混合通风导向的公共建筑空间组织设计研究.pdf
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1、042摘要:解析公共建筑中流动空间带来的能源浪费问题,建议对室内热环境调控进行温度分区管控;以混合通风的运行机理为依据,提出采用分时段或分区域混合通风模式调节室内热环境,在节能前提下响应外部气温变化和内部空间热环境调控差异。结合案例和模拟佐证,归纳公共建筑采用混合通风的空间形态特征和空间组织模式策略。Abstract:Analyzing the energy waste potential of free-flowing spaces in public buildings,the paper suggests the principle of temperature zoning contr
2、ol.Based on the mechanism of hybrid ventilation,it is proposed to adjust indoor thermal environment by adopting the mode of time division or zonal hybrid ventilation,so as to respond to weather changes and zonal thermal differences.By case studies and simulation evidences,the spatial morphological c
3、haracteristics and spatial organization tactics of public buildings using hybrid ventilation are summarized.关键词:公共建筑;温度分区管控;分时段混合通风;分区混合通风;空间组织基金项目:国家自然科学基金青年项目(项目编号:52108022)Keywords:public buildings;temperature zoning control;time division hybrid ventilation;zonal hybrid ventilation;spatial organi
4、zation文吴国栋苏州大学建筑学院国家一级注册建筑师讲 师韩冬辰苏州大学建筑学院讲 师(通讯作者)张军学江苏科技大学土木工程与建筑学院讲 师DOI:10.19875/ki.jzywh.2023.11.013引言天气条件适宜时,自然通风能有效置换室内污浊空气并降低室内气温,促成舒适的室内热环境并减少能耗。但无风天气、城市日益密集的建成环境导致自然通风具有不稳定的特征。自然通风的不稳定性以及极端气候条件频发使空调系统通风降温的普及趋势不可逆转,但公共建筑封闭气候边界、完全依赖机械通风降温的做法被证明是高能耗且不利于使用者生理和心理健康1。平衡自然调控和机械调控矛盾的手段是兼收并蓄,扬长避短。混合
5、通风模式能够实现自然通风和机械通风的时空协同,提供热舒适和可接受的室内空气质量,同时使用最少的能源2。在中国南方,混合通风比纯机械通风节能 30%35%3。在混合通风模式下,建筑内部可根据时间或空间需求选择恰当的调控方式(自然或机械),动态调控内部热环境。合理的空间组织布局实现自然通风最大化是混合通风的关键议题,此为本文探讨的核心内容。建筑合理使用自然通风具有气候差异性,本文探讨的空间组织策略主要适用于温带和亚热带季风气候区。1 公共建筑热环境调控的问题与对策在我国,单栋公共建筑面积超过 2 万平方米、采用中央空调时,其单位建筑面积能耗是不采用中央空调的普通规模公共建筑能耗的2 8 倍,差距主
6、要集中于空调系统能耗4。空调系统高能耗的根源之一是公共建筑中流动空间的大面积、无节制使用。开放通透的大进深平面结合竖向中庭的流Research on Spatial Organization of Public Buildings based on Hybrid Ventilation混合通风导向的公共建筑空间组织设计研究动空间已成为大型公共建筑的空间标配。“流动空间”可塑造空间艺术效果,但易造成不必要的能源浪费。广州某图书馆的空间布局为三个并列的略带弧度的细长体量,中间长条中庭被南北两侧开敞式使用空间夹持(图 1)。除局部楼层采用玻璃分隔,大部分使用空间与通高中庭直接联通。这意味着中央空调使
7、中庭和开敞式使用空间常年维持一致的热环境参数。作为气候缓冲空间,中庭的热环境标准宜低于日常使用空间,但空调系统持续为中庭上部的“无用”空间降温;而开敞式使用空间在无人使用状态下仍持续接受空调系统的热环境调控。由此,流动空间形成统一标准的室内热环境导致了“全时间、全空间”的运行模式,具有浪费能源倾向。2 混合通风营造可变热环境2.1 混合通风的两种模式混合通风的原理是外界条件适宜时利用风的自然能量和温度梯度来获取免费的空气流通和室内温度降低;当风压和温度差不够驱动空气流动时,再通过机械系统达到通风率。其意义在于,在室外气候要素层面,建筑使用空间可以应对季节差异和自然风的不确定性;而在建筑本体层面
8、,内部空间中的不同部分可以根据外部气象条件和内部使用情况采用不同的通风方式。混合通风模式通常可以分为季节性混合通风和分区混合通风5,以应对外部气象条件变化和内部通风方式的多样需求。混合通风有三种基本方式:(1)自然和机械通风交替;(2)风扇辅助的自然通风;(3)热压和风压辅助的机械通风。由此,自然和机械通风可以在不同时段单独使用,也可以在相同时间协同配合:既可以是小型机械设备辅助自然通风,也可以是自然动力辅助机械通风;进风和排风动力可分别由不同动力系统提供,而不必由一个系统单独完成。2.2分时段混合通风:热环境调控随时间变动在季节性混合通风模式中,一个区域中既使用自然通风,又安装机械通风设备,
9、两者在不同时段分别使用。通常来说,机械通风系统在冬季和夏季炎热时段开启,自然通风多在过渡季节使用。通风模式不单随季节变化,还可运用短周期的昼夜变化带来的温度差异。夜间通风是被动降温的手段之一6,适用于昼夜温差较大的地区。在白天使用机械通风降温,而夜间则开启窗户利用凉爽的室外空气为建筑结构降温;第二天的使用过程中,建筑结构作为冷源吸收建筑运行过程中产生的热量,从而降低空调系统负荷。这种以一天为周期的热循环也能有效节能,前提是要使用高热容的建筑材料并加大其与夜间流动空气的接触面。因此,季节性混合通风更准确的说法是分时段混合通风,可弥补“季节性”意涵的不足。根据季节、昼夜变换等制定大致的自然通图 1
10、广州某图书馆典型平面、剖面简图043236|2023|11建筑学风时段,其关键依据是室外空气温度。一般情况下利用自然通风进行室内降温的适当室外气温为 10 267,在此范围内的室外空气流入室内可在保证热舒适性的前提下提升空气质量,此范围外的室外空气进入室内会使室内气温过低或过高,而引起使用者热不适。除了温度,还需分析内部功能及人员、设备的散热情况7,评估使用空间对热环境的性能要求,综合多种因素制定使用空间具体时段的通风方式。2.3 分区混合通风:热环境调控按区域变通空间分区在建筑设计中较为常见,为了满足功能使用要求,将某些具有共同特征的使用空间集中放置在一起,以区别于其他空间区域,如动静分区、
11、私密与公共空间分区。建筑内部也可按照热环境的不同调控需求进行分区,每个区域包含相似热负荷特征的空间。与流动空间的统一性能指标不同,一栋建筑的不同部位宜根据各自位置、性能要求、使用状况或临近的外部建成环境差异使用不同的热环境调控方式。在空间规划前,对任务书中各个功能的热环境性能需求分类至关重要。相同或相似热环境性能需求的空间可聚集在同一区域,并与其他热环境性能需求和调控方式有差异的功能进行分隔。空间分区隔离为各自区域的热环境单独调控提供了保障。此分区混合通风模式中,不同区域采用独立的调控方式来满足各自的热环境需求,并根据时间变化进行切换调整。由于机械通风适用于一切空间,混合通风的空间分区合理性问
12、题可延展为自然通风区域的最大化以及不同自然通风方式的合理空间排布问题。各区应充分考虑提高自然通风频率以及不同通风动力的合理搭配,当室外环境恶劣导致自然通风无法实施或无效时,局部或全部空间再使用机械通风。3 基于混合通风的空间组织策略混合通风导向的空间形态组织应该促进并优化自然通风的使用,降低室内热环境对机械通风的依赖。成功的混合通风需要制定合适的通风策略以减少使用机械通风的空间面积和时间,其手段依赖合理的温度分区及整体空间组织。3.1 竖向气流通道辅助的浅进深空间因机械通风不受时间、空间的限制,基于混合通风的空间组织的首要原则是最大化地促进自然通风的使用时间和空间区域,以降低促进人体热舒适所需
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