高层建筑自然通风节能设计探讨

关键词：高层建筑；自然通风；节能设计 

　　1 前言 

　　近年来，随着空调技术的发展，人们越来越能主动的控制建筑室内环境，满足了前所未有的室内舒适气候要求，从而使人们淡忘了建筑中自然通风的应用。而在空调技术得以普及的今天，为了保持良好的室内空气品质、节约能源以及减少建筑综合症发生的压力下，把自然通风这一传统建筑生态技术重新引回现代建筑中，有着比以往更为重要的意义。自然通风不仅能够有效地提供新鲜空气和实现室内环境的合理温度，还能够节约常规能源、减少环境污染。而如今，现代城市和建筑的发展，使得自然通风的利用比传统建筑更加复杂，因此，若想顺利地在高层建筑中应用自然通风技术，就要做好事前的设计。本文就高层建筑自然通风节能设计进行了探讨，以期能为高层建筑自然通风节能的设计提供参考借鉴。 

　　2 关于自然通风 

　　自然通风（Natural Ventnation）是一种比较经济的通风方式。它不消耗动力，也可获得较大的通风换气量，简单易行，节约能源，有利于环境保护，被广泛应用于工业和民用建筑中。国内外对自然通风的概念或描述不尽相同，但总体来说，所谓自然通风，其共同的特点是：依靠室外风力造成的风压和室内外空气温度差造成的热压使空气流动，以达到提供给室内新鲜空气，稀释室内气味和污染物，除去余热和余湿的目的。 

　　以某一栋办公建筑标准层的自然通风进行模拟，对过渡季节典型周内开窗与不开窗条件下的室内温度进行比较，过渡季节开窗自然通风可以较好地满足室内温度及换气次数需求，并降低空调运行时间2001h/a和能耗30.61kWh/（a・m2）。 

　　办公建筑多为高层建筑，由于室外空气质量、温度、湿度、风环境和声环境并不能总是满足自然通风的需求，因而办公建筑自然通风的策略主要包括：自然通风与机械通风混合使用策略、间歇性自然通风策略、利用自然通风策略等。 

　　自然通风与机械通风混合使用策略主要是指在条件允许的情况下尽量采用自然通风，机械通风只是在需要的时候作为辅助的手段。在高层建筑中，随着竖向高度的变化，楼层的内外部气压差是不同的，因此在实际操作中通常会考虑混合通风模式。根据建筑内各部分的实际条件和不同需求采用不同的通风方式，或自然通风与机械通风同时使用，或白天使用机械通风夜晚使用自然通风。 

　　间歇性自然通风是指在室外条件适宜的时候打开窗户或通风口利用自然通风，不适宜的时候关闭窗户或通风口。温度适宜的春秋两季是最适合利用自然通风的时节。而在夏季，根据对人体热舒适感研究可知，当环境温度超过34℃时，即使有风吹过，大部分人仍会感到炎热，因此当室外气温高于34℃时，就不适宜开窗通风。在多数情况下，办公室并不需要24小时通风，只要保证充足的换气率即可，在噪音较大时亦可采用这种间歇性自然通风策略，充分利用夜间自然通风降温（Nishtcooling）也是获得舒适和节能效果的有效手段。只要利用自然通风得当，办公室全年使用空调的时间可以压缩至20%，这将很大程度的减少空调能耗。 

　　利用自然通风策略是指根据办公建筑自身的建筑特征，通过合理的建筑设计，充分利用自然通风。目前的大多数建筑设计中，自然通风应用存在较多问题，办公建筑室内空气品质不理想，大多数办公人员长时间工作在封闭空调的办公环境中会感觉到气流小头晕闷气。即使在过渡季节（即不开启空调的季节），许多办公人员仍然还会感觉闷气。这种办公室内的环境感受与办公建筑外壳设计模式（即采用全玻璃幕墙或玻璃面积比例过大的幕墙）能量利用模式（即采用全封闭的通风和空调系统）空间设计模式（即采用“层积式”的设计模式）等有关。经过分析，以上现状与问题的产生原因来源于室外空气质量与噪声使自然通风使用受到限制、办公建筑空调系统运行模式的影响、自然通风技术的采用受到限制、室外风速限制自然通风的运用、立面开窗的安全隐患、办公建筑的热量与建筑体型对自然通风的限制以及大部分办公建筑在设计上就考虑自然通风设计等。 

　　3 高层建筑的自然通风形式 

　　在实际工程应用中，常使用的高层建筑自然通风形式有幕墙开窗及双层通风幕墙。幕墙窗的开启方式常见的有固定窗、推拉窗、平开窗、外开上悬窗、平行外推窗等。双层通风幕墙按空气循环方式分为内循环、外循环（整体式、廊道式、通道式、箱体式）开放式双层幕墙。在双层幕墙结构中，内层幕墙与外层幕墙之间形成一个相对封闭的空间，空气通过下部的进风口进入此空间，又从上部排风口离开此空间，这个空间称为热通道，热通道内的空气一直处于流动状态，并与内层幕墙的外表面不断地进行热量交换，因此双层幕墙又称为热通道幕墙。它改变了传统幕墙的结构形式，在节能方面，比传统幕墙节能达50%，保温性能达国际II级；采用无镀膜玻璃，实现自然光照明，节省电力；具有冬季保温和夏季隔热的双重功能，有效地减少空调的使用，达到节能效果。双层幕墙的防尘通风功能使其在恶劣天气（特别是沙尘暴发生地区）也不影响开窗换气，提高了室内空气质量，同时双层幕墙结构使得超高层建筑幕墙拥有自然通风的可能，从而最大限度地满足了使用者对于自然通风在生理与心理上的需求。 

　　4 高层建筑自然通风设计研究 

　　4.1 项目概况 

　　本项目的设计概念是将建筑形态、结构受力以及文化符号统一为“蜂巢”状的六边形原型。整个建筑的外立面由五种不同尺寸的六边形窗构成。整个项目由两栋塔楼及裙房组成，一号塔楼为酒店，总高102m；二号塔楼为办公酒店综合体，总高358m；裙房为酒店大堂及配套商业、餐饮等设施。 

　　4.2 自然通风策略的技术探究 

　　4.2.1 对于机电设计专项的研究 　　在本项目机电设计中，力求创建智能化办公，搭建先进的通讯与计算机网络技术信息高速公路，其中包括结构化综合布线与光纤电缆传输、综合业务数字网、万兆以太网、数字程控交换机通讯等。对于空调系统设计，酒店空调全年同时供冷供热，办公楼采用变风量空调（AVA）系统。在保证室内优良的空气品质的同时，实现运行节能，为办公楼的租户提供便利的24小时供冷系统。空调系统的新风设置热回收装置，回收排风中的冷、热气，并将锅炉烟气进行余热回收用于预热生活热水。采用高能效比的制冷机组，配备机房群检及BMS系统，所有设备将根据总冷负荷变化进行优化的运行控制。全楼的空调、通风系统采用直接数字控制（DDC）系统进行自控，实现运行管理的数字化和计算机操作。 

　　从以上机电设计概况可以看出此项目设计机电空调系统属于全空气系统，新风由室外经新风机组处理后送入室内，通常该新风机组是以满足室内卫生要求而不是负担室内负荷来使用的。送风温度、相对湿度、二氧化碳（CO2）浓度等都受控于新风机组。变风量空调（AVA）系统在风机上安装变频器，通过室内的感应探头对温度进行分析，通过中央控制器改变变频器的频率，从而达到改变风机的转速来控制室内温度。较定风量空调系统在节能与室内空气舒适度上已有提高，但仍然存在着中央空调系统的多项弊端。 

　　4.2.2 立面开窗的可能性 

　　本项目海河环绕，空气质量好，地段周边环境优美，从室外空气质量与噪声的角度具备立面开窗的可能性。从机电节能设计的角度分析，项目采用变风量空调（AVA）系统，新风量增加会改变系统负荷，通过控制器的调控可以达到环保节能的效果。 

　　通过现地数据采集研究室外风速对自然通风的影响，报告给出的极值压力已经考虑了封闭结构的内压值，因此给出的结果可直接作为风荷载标准值用于围护结构设计。从统计结果可知塔楼立面风压值与规范值基本相当；T2塔楼边角的负压很高。因此在T2的转角位置应避开幕墙窗开启，其余部位外墙风压标准值从《报告》中可以查到除去转角后最大风压标准值（100m以上部位）多在-4～2.5之间，参考《建筑外门窗气密＼水密＼抗风压性能分级和检测方法》，选择抗风压性能等级6级，立面开窗可满足要求。 

　　4.2.3 高层开窗安全性研究 

　　通过提高窗下口据室内地面的高度，采用高窗的设计以满足内部人员的安全要求，同时也可解决临近窗口的工位受自然通风影响过大的问题。开启窗扇在满足各项结构指标的前提下，增加安全技术的应用，例如智能电动开窗器，可与空调系统、消防系统联动，加强高层建筑立面外开窗的安全可靠性。 

　　4.2.4 立面设计和幕墙体系与立面开窗的研究 

　　立面外形设计为中国古典建筑中经典“六棱窗”，在设计中留有300宽外窗台，当采用上悬外开窗时，开启后不会突出外铝板幕墙，避免破坏“六棱窗”的整体造型。本项目立面采用单元式幕墙，减少高空室外作业和现场施工，工厂加工质量更有保证，同时为开窗提供了很好的条件。 

　　5 结语 

　　综上所述，建筑的自然通风节能设计具有多方面的优势，既能满足现代建筑施工的要求，也能减少能量消耗，以实现更大的经济效益。随着建筑行业的不断发展，节能降耗得到了各方面的高度关注。在建筑节能设计中，首先应分析传统的通风系统存在的不足，了解节能设计的各类优点，然后再根据建筑物的内部结构情况详细设计自然通风系统，以保证最终方案的科学性，通过住宅通风设计的合理运用，可以实现提高能源使用效率、保护环境的目的。 

　　[1]陈宇.对建筑通风节能设计的探讨[J].城市建设理论研究.2012（05）. 

　　[2]徐学文.住宅自然通风设计在建筑节能中的应用[J].城市建设理论研究.2013（43）.