關于蜂窩式仿生建筑節能通風和采光的研究

楊和雨 孫建梅 薛文欣 王嘉浩 鄧舒尹

上海電力大學經濟與管理學院

1 前言

中國是世界上最大的發展中國家,目前已成為全球最大的能源消費國,能源供應日益短缺而環境污染日趨嚴重。建筑能耗已成為與工業、交通能耗并列的三大能耗之一,建筑能耗的巨大需求將會對我國的能源供應、資源環境形成巨大壓力,因此采取有效措施降低建筑能耗至關重要。與此同時,政府出臺并頒布了一系列的建筑節能政策、規范、標準來引導建筑節能工作的進行,逐步建立了一套初步完善的建筑節能政策體系。

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，可應用于住戶密集的居住區建設。但是由于其概念性強，理論依據不足，導致這類建筑具有采光，通風不良的缺點，居住舒適度不高，本組將對這兩大問題進行研究并提出解決方案，以提高該型建筑的舒適度和節能效果為目的，設計出一款可以解決此問題的典型蜂窩式節能建筑。

2 建筑設計

蜂窩結構，是覆蓋二維平面的最佳拓撲結構。其結構是有一個個正六邊形房、房口都朝向一邊、背對背對稱排流而成的一種結構，這種結構有著優秀的幾何力學性能，因此在材料學科有廣泛的應用。研究發現，正六邊形的建筑結構，密合度最高、所需材料最簡、可使用空間最大。本研究著力于講蜂巢這種結構特點與建筑進行結合。

對此，本項目設計如圖1。

圖1

本設計采光的設計完全按照規范2.4建筑距離之規定，建筑間距離完全符合國家規范要求，可以滿足人對于日照，采光的需求。

通風方面選擇長型居住樓，在樓底部設計了二到四車道的通道如圖2。

居住區由數組六邊形建筑組組成，而一個建筑組由六個這樣的常規建筑組成。利用蜂窩的中心通風給予的靈感，每個建筑組圍成的空間內部進行園林設計，利用建筑底部的通道形成園林風，每個建筑組如同一個個單獨的蜂巢，進行中心通道通風。

在解決通風問題的同時，底部通道還解決了居住區的交通問題。居住區組外部是六邊形，但內部交通采用環形交通，可以有效解決擁堵，而且在非高峰時期可對社會開放，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。窗墻比符合規范。

圖2

本建筑計劃修建位置處于華東地區，夏季悶熱潮濕，冬季溫和濕潤，冷熱耗量多為空調調節窗墻比較大的建筑比窗墻比小的建筑可獲得更大的節能效益。故在符合規范的同時盡可能的達到更大的窗墻比，增加空調節能效益。

建筑墻體擬選用金邦板（纖維增強水泥外墻裝飾掛板），吸水率低，尺寸穩定，干濕變形小，具有優越的耐候性能，極限凍融200多次，優良的耐火性能，為A1級不燃材料。

根據研究，木結構或者塑料結構窗框的隔熱性能更佳，但是堅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。

中國門窗標識有標準窗型，還有無亮子窗型。在兩窗型玻璃配置為5Low-E+14Ar+5Low-E+12Ar+5，根據86系列型材以及整窗尺寸、計算邊界條件都相同時得出：窗系統表示標準窗型傳熱系數為1.09W/（m2·K），無亮子窗型傳熱系數為1.01W/（m2·K），無亮子窗型由于減少了中橫挺和中橫挺線傳熱長度lΦ，從而降低了整窗傳熱系數。故在本建筑中，使用無亮子窗型。

圖3

圖4

圖3為中國門窗標識標準窗型，圖4為無亮子窗型。而窗體采用低輻射中空玻璃，降低熱傳遞，提高節能效益。

室內可在本建筑中位于窗上部四分之一處設置室內的遮陽反光板，對朝陽房間起到遮陽作用，同時將光線反射入房間深處，增加室內自然光分布的均勻度。

3 建筑模擬——通風

本項目采用鴻業建筑風環境模擬分析軟件HY-CFD對該項目建筑室內外風環境進行模擬分析。計算域水平方向的長和寬應在模擬對象各向延伸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的布置，分別對總平面，首層，二層，三層，四層，五層，閣樓層進行模擬，得到總平面的風速，風速矢量，風速放大系數，風壓，空氣齡等系數。

通過模擬，得到以下結果：在過渡季節，室外平均溫度為30.8℃，平均風速為3.4m/s，無旋渦區,人體感到舒適；50%以上可開啟外窗室內外表面的風壓大于0.5Pa；且室外風速放大系數平均為1.03，小于2，滿足規范要求。對于室內首層，風速大致在1m/s～3m/s 之間，且無旋渦區，滿足舒適要求；風壓大致為1.56Pa；室內溫度為30℃左右，PMV指數在1.5左右，人體感覺到稍暖。對于室內二至五層，風速大致在1.3m/s～2.4m/s之間，根據風速矢量圖觀察并無旋渦區；室內風壓大致為1.67Pa；室內溫度同樣為30℃左右，PMB指數在1.15～1.95之間，人體感覺稍暖；空氣齡在50s左右，空氣新鮮。對于閣樓層，風速集中在1.8m/s，無明顯旋渦區；室內風壓大致為3.92Pa；溫度集中在30℃左右，PMB 指數在1.4～1.8 之間，人體感覺稍暖；空氣齡在50s 左右，空氣新鮮。

通過分析得到以下結論：（1）在過渡季主導風向下，建筑室內自然通風效果良好，對建筑室內環境起到了很好的通風降溫效果，并對建筑室內舒適度以及空氣品質也起到了很好的促進作用，能較好地利用自然通風來改善室內環境質量。（2）舒適性方面，在冬夏季節室外主導風向下，該項目通過建筑間距來改善首層公共活動區域風環境。人行高度處的風速基本都處于1m/s～3m/s之間，風速放大系數在1～1.2之間，符合舒適要求。（3）在夏季主導風向下，該項目建筑前后壓差基本都在5Pa以上，滿足綠色建筑標準要求，有利于自然通風的利用，以改善室內熱環境。（4）達標判斷：該項目人行高度處風速均小于5m/s，風速放大系數小于2，且在各個季節主導風向條件下建筑周邊人行區域均沒有出現較大的渦流、滯風現象，符合GB/T 50378—2014《綠色建筑評價標準》標準要求。

4 建筑模擬——采光

本項目采用鴻業建筑采光模擬分析軟件進行室內采光分析，總建筑面積2588.99m2，建筑層數為6 層，建筑高度為21.838m。模擬分析天空模型為CIE 全陰天，對周邊環境的采光模擬計算考慮建筑物間的相互遮擋，模擬計算時忽略室內建筑構件的影響，在模擬過程中考慮建筑圍護結構表面的反射系數、玻璃的可見光透射比等參數。分別對首層、二層、三層、四層、五層、閣樓層進行模擬，以二層結果為例，二層房間采光模擬結果如表1。

表1

綜上，對室內自然采光效果進行模擬分析，得出結論如下：住宅二層采光要求功能空間面積為418.11m2，其中約404.14m2的采光系數達到了《建筑采光設計標準》的相關要求，滿足要求的比例為87.50%，二層采光要求功能空間包括臥室、衛生間、餐廳、客廳、樓梯間，其中除衛生間受墻體遮擋及進深較大的影響外，其他部分功能空間采光效果好。實驗數據表明，建筑無不滿足強制條件的房間，其中項目整體主要功能空間的采光系數達到《建筑采光設計標準》相關功能房間采光系數的要求。由此可以得出，模擬數據具有參考價值，符合客觀事實，結論具有可信度，可用于建筑采光設計及采光效果的優化設計。

5 結束語

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，同時也要適應社會發展需求，提高建筑節能效果。本設計利用鴻業建筑分析平臺對蜂窩式仿生建筑的通風、采光性能進行有效分析，得出結論，該設計滿足通風、采光兩方面的要求，應用自然界的日照、風力等自然原理，以規劃、設計的建筑手法改善居住環境，而不依賴常規能源，更好的利用被動式節能技術，與傳統建筑相比，提高居住舒適度以及節能效果。