室內外空氣溫度差造成的熱壓使空氣流動，以達到提供給室內新鮮空氣，稀釋室內氣味和污染物，除去余熱和余濕的目的。 

　　以某一棟辦公建筑標準層的自然通風進行模擬，對過渡季節(jié)典型周內開窗與不開窗條件下的室內溫度進行比較，過渡季節(jié)開窗自然通風可以較好地滿足室內溫度及換氣次數需求，并降低空調運行時間2001h/a和能耗30.61kWh/（a・m2）。 

　　辦公建筑多為高層建筑，由于室外空氣質量、溫度、濕度、風環(huán)境和聲環(huán)境并不能總是滿足自然通風的需求，因而辦公建筑自然通風的策略主要包括：自然通風與機械通風混合使用策略、間歇性自然通風策略、利用自然通風策略等。 

　　自然通風與機械通風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，機械通風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，樓層的內外部氣壓差是不同的，因此在實際操作中通常會考慮混合通風模式。根據建筑內各部分的實際條件和不同需求采用不同的通風方式，或自然通風與機械通風同時使用，或白天使用機械通風夜晚使用自然通風。 

　　間歇性自然通風是指在室外條件適宜的時候打開窗戶或通風口利用自然通風，不適宜的時候關閉窗戶或通風口。溫度適宜的春秋兩季是最適合利用自然通風的時節(jié)。而在夏季，根據對人體熱舒適感研究可知，當環(huán)境溫度超過34℃時，即使有風吹過，大部分人仍會感到炎熱，因此當室外氣溫高于34℃時，就不適宜開窗通風。在多數情況下，辦公室并不需要24小時通風，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策略，充分利用夜間自然通風降溫（Nishtcooling）也是獲得舒適和節(jié)能效果的有效手段。只要利用自然通風得當，辦公室全年使用空調的時間可以壓縮至20%，這將很大程度的減少空調能耗。 

　　利用自然通風策略是指根據辦公建筑自身的建筑特征，通過合理的建筑設計，充分利用自然通風。目前的大多數建筑設計中，自然通風應用存在較多問題，辦公建筑室內空氣品質不理想，大多數辦公人員長時間工作在封閉空調的辦公環(huán)境中會感覺到氣流小頭暈悶氣。即使在過渡季節(jié)（即不開啟空調的季節(jié)），許多辦公人員仍然還會感覺悶氣。這種辦公室內的環(huán)境感受與辦公建筑外殼設計模式（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和空調系統(tǒng)）空間設計模式（即采用“層積式”的設計模式）等有關。經過分析，以上現狀與問題的產生原因來源于室外空氣質量與噪聲使自然通風使用受到限制、辦公建筑空調系統(tǒng)運行模式的影響、自然通風技術的采用受到限制、室外風速限制自然通風的運用、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的限制以及大部分辦公建筑在設計上就考慮自然通風設計等。 

　　3 高層建筑的自然通風形式 

　　在實際工程應用中，常使用的高層建筑自然通風形式有幕墻開窗及雙層通風幕墻。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。雙層通風幕墻按空氣循環(huán)方式分為內循環(huán)、外循環(huán)（整體式、廊道式、通道式、箱體式）開放式雙層幕墻。在雙層幕墻結構中，內層幕墻與外層幕墻之間形成一個相對封閉的空間，空氣通過下部的進風口進入此空間，又從上部排風口離開此空間，這個空間稱為熱通道，熱通道內的空氣一直處于流動狀態(tài)，并與內層幕墻的外表面不斷地進行熱量交換，因此雙層幕墻又稱為熱通道幕墻。它改變了傳統(tǒng)幕墻的結構形式，在節(jié)能方面，比傳統(tǒng)幕墻節(jié)能達50%，保溫性能達國際II級；采用無鍍膜玻璃，實現自然光照明，節(jié)省電力；具有冬季保溫和夏季隔熱的雙重功能，有效地減少空調的使用，達到節(jié)能效果。雙層幕墻的防塵通風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，提高了室內空氣質量，同時雙層幕墻結構使得超高層建筑幕墻擁有自然通風的可能，從而最大限度地滿足了使用者對于自然通風在生理與心理上的需求。 

　　4 高層建筑自然通風設計研究 

　　4.1 項目概況 

　　本項目的設計概念是將建筑形態(tài)、結構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)、餐飲等設施。 

　　4.2 自然通風策略的技術探究 

　　4.2.1 對于機電設計專項的研究 　　在本項目機電設計中，力求創(chuàng)建智能化辦公，搭建先進的通訊與計算機網絡技術信息高速公路，其中包括結構化綜合布線與光纖電纜傳輸、綜合業(yè)務數字網、萬兆以太網、數字程控交換機通訊等。對于空調系統(tǒng)設計，酒店空調全年同時供冷供熱，辦公樓采用變風量空調（AVA）系統(tǒng)。在保證室內優(yōu)良的空氣品質的同時，實現運行節(jié)能，為辦公樓的租戶提供便利的24小時供冷系統(tǒng)。空調系統(tǒng)的新風設置熱回收裝置，回收排風中的冷、熱氣，并將鍋爐煙氣進行余熱回收用于預熱生活熱水。采用高能效比的制冷機組，配備機房群檢及BMS系統(tǒng)，所有設備將根據總冷負荷變化進行優(yōu)化的運行控制。全樓的空調、通風系統(tǒng)采用直接數字控制（DDC）系統(tǒng)進行自控，實現運行管理的數字化和計算機操作。 

　　從以上機電設計概況可以看出此項目設計機電空調系統(tǒng)屬于全空氣系統(tǒng)，新風由室外經新風機組處理后送入室內，通常該新風機組是以滿足室內衛(wèi)生要求而不是負擔室內負荷來使用的。送風溫度、相對濕度、二氧化碳（CO2）濃度等都受控于新風機組。變風量空調（AVA）系統(tǒng)在風機上安裝變頻器，通過室內的感應探頭對溫度進行分析，通過中央控制器改變變頻器的頻率，從而達到改變風機的轉速來控制室內溫度。較定風量空調系統(tǒng)在節(jié)能與室內空氣舒適度上已有提高，但仍然存在著中央空調系統(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，空氣質量好，地段周邊環(huán)境優(yōu)美，從室外空氣質量與噪聲的角度具備立面開窗的可能性。從機電節(jié)能設計的角度分析，項目采用變風量空調（AVA）系統(tǒng)，新風量增加會改變系統(tǒng)負荷，通過控制器的調控可以達到環(huán)保節(jié)能的效果。 

　　通過現地數據采集研究室外風速對自然通風的影響，報告給出的極值壓力已經考慮了封閉結構的內壓值，因此給出的結果可直接作為風荷載標準值用于圍護結構設計。從統(tǒng)計結果可知塔樓立面風壓值與規(guī)范值基本相當；T2塔樓邊角的負壓很高。因此在T2的轉角位置應避開幕墻窗開啟，其余部位外墻風壓標準值從《報告》中可以查到除去轉角后最大風壓標準值（100m以上部位）多在-4～2.5之間，參考《建筑外門窗氣密＼水密＼抗風壓性能分級和檢測方法》，選擇抗風壓性能等級6級，立面開窗可滿足要求。 

　　4.2.3 高層開窗安全性研究 

　　通過提高窗下口據室內地面的高度，采用高窗的設計以滿足內部人員的安全要求，同時也可解決臨近窗口的工位受自然通風影響過大的問題。開啟窗扇在滿足各項結構指標的前提下，增加安全技術的應用，例如智能電動開窗器，可與空調系統(tǒng)、消防系統(tǒng)聯(lián)動，加強高層建筑立面外開窗的安全可靠性。 

　　4.2.4 立面設計和幕墻體系與立面開窗的研究 

　　立面外形設計為中國古典建筑中經典“六棱窗”，在設計中留有300寬外窗臺，當采用上懸外開窗時，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)和現場施工，工廠加工質量更有保證，同時為開窗提供了很好的條件。 

　　5 結語 

　　綜上所述，建筑的自然通風節(jié)能設計具有多方面的優(yōu)勢，既能滿足現代建筑施工的要求，也能減少能量消耗，以實現更大的經濟效益。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注。在建筑節(jié)能設計中，首先應分析傳統(tǒng)的通風系統(tǒng)存在的不足，了解節(jié)能設計的各類優(yōu)點，然后再根據建筑物的內部結構情況詳細設計自然通風系統(tǒng)，以保證最終方案的科學性，通過住宅通風設計的合理運用，可以實現提高能源使用效率、保護環(huán)境的目的。 

　　[1]陳宇.對建筑通風節(jié)能設計的探討[J].城市建設理論研究.2012（05）. 

　　[2]徐學文.住宅自然通風設計在建筑節(jié)能中的應用[J].城市建設理論研究.2013（43）.