Проектирование высоких витков для оптимальной естественной вентиляции и дневного освещения

Введение

Высокоэтажные здания доминируют в горизонтах современных городов, но их потребление энергии и качество окружающей среды в помещениях остаются критическими проблемами. Интеграция естественной вентиляции и дневного света в высотный дизайн - это не просто эстетический выбор - это фундаментальная стратегия для сокращения эксплуатационного углерода, улучшения здоровья пассажиров и снижения долгосрочных затрат. Используя преобладающие ветры, эффекты стека и солнечную геометрию, архитекторы могут создавать башни, которые дышат естественно и светятся при дневном свете, сокращая искусственное освещение и нагрузки HVAC на 30-50% во многих климатах. В этой статье рассматриваются принципы, стратегии, архитектурные особенности, проблемы и новые тенденции, которые позволяют высоким подъемам достигать оптимальной естественной вентиляции и дневного света, опираясь на исследования и примеры из реального мира.

Преимущества оптимизированной естественной вентиляции и дневного освещения

Улучшение качества воздуха и здоровья пассажиров

Естественная вентиляция постоянно обменивается несвежим воздухом в помещении со свежим воздухом на открытом воздухе, разбавляя загрязняющие вещества в помещении, включая летучие органические соединения (ЛОС), углекислый газ и твердые частицы, которые накапливаются в герметичных зданиях. Исследования, опубликованные Гарвардской школой общественного здравоохранения им. Т. Х. Чана, показывают, что улучшенные показатели вентиляции коррелируют с более высокими показателями когнитивной функции и меньшим количеством симптомов синдрома больного здания. В высотных офисных башнях даже скромный естественный воздушный поток может снизить концентрацию патогенов в воздухе, урок, подчеркнутый руководящими принципами проектирования после пандемии.

Снижение энергии и углеродный след

Дневной свет может вытеснить искусственное освещение, которое обычно составляет 25-40% от потребления электроэнергии в коммерческом здании. В сочетании с естественной вентиляцией, которая уменьшает или устраняет механическое охлаждение, экономия энергии значительна. Например, Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (FLT:0) оценивает, что хорошо продуманные стратегии бокового освещения и верхнего освещения могут сократить энергию освещения на 50-80%. Естественная вентиляция аналогичным образом снижает энергию вентилятора и чиллера, снижая как коммунальные платежи, так и воплощенный углерод, связанный с негабаритным оборудованием HVAC.

Улучшенный комфорт и производительность жильцов

Доступ к естественному свету и свежему воздуху был связан с более высокой удовлетворенностью и производительностью в офисе и жилых высотах. Исследование 2019 года Американским обществом дизайна интерьера показало, что 68% сотрудников оценивают доступ к естественному свету как ключевой фактор удовлетворенности на рабочем месте. Дневной свет также помогает регулировать циркадные ритмы, улучшая качество сна и бдительность. Естественная вентиляция обеспечивает чувство личного контроля - рабочие окна позволяют пассажирам регулировать свою непосредственную среду, особенность, часто отсутствующая в полностью закрытых башнях.

Ключевые стратегии проектирования для естественной вентиляции и дневного освещения

Ориентация и масса зданий

Ориентация длинной оси здания для максимального воздействия преобладающих ветров и солнечных траекторий является первым и наиболее экономически эффективным шагом. Ориентация север-юг (в Северном полушарии) обычно захватывает последовательные бризы, позволяя низкоугольному утреннему и дневному солнцу проникать глубже в напольные плиты. Массировка должна избегать глубоких, двунагруженных коридоров, которые блокируют перекрестную вентиляцию; вместо этого стройные напольные плиты - часто не более 15-18 м в ширину - гарантируют, что большинство занятых зон находятся в пределах 6-8 м от окна. Многие современные высокие подъемы, такие как ] One Angel Square в Манчестере , используют клинообразный план, который направляет преобладающие ветры через атриум здания.

Дизайн фасада: операционные окна, люверсы и затенение

Оболочка здания является интерфейсом между внутренним и внешним. Оперативные окна необходимы для естественной вентиляции, но они должны быть разработаны для предотвращения сквозняков, входа дождя и рисков безопасности. Горизонтальные поворотные окна, раздвижные панели или автоматизированные верхнего навеса внутрь позволяют контролировать воздушный поток. Для управления солнцем внешние затеняющие устройства - фиксированные или регулируемые жалюзи, экраны яиц или глубокие свесы - блокируют высокоугольное летнее солнце при допуске более низкого зимнего света. Отражающие покрытия и светлые наружные покрытия уменьшают теплоприем и отражают дневной свет глубже в комнаты. Умное стекло (электрохромное или термохромное) может динамически настраивать солнечное теплоприем, балансируя блики и потребности в вентиляции.

Внутренний план и Atria

Планирование интерьера не должно препятствовать воздушному потоку. Открытые планы этажей с перегородками низкой высоты, поднятыми перфорированными полами и стратегически расположенными обратными воздушными путями позволяют перекрестную вентиляцию. Атриумы — центральные вертикальные валы — действуют как тепловые дымоходы: теплый воздух поднимается и выходит через вентиляционные отверстия крыши, вытягивая более холодный воздух из окон периметра. Терминал международного аэропорта Кувейт (хотя и не высокий подъем) демонстрирует, как скульптурная центральная пустота может вызывать естественную вентиляцию; в высоких офисных башнях многоэтажный атриум может уменьшить потребность в механических выхлопных полах. Небесные сады и фасады с двойной кожей дополнительно усиливают вентиляцию с плавучестью и обеспечивают визуальное облегчение.

Эффект стека и вентиляция, приводимая ветром

Два физических явления приводят к естественной вентиляции: эффект стека (плавучесть) и давление ветра. Эффект стека зависит от разницы температур — теплый внутренний воздух поднимается и выходит через отверстия высокого уровня, вытягивая более холодный наружный воздух на более низких уровнях. В высоких подъемах архитекторы могут проектировать выхлопные валы, вентиляционные башни или лестничные клетки, предназначенные для потока воздуха на стеке. Вентиляция на ветру зависит от разницы давления между наветренными (положительное давление) и подветренными (отрицательное давление) сторонами. Угловые окна, ветровые ловушки и скульптурные формы крыши могут усилить этот эффект. Для надежной производительности многие проекты используют смешанного режима или гибридной вентиляции — переход на механические системы, когда условия на открытом воздухе неблагоприятны. Руководство CIBSE A предоставляет подробные методы

Системы дневного освещения: полки света, световые трубы и клерикальные плиты

Дневной свет в глубоких высотах требует перенаправления света от окон к ядру. Световые полки — горизонтальные отражающие поверхности, расположенные на высоте чуть выше уровня глаз — отражают дневной свет на потолок, который затем отражает его глубоко в пространство. Полки освещения могут удвоиться как затенение для стекла с более низким зрением. Световые трубы или трубчатые устройства дневного освещения захватывают солнечный свет на крыше и направляют его через высоко отражающие трубы во внутренние зоны. Клересторные окна и зубчатые крыши менее распространены в высотных высотах, но появляются в помещениях с удобствами верхнего этажа. Автоматические регуляторы затемнения, связанные с датчиками дневного света, обеспечивают постоянную освещенность при максимизации экономии энергии.

Архитектурные особенности, которые способствуют вентиляции и дневному освещению

• Атриумы и внутренние дворы: Вертикальные пустоты, которые позволяют свету и воздуху проникать глубоко в здание. Они служат в качестве тепловых буферов и общественных центров.
• Небесные сады и террасы с двойной высотой: Прерывистые зеленые насаждения на нескольких уровнях разрушают массу здания, уменьшают осадки ветра и обеспечивают дневной доступ к нескольким этажам.
• Стековые вентиляционные шахты: Выделенные вертикальные воздуховоды (часто интегрированные с лестницами или лобби лифтов), которые используют плавучесть для выхлопа горячего воздуха и привлечения прохладного воздуха из периферийных окон.
• Башни с ветром или ветровые ловцы: Традиционные ближневосточные элементы, адаптированные для высоких подъемов — высокие, направленные воздуховоды, которые захватывают преобладающие ветры и направляют их во внутренние пространства.
• Световые мониторы и мониторы крыши: Выступы на крыше с остеклением, допускающим зенитный дневной свет, часто используемые в конференц-залах верхнего этажа или квартирах пентхауса.
• Двухслойные фасады: Два слоя стекла с вентилируемой полостью; полость может использоваться для предварительного нагрева воздуха зимой и отвода тепла летом, уменьшая нагрузки, позволяя при этом естественную вентиляцию через работоспособные внутренние окна.
• Перфорированные напольные плиты и вентилируемые ядра: Отверстия в плите пола или по периметру ядра позволяют воздуху перемещаться между этажами, помогая вентиляции стека в больших зданиях.

Проблемы и стратегии смягчения

Теплообмен и контроль блеска

Больше дневного света может привести к чрезмерному увеличению солнечного тепла и бликам, особенно на восточном и западном фасадах. Смягчения включают фиксированное наружное затенение, калиброванное на солнечном пути, спектрально избирательное остекление (покрытие с низким E, которое отклоняет тепло при передаче видимого света) и автоматизированные жалюзи или электрохромное стекло. Было показано, что внешние автоматизированные венецианские жалюзи снижают охлаждающие нагрузки до 30% по сравнению с внутренними оттенками. Для блика дизайнеры должны учитывать угол падающего света - полки света и антибликовые покрытия на стекло зрения помогают поддерживать визуальный комфорт.