绿色建筑自然通风的外围护结构设计

绿色建筑自然通风的外围护结构设计

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摘要:绿色建筑的出现,满足国家节能降耗的发展需求,其中外围护结构的设计好坏,直接影响建筑的通风效果。本文基于自然通风理念下,首先介绍了外围护结构的设计原则和方法,然后指出设计期间的技术要点,以供参考。

关键词:绿色建筑;自然通风;外围护结构;设计

在建筑工程中,自然通风一直是人们关注的重点,相比于空调技术的使用,自然通风能改善温室效应、缓解能源危机。外围护结构是建筑室内、室外的分界点,也是通风换气的重要枢纽,以下结合实践,探讨了外围护结构的设计要点。

1.绿色建筑外围护结构的设计原则

绿色建筑外围护结构的设计,遵循以下原则:①地域性。设计时分析当地的环境、气候特点,树立因地制宜的理念,尽量使用当地的建材和设备,突出地域文化特色。②可变性。外围护结构能分割室内空间和室外空间,应该根据气候和季节的变化,实现自动调节的效果。设计期间,对外围护结构的形状、颜色、角度进行调整,促使建筑适应气候,提高人们的居住舒适性。③整体性。外围护结构的设计,不仅要发挥自身结构功能,还要考虑到对整个建筑的影响,作为建筑的外立面,能实现信息交换、能量传递的功能。④经济性。一方面设计方案要科学合理规范,满足绿色节能的需求;另一方面也要关注造价成本,提高资金使用效率,避免出现材料、设备、人工浪费现象。

2.绿色建筑自然通风的外围护结构设计方法

2.1利用建筑外部压力差

外围护结构的洞口,是室外风进入室内的主要通道,如果门窗洞口和风向夹角过大,或者进入室内的风速过大,此时可以在外围护结构上设计附属构造,从而改善建筑内部的通风。利用建筑外部压力差形成自然通风,常用设计如百叶窗、导风板、特殊幕墙等。

以国外某医院建筑为例,位于湿热气候区,在外围护结构的设计上,采用大面积可调节式百叶窗,如下图1所示。其一,百叶窗与墙体之间的夹角一般设置为15°,能实现最佳换气效果;同时根据外部气流的变化,可对百叶窗的角度进行调整。其二,面对强风天气,百叶窗具有切割气流的作用,能降低进入室内的风速,提高人们的舒适度。其三,该建筑还在外墙上设置了铝合金散热片,盛行风经过时能提高风压,促使室外风导入室内。

图1:大面积可调节式百叶窗

2.2结构空间相互穿插

外围护结构和建筑空间相互穿插,是实体空间、过渡空间的有机结合,常用于高层建筑中。一方面,过渡空间一般采用庭院样式,外围护结构在竖直方向上,呈现出凹凸多变性,而且过渡空间和建筑结构的联系更加密切。另一方面,配合洞口扩大设计,能调整建筑立面的迎风压力差值,从而引导自然风进入室内。值得注意的是,受到空间插入的影响,建筑体形系数明显增大,因此不适合在干热气候区、寒冷地区使用。

以香港某高校教学楼为例,建筑立面采用模块式层递串联设计方案,搭配螺旋上升的空中庭院,不仅改善了自然通风效果,而且减少了空调的使用。其一,庭院内合理配置植物类型,在夏季能降低室内空气温度;其二,庭院墙面采用铝合金百叶,能提高散热效果;其三,室内走廊设计可开式窗户,能接收到更多自然风量,减少空调系统产生的电力损耗。

2.3结构空间有机融合

外围护结构和建筑空间有机融合,就是外围护结构直接结合室内庭院设计,在建筑入口形成由外围护结构包裹的大庭院。如此设计,外围护结构更加完整,能突出空间功能,具有一定的保温效果,适用于中高纬度地区。以国外某公司总部大楼为例,在外层玻璃幕墙下是大型室内庭院,占据整个建筑进深的50%。其一,中庭和办公区域之间是开场走廊,暖空气上升会产生组群效应,改善办公区域的通风效果。其二,中庭将外界空气吸到底部,从隔层楼板下方进入办公室,最后从顶部排出。在结构上,使用薄木条支撑中庭玻璃,形成固定的密封单元;玻璃外层则覆盖低反射率的材料,能减少夏季阳光照射量;中庭内种植的花草,则能降低室内空气温度,提高压力梯度差。实践证实,该玻璃幕墙和中庭结构相结合,自然通风率达到58%,实现了绿色、环保、降耗的目标。

2.4双层皮幕墙技术

双层皮幕墙技术,就是在单层幕墙的基础上,配合内遮阳外围护体系,在高层建筑、超高层建筑中应用广泛。以往使用单层幕墙时,开窗容易形成絮流,影响保温隔热性能;使用双层皮幕墙能弥补这一弊端,分为外循环通风、内循环通风两种模式。

外循环通风一般将开窗通风、机械辅助送风相结合,适用于温和气候区、部分夏热冬冷气候区。在构造结构上,外层幕墙使用单层玻璃,并在上下部位设置进风口、出风口,分为打开、闭合两种状态;内层幕墙使用双层玻璃,是室内外环境的分界线,在夏季能阻隔外界热量,在冬季能减少室内热量损失;内层幕墙和外层幕墙之间是风道,其宽度一般在1m左右。外循环通风设计的典型案例是德国艾森RWE塔楼,楼层共计30层,高度为163m,室内自然通风率为70%。

内循环通风具有封闭性,一般采用机械辅助通风模式,适用于寒冷气候区、部分夏热冬冷地区,能将空气从建筑底部送进室内。在构造结构上,外层幕墙使用双层保温玻璃,长期处于关闭状态,能提高保温隔音效果;内层幕墙使用单层玻璃,一方面预留进风口,另一方面和排风系统连接;内层幕墙和外层幕墙之间的通道,其宽度一般在0.2m左右。内循环通风设计的典型案例是阿拉伯ADNEC展览中心,楼层包括地下1层、地上35层,不仅改善了通风效果,还能降低空气温度。

3.外围护结构设计期间的技术要点

3.1保温隔热设计

在保温方面,设计时要使用保温隔热材料,降低导热系数。目前建筑保温隔热层的施工,多采用铺砌工艺或现浇工艺,能减小隔热层的厚度,降低资源消耗量,提高建筑使用效率。在冬季,人们使用空调或暖气,室内温度能尽快升高,减少热量散失,保持适宜的温度。在隔热方面,应该改变窗框的结构,使用热工性能良好的玻璃材料,从而提高建筑的隔热性能。

3.2利用绿色植物

外围护结构设计时,利用绿色植物兼具美化环境、节约成本的效果。值得注意的是,要综合分析室内环境、室外环境特点,室内一般采用绿色植物进行装饰,例如盆摘、吊篮,保证整体美观性;室外则采用绿色植物进行装点,例如攀援类植物,突出绿色建筑的设计理念。

3.3推广使用新能源

新能源的使用,能减少传统能源的消耗,通过节能减排改善生态环境。其中,太阳能可以用在建筑采光、采暖上,一方面降低照明系统的使用率,另一方面减少化石能源的使用。风能可以用来发电或自然通风,减少机械通风使用率,降低机械运转带来的能耗。此外,随着科学技术的进步,生物能、地热能在建筑中的应用更加普遍,可以尝试在外围护结构的设计中使用。

结语

外围护结构是建筑工程的重要组成部分,关系到通风系统的运行质量,设计时要遵循地域性、可变性、整体性、经济性原则。文中以绿色建筑为核心,基于自然通风条件下,介绍了外围护结构的设计方法,例如利用建筑外部压力差、结构空间相互穿插、结构空间有机融合、双层皮幕墙技术等,希望为类似工程提供经验借鉴,提高自然通风效果。

参考文献:

[1]韩东.建筑外围护结构绿色设计策略研究[J].住宅与房地产,2017,(9):103-103.

[2]曾伟清,余国保.既有公共建筑外围护结构绿色化改造及施工技术探讨[J].绿色建筑,2018,(3):27-29,36.

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