低碳工业网

空气质量:中度污染

易感人群症状有轻度加剧,应该减少长时间、高强度的户外锻炼。

数据由PM25.in
pm2.5细颗粒物
AQI空气质量指数
您的当前位置首页 >  行业应用  >  解决方案 > 新闻正文

解决方案

被动式生态建筑中庭的自然通风设计策略

2015-10-26              本站

谢华慧 朱琳

(11广州市建筑材料工业研究所有限公司,广东广州510663;

21广州市建筑材料及构件检测技术与评价重点实验室,广东广州510663;

31广东省建筑设计研究院,广东广州510000)

摘要:分析中庭设计存在的问题,将被动式生态设计与中庭结合,归纳总结了寒冷气候区、温和气候区、干热气候区、湿热气候区等4种典型气候类型对中庭被动式生态自然通风设计的影响,提出有效的通风策略和中庭自然通风的季节性调控技术。另外,还提出自然通风控制技术和构造策略,提供了一些新的视角,赋予中庭空间新的意义,为生态建筑中庭的自然通风设计提供参考。

关键词:中庭;自然通风;气候区;季节性调控;

引言

20世纪60年代,建筑师保罗·索勒里(PaoloSoleri)创建了城市建筑生态学理论,首次把生态学(Ecology)和建筑学(Architecture)合为一体,即Arcology,意为生态建筑学,并在《生态建筑学:人类理想中的城市》中提到了生态建筑学的理论。“生态建筑”概念的提出,体现了人们对室内空气品质的关注,并强调采用节能和环保的方式实现理想通风。中庭空间的运用,有效降低了建筑进深,是室内外空气自然气候的交换场所,但是较大的体积和采用大量玻璃,带来巨大的能耗,许多建筑师对此进行了很多有益的探索,使其在不同地区的建筑整体节能、气候控制和环境净化等方面发挥积极作用。

1中庭的被动式生态设计

“被动式设计”是由英文PassiveDesign翻译而来。虽然理想的室内气候环境需依靠设备调控等主动方法,但建筑的被动式设计不容忽视。被动式设计就是应用自然界的阳光、风力、气温、湿度的自然原理,尽量不依赖常规能源的消耗,以规划、设计、环境配置的建筑手法来改善和创造舒适的居住环境,有利于建筑节能和保证室内空气品质。被动式设计基本内容包括了建筑设计从前期方案到后期施工以及运行的全过程,如常规建筑设计中的布局、朝向、建筑形体、平面剖面设计等方面,但是被动式设计还存在它自身特别关注的方面,例如自然采光、自然通风、围护结构和被动式供热、制冷及热能存储等。这一概念的设计策略强调的是:依据当地的气候特征进行设计,遵循建筑环境控制技术的基本原则,考虑建筑功能和形式的要求等,其目的是尽量减少或者不使用制冷、供热及采光设备,并创造高质量的室内环境和室外环境。

被动式生态建筑设计中,太阳能和风能都得到了充分的利用。被动式太阳能建筑就是不用或少用机械动力,控制太阳能在恰当的时间进入建筑并储存、分配以备需要。被动式太阳能设计分直接得热和间接得热,利用太阳热能的储存方法有多种形式,如显热储热、相变储热、电能储存等,显热储存太阳能是最简单、最经济的方法。图1所示为被动太阳能供热方法示意图。

被动式生态建筑中庭的自然通风设计策略

晴天的情况下,中庭内热空气上升聚集在屋顶的玻璃集热器中,在集热器中进一步被太阳辐射加热,再利用屋顶中的小鼓风机导入石床储存热量,晚上热量通过热风或地板传到中庭内部,升高中庭内的温度,提高热舒适性。

任何被动式生态策略往往都是作为一个整体出现在生态设计中,自然通风也是如此。自然空气从室外进入室内到从室内排出去整个是一个连续的过程,中庭把原本隔离的建筑各个楼层连接为一个整体,对于整体通风策略的实施很有帮助。中庭空间的出现,减小了建筑平面进深,这一点不仅给自然采光带来了好处,也同样给建筑自然通风带来了好处。

在法兰克福商业银行中,福斯特尝试生态中庭的设计,把生物气候的设计原则运用到公共建筑的中庭。马来西亚的杨经文从生物气候的角度进行研究,并创造了具有热带地区特色的生态建筑,梅纳拉商业办公大楼就是突出的实例。另外,他在槟榔屿银行大厦设计中,迎风面设置了呈喇嘛口形的两道引风墙,通过可调控的闸门把气流导入室内,实现很好的自然通风效果,这些成功的案例都为以后的中庭生态设计提供了范例。

2中庭的自然通风设计策略

自然通风是重要的生态建筑观念,从概念上来说,采用自然通风不等于对室内的温度环境不做控制,不等于室内夏天就会炎热,而是需要积极地用人工引导空气的流动,手段不只是通常的南北朝向、引导穿堂风,还有更多其他的处理办法以及专门的建筑构件。

在生态学的观念下,结合各区域气候特点,利用自然条件和人工构筑,积极地顺应和组织自然风的流动,利用自然风压、热压、机械辅助等手段实现建筑的自然通风,如果要使用能源则尽量从太阳能、风能、地热资源等获取。

211中庭的区域性通风策略

自然通风是一项古老的技术,在许多乡土建筑中都有绝妙的应用。在各地传统民居中,因地制宜、结合不同气候创造的各式各样的自然通风方式,结合不同气候区的特点得出合理的通风策略。

21111寒冷地区的通风策略

北方的寒冷地区,建筑设计侧重于保温性与气密性,过量的通风将会导致建筑大量失热,其通风量只需满足必要性换气量即可,这一地区通风呈现的一种“封闭性的通风”。该地区建筑通常利用热空气上升或者“烟囱效应”来进行热压通风,当中庭空间较为高大,“烟囱效应”较为明显,精心设计的玻璃中庭由于加大了温差和压差,可以使空气流动更为频繁。寒冷地区通风方式主要为热压通风,必要时应采用机械辅助的混合式通风。不过寒冷地区同时还需要加强得热,因此中庭往往被设计成高宽比较小的形态以便利用“温室效应”采暖,从而降低其“烟囱效应”的效果,这个矛盾往往需要在具体设计中去精心推敲从而取得平衡。

21112干热地区的通风策略

干热地区的气候特征看似与寒冷地区截然相反,但实际上非常相似,一个是绝对的“冷”,一个是绝对的“热”,两个地区都只需要侧重一个方面来进行设计,干热地区的建筑呈现出的是一种保温文化。中东、撒哈拉沙漠等干旱炎热地区室外气温可以高达50℃以上,该地区的建筑往往都采用厚实的墙体和小窗,室内外温差可以达到25℃,过量的通风一样有害无益,因此干热地区中庭的通风和寒冷地区一样都需要减少通风量。

与寒冷地区不同的是,干热地区中庭需要排除大部分太阳辐射,因此中庭在此地区不需要发挥“温室效应”作用,可以将高宽比设计得更大,合理组织热压进行自然通风,从而充分利用烟囱效应进行拔风。干热地区的中庭要注重隔热,避免过量通风,同时要采用增湿策略。由于空气干燥,湿度很小,需要在中庭内增加水体的设计并结合通风来进行蒸发制冷和增加湿度,同时充分利用夜间自然通风来降温。哈桑·法斯在埃及设计了一栋带有中庭的民居,中庭中央的喷泉能为室内降温和增加湿度。

印度的建筑大师柯里亚提出的“形式追随气候”的设计方法论就是为了适应印度各地区的干热或湿热气候。TorrentPharmaceuticals研究实验室是由印度建筑师Abhikram和英国环境学家BrianFord合作设计的项目,建筑师有很强的生态建筑观念。在当地的气候环境下,设计师提炼传统建筑中的自然通风方法,排除机械手段,追求自然通风、降温、自然采光,没有高科技。针对印度夏天炎热的气候,设计者采用印度传统建筑中经常使用的一种叫做“捕风者”的设施,加上一些现代技术,演变成为“被动倒灌风蒸发冷却”(PassiveDowndraughtEvaporativeCooling)的通风系统:进入室内的空气首先被一系列高耸通风塔“捕捉”,在其中蒸发降温,然后进入室内共享空间,再到周围的实验室和办公室,最后从四周的管道排出(室外有风则从上层的管道,无风从下层的管道)。事实证明,这些措施对于室内温度、通风控制非常有效。

被动式生态建筑中庭的自然通风设计策略

21113湿热地区的通风策略

“封闭性通风”通风策略在寒冷地区和干热地区非常适用,而对湿热地区却并不适用。湿热地区其实并非真正的高温,即使是在热带,最高气温年平均值也不过30℃,最低气温平均也有24℃左右,室内外温差也很小,建筑最大的难题是高温高湿,保温材料派不上用场,热压通风的效果也不明显。在这类地区主要的通风方式是风压通风,该区域建筑呈现出一种“开放式的通风文化”,民居多为大屋顶,架空的干栏式,再配合深深的挑檐用来遮阳和诱导通风。中庭空间则需要结合建筑的风压通风来进行设计,如果设计得当,也一样可以发挥其烟囱效应。湿热地区的中庭不需使用保温隔热材料,重点在于遮阳并诱导通风,以除湿为主要目的,降温则主要通过气流吹过人体产生蒸发制冷的效果。

因系列生态高层建筑而闻名的马来西亚建筑师杨经文结合东南亚的气候条件,在高层建筑中的建筑表面进行绿化,设置不同深度的凹入空间,使人在高层也能步入室外接触自然。“两层皮”的外墙形成复合空间或空气间层,并与上下贯通的中庭相连,形成自然通风系统,兼有保温隔热作用。伦佐·皮亚诺设计的Tjibaou文化中心是利用风压实现自然通风的另一典范之作,它位于常年多风、气候炎热潮湿的澳大利亚东侧的南太平洋。经过精心推敲的建筑形态通过在下风处形成强大负压,加上百叶的开合和不同方向百叶的配合来控制室内气流,实现完全被动式的自然通风和降温降湿。

21114温和地区的通风策略

温和地区气候凉爽,舒适度最高,适合使用热压通风。中庭空间在这里可以充分利用其高差优势发挥“烟囱效应”来辅助自然通风。位于英国的莱彻斯特的德蒙特福特大学的机械与制造学院QueensBuilding(见图3)就是一个利用中庭进行热压通风的经典范例。这座建筑利用贯通3层的狭窄中庭并配合一些通风烟囱,充分发挥了烟囱效应的优势,使得这座建筑成为第一个以热压自然通风取代空调系统的案例,它低耗能而且对环境影响很小。

被动式生态建筑中庭的自然通风设计策略

图3QueensBuilding通风示意图

温和地区是最适合使用自然通风的地区,中庭应结合风压与热压两种方式,充分发挥出中庭的“烟囱效应”。

212中庭的季节性通风策略

很多地区的气候都存在明显的季节性差异,比如欧洲和美洲中纬度的温和地区,还有像中国广大的中部和北部的夏热冬冷和寒冷地区都属于典型的大陆性气候区,这些地区都存在分明的四季,通常冬夏两季气候较为严酷,春秋两季则属于过渡性季节,气候温和。在不同季节,建筑自然通风的控制策略都会发生相应的变化,不仅通风量会发生变化,通风方式也会有明显区别。

21211巴克雷卡德总部中庭的季节性通风

巴克雷卡德总部,地处英国中部郊区,属于温带气候区,气候宜人,四季分明。其通风策略根据季节分为3种模式:

(1)春秋季节,采用全自然通风,自然空气通过窗户穿过15m进深的办公室进入中庭;

(2)夏季则采用机械辅助通风,结合人工湖泊的水来制冷;

(3)冬季则减少通风量,采用燃气锅炉供暖。

21212盖尔森基尔兴科技园中庭的季节性通风

同属温带地区的德国盖尔森基尔兴科技园,其朝西的外廊式中庭也存在冬夏两种不同的通风策略(见图4),中庭立面安装了可随季节变化调节的隔热玻璃,幕墙底部的挡板可以像推拉窗一样滑动。在冬季,挡板关闭,减小通风量,利用中庭的温室效应配合供热系统一起保存热量;夏季则将挡板打开加强通风,并结合室外太阳防护装置来防热。

被动式生态建筑中庭的自然通风设计策略

21213斯拉夫及东欧研究学院中庭的季节性通风

斯拉夫及东欧研究学院地处英国伦敦市区,属于英国典型温带气候,气候宜人,本应具有使用全自然通风策略的潜力,但由于受到市区热岛效应的影响,再加上英国严格CIBSE舒适度设计标准的限制,最后设计了机械辅助自然通风及降温策略,它也存在着很明确的季节性操作模式(见图5)。

被动式生态建筑中庭的自然通风设计策略

(1)冬季的通风策略是无辅助的自然通风,但需要局部供暖,气流从底部的气室进入,经过盘管预热,最后从两侧的通风井道排出;

(2)春秋过渡季节也是无辅助自然通风,但气流模式发生了变化,新风从上部和下部同时进入,废气则从两侧排出,这一季节不需要制冷和供暖;

(3)夏季是机械辅助式通风,采用下沉式气流冷却模式,新风从顶部进入然后通过中庭空间下沉,进入各层,最后从两侧排出,在顶部使用由电力驱动的冷却盘管来进行预冷。

21214上海军械大厦中庭的季节性通风(见图6)

以上三个实例均地处温和地区,这一类地区在采用被动式自然通风设计上的确存在着优势,但这种低能耗自然通风设计并不是只适合温带地区,可以根据广泛的气候类型发展出相应的模式,中国广大地区每年存在着较长时间的过渡季节,而且中国目前的建筑节能设计标准也较为宽松,对建筑进行自然通风或者混合式机械通风来为建筑降低能耗是完全可能的。

杨经文设计的上海军械大厦是其摩天生态楼系列作品中的一个重要代表,在有着较长过渡季节和严酷冬夏季的上海,杨经文通过给高层建筑增加中庭,结合双层立面和空中庭院,尝试使用纯粹的建筑手段来完成建筑对季节变化的适应,其中一系列自然通风的季节调节策略与斯拉夫及东欧研究学院有着相似之处。

图 6 上海军械大厦季节性通风示意图

6 上海军械大厦季节性通风示意图

213中庭的自然通风控制与构造策略

与自然采光技术对光线的控制一样,自然通风技术主要体现在对气流的控制、过滤和调节上。中庭空间的自然通风主要强调通风控制系统和辅助通风构造两方面。其实生活中最普通的开窗和关窗就已经是在控制通风了,但是对于把自然通风作为一项重要能源策略的生态建筑来说,一些精心设计的控制系统会更及时地对建筑的需求做出调整。

很多生态建筑,比如考文垂大学图书馆等都会使用一种“建筑能源管理系统(BEMS)”,感应器根据室外气温、风强度、室内温度和CO2浓度等反馈信息来改变入风口闸门的开闭状态,控制中庭的通风。又如双层幕墙,由内外两道幕墙组成,两层玻璃幕墙之间留一个空腔,空腔的两端有可以控制的进风口和出风口。在冬季,关闭进出风口,利用温室效应,提高围护结构表面的温度;在夏季,打开进出风口,利用烟囱效应在空腔内部实现自然通风。

此外,当风压不够大或者热压效果不太明显的时候,可以从构造上的设计来强化中庭的通风效果。

21311建筑体型设计

扭曲平面:使朝向夏季主导风向的外表面积增大,改善吸风面的风环境。

尖劈平面:用“尖劈”的形体朝向冬季主导风向,避免了与冬季主导风向的垂直关系,削弱冬季不利风流的影响。

通透空间:在建筑的每层适当高度设置开窗,可大大疏通室外风流,利于夏季通风。

开放空间:在建筑中设置掏空的空间,利于疏导以及释放过大的室外风流。

21312室外环境设计

南向开敞空间:争取较多的冬季日照和夏季通风,利用自然空调,建筑南侧可设置水面植被等,依赖水体蒸发改善微环境的炎热条件,并可在冬季强化太阳辐射的反射作用。

植被导风:设置合理的灌木乔木位置,南侧引导风流进入建筑室内,而北侧则起到屏障的作用。

利用构筑物:挡风墙和导风板的灵活组合,并可结合绿化整体设计,引导夏季风流,阻挡冬季恶性风流。

3结论

目前中庭的生态效应在国内已受到一定程度的关注,它不仅是建筑室内空间的精彩演绎,也是生态建筑中的重要设计策略。在设计工作中,根据实际的情况,以适当的方式把自然环境引入建筑中,不但可以使建筑功能完善,还能节约能源,保护环境。但是生态节能设计与人文、经济、技术等因素密切相关,普及应用还需很长的道路。随着社会的进步,生态建筑节能设计也会得到更多人的关注并广为应用。

 

免责声明:本文仅代表作者个人观点,与低碳工业网无关。其原创性以及文中陈述文字和内容未经本站证实,对本文以及其中全部或者部分内容、文字的真实性、完整性、及时性本站不作任何保证或承诺,请读者仅作参考,并请自行核实相关内容。

行业资讯 右侧图片广告
网站简介 | 会员服务 | 广告业务 | 联系方式 | 帮助信息 | 加入我们 | 版权信息 | 法律声明 | 网站地图 | 媒体联盟 | 法律支持

 市场合作:0951-6193503  软文/展会:QQ2362869353 客服:QQ2647309101 E-mail:info#tangongye.com  

Q 版权所有 Copyright © 2010-2014 低碳工业网 (www.tangongye.com) 沪ICP备13003907号-2 低碳工业网

沪ICP备13003907号-2