Роль аэродинамики фасада в снижении нагрузок охлаждения

Как аэродинамический дизайн уменьшает охлаждающие нагрузки

Основными способами снижения аэродинамических фасадов охлаждающих нагрузок являются усиление конвективных потерь тепла, содействие естественной вентиляции и снижение солнечного тепла за счет затенения, связанного с формой. Каждый механизм работает синергетически, чтобы снизить температуру как поверхности фасада, так и внутренней среды, непосредственно уменьшая энергию, необходимую для кондиционирования воздуха.

Стратегии естественной вентиляции

Хорошо спроектированный аэродинамический фасад может приводить в действие значительную естественную вентиляцию, заменяя теплый воздух в помещении более холодным наружным воздухом без использования вентиляторов.

• Перекрестная вентиляция:] Выравнивая впускные и выпускные отверстия по ширине здания, различия в давлении ветра создают устойчивый поток через внутренние пространства. Обтекаемые формы фасада увеличивают перепад давления между наветренной и подветренной сторонами, повышая скорость вентиляции. Исследования показали, что здания с оптимизированными аэродинамическими формами могут достигать естественных скоростей вентиляции, превышающих 20 изменений воздуха в час, достаточно для поддержания теплового комфорта даже в теплом климате.
• Вентиляция стекового эффекта:] Фасады зданий могут быть спроектированы для усиления воздушного потока, управляемого плавучестью. Высокие предсердия или вентиляционные валы с тщательно расположенными входами на более низких уровнях и выходами в верхней части используют разницу в плотности воздуха между теплым внутренним воздухом и более холодным внешним воздухом. Аэродинамические особенности, такие как ветровые скачки или гребни крыши, могут усиливать этот эффект, создавая отрицательное давление в верхней части, вытягивая воздух вверх и наружу.

Уменьшение солнечного тепла через форму

Помимо контроля воздушного потока, прямое значение в затенении играет трехмерная геометрия фасада. Аэродинамические формы часто включают в себя самозатеняющиеся элементы, которые блокируют прямое солнечное излучение в часы пик. Например, здание с извилистым или коническим профилем может ориентировать части своего фасада в сторону от солнца, уменьшая падающее излучение. Изогнутые поверхности также позволяют дизайнерам размещать остекление на северных или южных гранях (в Северном полушарии), где солнечное воздействие ниже, при использовании твердых, изолированных панелей на восточных и западных гранях. Эти стратегии затенения с использованием формы уменьшают охлаждающую нагрузку, которую фасад должен отклонять конвективно.

Передовые технологии и материалы

Инновации в материалах и строительных системах расширили палитру стратегий аэродинамического фасада. Сочетание аэродинамики с отзывчивыми материалами дает фасады, которые динамически адаптируются к изменяющимся ветровым и тепловым условиям.

• Двухкожные фасады: Система с двойной кожей состоит из двух слоев стекла (или других материалов), разделенных воздушной полостью. Наружная кожа может быть сформирована аэродинамически, чтобы уменьшить ветровые нагрузки, в то время как полость служит буферной зоной. Контролируемые отверстия в обеих шкурах позволяют воздуху течь через полость, предварительно нагревая или предварительно охлаждая воздух вентиляции перед входом в интерьер здания. Когда внешняя форма обтекается и глубина полости оптимизирована, система может уменьшить охлаждающие нагрузки на 30-50% по сравнению с обычным одноглазурным фасадом.
• Динамические и кинетические фасады:] Растущей тенденцией является использование подвижных компонентов, таких как вращающиеся панели, регулируемые жалюзи или надувные подушки, которые реагируют на скорость и направление ветра. Эти кинетические элементы могут перенаправлять воздушный поток, закрываться, когда скорость ветра высока, чтобы предотвратить чрезмерную вентиляцию, или открываться для захвата бризов для естественного охлаждения. Примеры включают башни Аль-Бахр в Абу-Даби, где динамическая система машрабия открывается и закрывается на основе солнечного воздействия, а также влияя на модели воздушного потока вокруг здания.
• Ветровые дефлекторы и навесы:] Фиксированные или убирающиеся внешние затеняющие устройства могут быть сформированы так, чтобы действовать как ветровые дефлекторы, направляющие воздух в отверстия или поверх фасада для усиления конвективного охлаждения.Горизонтальные жалюзи с аэродинамическими профилями (например, формы аэродинамического профиля) могут одновременно обеспечивать тень и уменьшать давление, вызванное сопротивлением на фасаде.
• Передовые покрытия и покрытия: Покрытия с низкой излучательной способностью (низкой е) и спектрально селективное стекло часто сочетаются с аэродинамическими внешними формами для минимизации теплопередачи при сохранении прозрачности.Аэродинамическая форма помогает снизить конвективный коэффициент теплопередачи на поверхности стекла, улучшая общее значение U фенестрации.

Тематические исследования и примеры

Реальные проекты демонстрируют ощутимые преимущества аэродинамического дизайна фасада. Эти тематические исследования показывают, как форма и функция могут сливаться для достижения значительной экономии энергии.

Истгейт Центр, Хараре, Зимбабве

Один из самых известных примеров биоклиматического дизайна, Eastgate Centre использует фасадную стратегию, вдохновленную термитными курганами. Внешний вид здания представляет собой решетку из бетона и кирпича с тщательно расположенными отверстиями, которые направляют преобладающие ветры в центральный атриум. Аэродинамическая форма - закругленные углы и вертикальные плавники - направляет воздушный поток и создает дифференциалы давления, которые пропускают естественную вентиляцию через все здание. В результате Eastgate Centre использует только 10% энергии аналогичного обычного здания, практически без механического кондиционирования воздуха. Этот успех происходит непосредственно от аэродинамической настройки фасада к местным ветровым моделям.

30 St Mary Axe (The Gherkin), Лондон, Великобритания

Знаменитый лондонский Геркин - еще один мастер-класс по аэродинамическому дизайну фасада. Его сигарообразная форма с диаметром, который расширяется, а затем сужается, снижает нагрузку на ветер до 50% по сравнению с прямоугольным зданием эквивалентной высоты. Спиральный рисунок фасадных панелей делает больше, чем создает визуальный интерес; он также направляет ветер, чтобы плавно перемещаться по зданию, сводя к минимуму турбулентные нисходящие потоки на уровне улицы и уменьшая охлаждающую нагрузку, предотвращая застой теплого воздуха против стекла. Фасад с двойной кожей с автоматическими жалюзи и естественными вентиляционными валами дополнительно использует аэродинамическую оболочку здания, чтобы сократить потребление энергии охлаждения более чем на 40% по сравнению с обычной башней.

Всемирный торговый центр Бахрейна, Манама, Бахрейн

Несмотря на то, что этот комплекс знаменит своими интегрированными ветряными турбинами, этот комплекс с двумя башнями также имеет продуманный аэродинамический дизайн фасада. Башни имеют форму эллиптических парусов, ориентированных на воронку ветра между ними и на турбины. Изогнутые поверхности фасада уменьшают сопротивление и помогают поддерживать ламинарный воздушный поток через мосты, которые соединяют башни. Эта форма не только повышает эффективность турбины, но и снижает вызванное ветром давление, которое в противном случае заставило бы теплый внешний воздух в оболочку здания. Аэродинамический профиль в сочетании с высокопроизводительным остеклением и солнечным затенением снижает охлаждающие нагрузки примерно на 25% по сравнению с обычной прямоугольной башней в том же климате.

Башни Аль-Бахр, Абу-Даби, ОАЭ

Эта пара офисных башен имеет отзывчивый фасад, состоящий из 2000 зонтикоподобных компонентов, которые открываются и закрываются в зависимости от положения солнца. Динамическая система затенения снижает прирост солнечного тепла более чем на 50% при сохранении вида и дневного света. Формы здания - простой цилиндр, но затеняющие панели расположены в шестиугольном рисунке, который также влияет на воздушный поток. В более прохладные зимние месяцы панели открываются, чтобы позволить ветру циркулировать и охлаждать фасад; во время летнего тепла они близки к затенению стекла и перенаправляют горячий воздух. Этот кинетический подход - прямое применение аэродинамических принципов для управления как радиационной, так и конвективной передачей тепла, что приводит к 45% снижению энергии охлаждения.

Дизайн-соображения и проблемы

Хотя преимущества аэродинамических фасадов очевидны, реализация этих стратегий требует тщательного рассмотрения нескольких практических факторов.

• Аэродинамические стратегии, которые работают в жарком, влажном климате, могут быть менее эффективными в прохладном, умеренном регионе. Дизайнеры должны проанализировать местные розы ветра, диапазоны температур и уровни влажности, чтобы определить, может ли естественная вентиляция обеспечить адекватное охлаждение круглый год или необходимы гибридные системы.
• Структурные нагрузки: Обтекаемые формы уменьшают пиковые ветровые нагрузки на конструкцию здания, что может снизить затраты на строительство. Однако сам фасад должен быть спроектирован таким образом, чтобы выдерживать местные экстремальные ветровые явления, такие как ураганы или тайфуны, без ущерба для аэродинамических характеристик. Отверстия могут нуждаться в клонировании или защите во время штормов.
• Стоимость и сложность: Пользовательские аэродинамические формы и кинетические системы могут быть более дорогими для проектирования и изготовления, чем стандартные прямолинейные фасады. Анализ стоимости жизненного цикла должен учитывать экономию энергии в течение срока службы здания, чтобы оправдать первоначальные инвестиции.
• Обслуживание и долговечность: Перемещение деталей в динамических фасадах требует регулярного ухода. Сама аэродинамическая форма должна избегать карманов накопления пыли; самоочищающиеся покрытия или схемы стока дождевой воды должны учитываться при проектировании.
• Качество воздуха в помещении и акустика: Естественные вентиляционные отверстия могут вводить загрязняющие вещества и шум на открытом воздухе. Аэродинамические конструкции впуска, которые включают фильтрацию или акустическое затухание, имеют важное значение для городской среды.