談蜂窩式仿生建筑節(jié)能通風(fēng)與采光
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摘要：二十一世紀(jì)的建筑正面臨著自然資源減少和環(huán)境破壞的困擾，于是美觀實(shí)用，高效節(jié)能，安全經(jīng)濟(jì)且滿足可持續(xù)發(fā)展的仿生學(xué)建筑開始占據(jù)一席之地。此項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出一種新型蜂窩式仿生節(jié)能建筑，在滿足節(jié)能要求的基礎(chǔ)上,通過(guò)風(fēng)環(huán)境模擬分析和光環(huán)境模擬分析,研究該建筑在未來(lái)實(shí)際應(yīng)用中的可行性。
關(guān)鍵詞：蜂窩仿生建筑；節(jié)能；設(shè)計(jì)；通風(fēng)；采光；模擬分析
1前言
中國(guó)是世界上最大的發(fā)展中國(guó)家,目前已成為全球最大的能源消費(fèi)國(guó),能源供應(yīng)日益短缺而環(huán)境污染日趨嚴(yán)重。建筑能耗已成為與工業(yè)、交通能耗并列的三大能耗之一,建筑能耗的巨大需求將會(huì)對(duì)我國(guó)的能源供應(yīng)、資源環(huán)境形成巨大壓力,因此采取有效措施降低建筑能耗至關(guān)重要。與此同時(shí),政府出臺(tái)并頒布了一系列的建筑節(jié)能政策、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)來(lái)引導(dǎo)建筑節(jié)能工作的進(jìn)行,逐步建立了一套初步完善的建筑節(jié)能政策體系。蜂窩式建筑由于其擁有較高的材料利用率，具有低成本，高空間利用率的特點(diǎn)，可應(yīng)用于住戶密集的居住區(qū)建設(shè)。但是由于其概念性強(qiáng)，理論依據(jù)不足，導(dǎo)致這類建筑具有采光，通風(fēng)不良的缺點(diǎn)，居住舒適度不高，本組將對(duì)這兩大問題進(jìn)行研究并提出解決方案，以提高該型建筑的舒適度和節(jié)能效果為目的，設(shè)計(jì)出一款可以解決此問題的典型蜂窩式節(jié)能建筑。
2建筑設(shè)計(jì)
蜂窩結(jié)構(gòu)，是覆蓋二維平面的最佳拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)是有一個(gè)個(gè)正六邊形房、房口都朝向一邊、背對(duì)背對(duì)稱排流而成的一種結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有著優(yōu)秀的幾何力學(xué)性能，因此在材料學(xué)科有廣泛的應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)，正六邊形的建筑結(jié)構(gòu)，密合度最高、所需材料最簡(jiǎn)、可使用空間最大。本研究著力于講蜂巢這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與建筑進(jìn)行結(jié)合。對(duì)此，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)如圖1。本設(shè)計(jì)采光的設(shè)計(jì)完全按照規(guī)范2.4建筑距離之規(guī)定，建筑間距離完全符合國(guó)家規(guī)范要求，可以滿足人對(duì)于日照，采光的需求。通風(fēng)方面選擇長(zhǎng)型居住樓，在樓底部設(shè)計(jì)了二到四車道的通道如圖2。居住區(qū)由數(shù)組六邊形建筑組組成，而一個(gè)建筑組由六個(gè)這樣的常規(guī)建筑組成。利用蜂窩的中心通風(fēng)給予的靈感，每個(gè)建筑組圍成的空間內(nèi)部進(jìn)行園林設(shè)計(jì)，利用建筑底部的通道形成園林風(fēng)，每個(gè)建筑組如同一個(gè)個(gè)單獨(dú)的蜂巢，進(jìn)行中心通道通風(fēng)。在解決通風(fēng)問題的同時(shí)，底部通道還解決了居住區(qū)的交通問題。居住區(qū)組外部是六邊形，但內(nèi)部交通采用環(huán)形交通，可以有效解決擁堵，而且在非高峰時(shí)期可對(duì)社會(huì)開放，緩解交通擁擠問題。在建筑窗墻比方面：本建筑的窗墻比為南：0.346；北：0.223。窗墻比符合規(guī)范。本建筑計(jì)劃修建位置處于華東地區(qū)，夏季悶熱潮濕，冬季溫和濕潤(rùn)，冷熱耗量多為空調(diào)調(diào)節(jié)窗墻比較大的建筑比窗墻比小的建筑可獲得更大的節(jié)能效益。故在符合規(guī)范的同時(shí)盡可能的達(dá)到更大的窗墻比，增加空調(diào)節(jié)能效益。建筑墻體擬選用金邦板（纖維增強(qiáng)水泥外墻裝飾掛板），吸水率低，尺寸穩(wěn)定，干濕變形小，具有優(yōu)越的耐候性能，極限凍融200多次，優(yōu)良的耐火性能，為A1級(jí)不燃材料。根據(jù)研究，木結(jié)構(gòu)或者塑料結(jié)構(gòu)窗框的隔熱性能更佳，但是堅(jiān)固性不如鋁合金窗框。因此，我們依舊采用使用更加廣泛的鋁合金窗框。中國(guó)門窗標(biāo)識(shí)有標(biāo)準(zhǔn)窗型，還有無(wú)亮子窗型。在兩窗型玻璃配置為5Low-E+14Ar+5Low-E+12Ar+5，根據(jù)86系列型材以及整窗尺寸、計(jì)算邊界條件都相同時(shí)得出：窗系統(tǒng)表示標(biāo)準(zhǔn)窗型傳熱系數(shù)為1.09W/（m2•K），無(wú)亮子窗型傳熱系數(shù)為1.01W/（m2•K），無(wú)亮子窗型由于減少了中橫挺和中橫挺線傳熱長(zhǎng)度lΦ，從而降低了整窗傳熱系數(shù)。故在本建筑中，使用無(wú)亮子窗型。圖3為中國(guó)門窗標(biāo)識(shí)標(biāo)準(zhǔn)窗型，圖4為無(wú)亮子窗型。而窗體采用低輻射中空玻璃，降低熱傳遞，提高節(jié)能效益。室內(nèi)可在本建筑中位于窗上部四分之一處設(shè)置室內(nèi)的遮陽(yáng)反光板，對(duì)朝陽(yáng)房間起到遮陽(yáng)作用，同時(shí)將光線反射入房間深處，增加室內(nèi)自然光分布的均勻度。
3建筑模擬——通風(fēng)
本項(xiàng)目采用鴻業(yè)建筑風(fēng)環(huán)境模擬分析軟件HY-CFD對(duì)該項(xiàng)目建筑室內(nèi)外風(fēng)環(huán)境進(jìn)行模擬分析。計(jì)算域水平方向的長(zhǎng)和寬應(yīng)在模擬對(duì)象各向延伸4H~6H，垂直方向高度在3H~6H。本次研究模擬蜂窩式仿生建筑群在上海地區(qū)的布置，分別對(duì)總平面，首層，二層，三層，四層，五層，閣樓層進(jìn)行模擬，得到總平面的風(fēng)速，風(fēng)速矢量，風(fēng)速放大系數(shù)，風(fēng)壓，空氣齡等系數(shù)。通過(guò)模擬，得到以下結(jié)果：在過(guò)渡季節(jié)，室外平均溫度為30.8℃，平均風(fēng)速為3.4m/s，無(wú)旋渦區(qū),人體感到舒適；50%以上可開啟外窗室內(nèi)外表面的風(fēng)壓大于0.5Pa；且室外風(fēng)速放大系數(shù)平均為1.03，小于2，滿足規(guī)范要求。對(duì)于室內(nèi)首層，風(fēng)速大致在1m/s~3m/s之間，且無(wú)旋渦區(qū)，滿足舒適要求；風(fēng)壓大致為1.56Pa；室內(nèi)溫度為30℃左右，PMV指數(shù)在1.5左右，人體感覺到稍暖。對(duì)于室內(nèi)二至五層，風(fēng)速大致在1.3m/s~2.4m/s之間，根據(jù)風(fēng)速矢量圖觀察并無(wú)旋渦區(qū)；室內(nèi)風(fēng)壓大致為1.67Pa；室內(nèi)溫度同樣為30℃左右，PMB指數(shù)在1.15~1.95之間，人體感覺稍暖；空氣齡在50s左右，空氣新鮮。對(duì)于閣樓層，風(fēng)速集中在1.8m/s，無(wú)明顯旋渦區(qū)；室內(nèi)風(fēng)壓大致為3.92Pa；溫度集中在30℃左右，PMB指數(shù)在1.4~1.8之間，人體感覺稍暖；空氣齡在50s左右，空氣新鮮。通過(guò)分析得到以下結(jié)論：（1）在過(guò)渡季主導(dǎo)風(fēng)向下，建筑室內(nèi)自然通風(fēng)效果良好，對(duì)建筑室內(nèi)環(huán)境起到了很好的通風(fēng)降溫效果，并對(duì)建筑室內(nèi)舒適度以及空氣品質(zhì)也起到了很好的促進(jìn)作用，能較好地利用自然通風(fēng)來(lái)改善室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量。（2）舒適性方面，在冬夏季節(jié)室外主導(dǎo)風(fēng)向下，該項(xiàng)目通過(guò)建筑間距來(lái)改善首層公共活動(dòng)區(qū)域風(fēng)環(huán)境。人行高度處的風(fēng)速基本都處于1m/s~3m/s之間，風(fēng)速放大系數(shù)在1~1.2之間，符合舒適要求。（3）在夏季主導(dǎo)風(fēng)向下，該項(xiàng)目建筑前后壓差基本都在5Pa以上，滿足綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)要求，有利于自然通風(fēng)的利用，以改善室內(nèi)熱環(huán)境。（4）達(dá)標(biāo)判斷：該項(xiàng)目人行高度處風(fēng)速均小于5m/s，風(fēng)速放大系數(shù)小于2，且在各個(gè)季節(jié)主導(dǎo)風(fēng)向條件下建筑周邊人行區(qū)域均沒有出現(xiàn)較大的渦流、滯風(fēng)現(xiàn)象，符合GB/T50378—2014《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》標(biāo)準(zhǔn)要求。
4建筑模擬——采光
本項(xiàng)目采用鴻業(yè)建筑采光模擬分析軟件進(jìn)行室內(nèi)采光分析，總建筑面積2588.99m2，建筑層數(shù)為6層，建筑高度為21.838m。模擬分析天空模型為CIE全陰天，對(duì)周邊環(huán)境的采光模擬計(jì)算考慮建筑物間的相互遮擋，模擬計(jì)算時(shí)忽略室內(nèi)建筑構(gòu)件的影響，在模擬過(guò)程中考慮建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面的反射系數(shù)、玻璃的可見光透射比等參數(shù)。分別對(duì)首層、二層、三層、四層、五層、閣樓層進(jìn)行模擬，以二層結(jié)果為例，二層房間采光模擬結(jié)果如表1。綜上，對(duì)室內(nèi)自然采光效果進(jìn)行模擬分析，得出結(jié)論如下：住宅二層采光要求功能空間面積為418.11m2，其中約404.14m2的采光系數(shù)達(dá)到了《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)要求，滿足要求的比例為87.50%，二層采光要求功能空間包括臥室、衛(wèi)生間、餐廳、客廳、樓梯間，其中除衛(wèi)生間受墻體遮擋及進(jìn)深較大的影響外，其他部分功能空間采光效果好。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，建筑無(wú)不滿足強(qiáng)制條件的房間，其中項(xiàng)目整體主要功能空間的采光系數(shù)達(dá)到《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)功能房間采光系數(shù)的要求。由此可以得出，模擬數(shù)據(jù)具有參考價(jià)值，符合客觀事實(shí)，結(jié)論具有可信度，可用于建筑采光設(shè)計(jì)及采光效果的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
5結(jié)束語(yǔ)
綜上所述，在蜂窩式仿生建筑中，不僅需要保證人們的居住要求，同時(shí)也要適應(yīng)社會(huì)發(fā)展需求，提高建筑節(jié)能效果。本設(shè)計(jì)利用鴻業(yè)建筑分析平臺(tái)對(duì)蜂窩式仿生建筑的通風(fēng)、采光性能進(jìn)行有效分析，得出結(jié)論，該設(shè)計(jì)滿足通風(fēng)、采光兩方面的要求，應(yīng)用自然界的日照、風(fēng)力等自然原理，以規(guī)劃、設(shè)計(jì)的建筑手法改善居住環(huán)境，而不依賴常規(guī)能源，更好的利用被動(dòng)式節(jié)能技術(shù)，與傳統(tǒng)建筑相比，提高居住舒適度以及節(jié)能效果。
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作者：楊和雨 孫建梅 薛文欣 王嘉浩 鄧舒尹 單位：上海電力大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院