关于蜂窝式仿生建筑节能通风和采光的研究

杨和雨 孙建梅 薛文欣 王嘉浩 邓舒尹

上海电力大学经济与管理学院

1 前言

中国是世界上最大的发展中国家,目前已成为全球最大的能源消费国,能源供应日益短缺而环境污染日趋严重。建筑能耗已成为与工业、交通能耗并列的三大能耗之一,建筑能耗的巨大需求将会对我国的能源供应、资源环境形成巨大压力,因此采取有效措施降低建筑能耗至关重要。与此同时,政府出台并颁布了一系列的建筑节能政策、规范、标准来引导建筑节能工作的进行,逐步建立了一套初步完善的建筑节能政策体系。

蜂窝式建筑由于其拥有较高的材料利用率，具有低成本，高空间利用率的特点，可应用于住户密集的居住区建设。但是由于其概念性强，理论依据不足，导致这类建筑具有采光，通风不良的缺点，居住舒适度不高，本组将对这两大问题进行研究并提出解决方案，以提高该型建筑的舒适度和节能效果为目的，设计出一款可以解决此问题的典型蜂窝式节能建筑。

2 建筑设计

蜂窝结构，是覆盖二维平面的最佳拓扑结构。其结构是有一个个正六边形房、房口都朝向一边、背对背对称排流而成的一种结构，这种结构有着优秀的几何力学性能，因此在材料学科有广泛的应用。研究发现，正六边形的建筑结构，密合度最高、所需材料最简、可使用空间最大。本研究着力于讲蜂巢这种结构特点与建筑进行结合。

对此，本项目设计如图1。

图1

本设计采光的设计完全按照规范2.4建筑距离之规定，建筑间距离完全符合国家规范要求，可以满足人对于日照，采光的需求。

通风方面选择长型居住楼，在楼底部设计了二到四车道的通道如图2。

居住区由数组六边形建筑组组成，而一个建筑组由六个这样的常规建筑组成。利用蜂窝的中心通风给予的灵感，每个建筑组围成的空间内部进行园林设计，利用建筑底部的通道形成园林风，每个建筑组如同一个个单独的蜂巢，进行中心通道通风。

在解决通风问题的同时，底部通道还解决了居住区的交通问题。居住区组外部是六边形，但内部交通采用环形交通，可以有效解决拥堵，而且在非高峰时期可对社会开放，缓解交通拥挤问题。

在建筑窗墙比方面：本建筑的窗墙比为南：0.346；北：0.223。窗墙比符合规范。

图2

本建筑计划修建位置处于华东地区，夏季闷热潮湿，冬季温和湿润，冷热耗量多为空调调节窗墙比较大的建筑比窗墙比小的建筑可获得更大的节能效益。故在符合规范的同时尽可能的达到更大的窗墙比，增加空调节能效益。

建筑墙体拟选用金邦板（纤维增强水泥外墙装饰挂板），吸水率低，尺寸稳定，干湿变形小，具有优越的耐候性能，极限冻融200多次，优良的耐火性能，为A1级不燃材料。

根据研究，木结构或者塑料结构窗框的隔热性能更佳，但是坚固性不如铝合金窗框。因此，我们依旧采用使用更加广泛的铝合金窗框。

中国门窗标识有标准窗型，还有无亮子窗型。在两窗型玻璃配置为5Low-E+14Ar+5Low-E+12Ar+5，根据86系列型材以及整窗尺寸、计算边界条件都相同时得出：窗系统表示标准窗型传热系数为1.09W/（m2·K），无亮子窗型传热系数为1.01W/（m2·K），无亮子窗型由于减少了中横挺和中横挺线传热长度lΦ，从而降低了整窗传热系数。故在本建筑中，使用无亮子窗型。

图3

图4

图3为中国门窗标识标准窗型，图4为无亮子窗型。而窗体采用低辐射中空玻璃，降低热传递，提高节能效益。

室内可在本建筑中位于窗上部四分之一处设置室内的遮阳反光板，对朝阳房间起到遮阳作用，同时将光线反射入房间深处，增加室内自然光分布的均匀度。

3 建筑模拟——通风

本项目采用鸿业建筑风环境模拟分析软件HY-CFD对该项目建筑室内外风环境进行模拟分析。计算域水平方向的长和宽应在模拟对象各向延伸4H～6H，垂直方向高度在3H～6H。

本次研究模拟蜂窝式仿生建筑群在上海地区的布置，分别对总平面，首层，二层，三层，四层，五层，阁楼层进行模拟，得到总平面的风速，风速矢量，风速放大系数，风压，空气龄等系数。

通过模拟，得到以下结果：在过渡季节，室外平均温度为30.8℃，平均风速为3.4m/s，无旋涡区,人体感到舒适；50%以上可开启外窗室内外表面的风压大于0.5Pa；且室外风速放大系数平均为1.03，小于2，满足规范要求。对于室内首层，风速大致在1m/s～3m/s 之间，且无旋涡区，满足舒适要求；风压大致为1.56Pa；室内温度为30℃左右，PMV指数在1.5左右，人体感觉到稍暖。对于室内二至五层，风速大致在1.3m/s～2.4m/s之间，根据风速矢量图观察并无旋涡区；室内风压大致为1.67Pa；室内温度同样为30℃左右，PMB指数在1.15～1.95之间，人体感觉稍暖；空气龄在50s左右，空气新鲜。对于阁楼层，风速集中在1.8m/s，无明显旋涡区；室内风压大致为3.92Pa；温度集中在30℃左右，PMB 指数在1.4～1.8 之间，人体感觉稍暖；空气龄在50s 左右，空气新鲜。

通过分析得到以下结论：（1）在过渡季主导风向下，建筑室内自然通风效果良好，对建筑室内环境起到了很好的通风降温效果，并对建筑室内舒适度以及空气品质也起到了很好的促进作用，能较好地利用自然通风来改善室内环境质量。（2）舒适性方面，在冬夏季节室外主导风向下，该项目通过建筑间距来改善首层公共活动区域风环境。人行高度处的风速基本都处于1m/s～3m/s之间，风速放大系数在1～1.2之间，符合舒适要求。（3）在夏季主导风向下，该项目建筑前后压差基本都在5Pa以上，满足绿色建筑标准要求，有利于自然通风的利用，以改善室内热环境。（4）达标判断：该项目人行高度处风速均小于5m/s，风速放大系数小于2，且在各个季节主导风向条件下建筑周边人行区域均没有出现较大的涡流、滞风现象，符合GB/T 50378—2014《绿色建筑评价标准》标准要求。

4 建筑模拟——采光

本项目采用鸿业建筑采光模拟分析软件进行室内采光分析，总建筑面积2588.99m2，建筑层数为6 层，建筑高度为21.838m。模拟分析天空模型为CIE 全阴天，对周边环境的采光模拟计算考虑建筑物间的相互遮挡，模拟计算时忽略室内建筑构件的影响，在模拟过程中考虑建筑围护结构表面的反射系数、玻璃的可见光透射比等参数。分别对首层、二层、三层、四层、五层、阁楼层进行模拟，以二层结果为例，二层房间采光模拟结果如表1。

表1

综上，对室内自然采光效果进行模拟分析，得出结论如下：住宅二层采光要求功能空间面积为418.11m2，其中约404.14m2的采光系数达到了《建筑采光设计标准》的相关要求，满足要求的比例为87.50%，二层采光要求功能空间包括卧室、卫生间、餐厅、客厅、楼梯间，其中除卫生间受墙体遮挡及进深较大的影响外，其他部分功能空间采光效果好。实验数据表明，建筑无不满足强制条件的房间，其中项目整体主要功能空间的采光系数达到《建筑采光设计标准》相关功能房间采光系数的要求。由此可以得出，模拟数据具有参考价值，符合客观事实，结论具有可信度，可用于建筑采光设计及采光效果的优化设计。

5 结束语

综上所述，在蜂窝式仿生建筑中，不仅需要保证人们的居住要求，同时也要适应社会发展需求，提高建筑节能效果。本设计利用鸿业建筑分析平台对蜂窝式仿生建筑的通风、采光性能进行有效分析，得出结论，该设计满足通风、采光两方面的要求，应用自然界的日照、风力等自然原理，以规划、设计的建筑手法改善居住环境，而不依赖常规能源，更好的利用被动式节能技术，与传统建筑相比，提高居住舒适度以及节能效果。