同济大学工程机电期末论文

建筑形式与暖通空调

摘要：新材料的出现以及新的建筑设计理念的提出加速了建筑形式的发展，现在的建筑形式已经不再局限于类似于混凝土、砌体结构这样的传统结构形式。膜结构、轻型木结构、钢结构逐渐成为设计的主流。而且中国可持续发展战略的提出更是引发了一起绿色建筑的大潮。作为改善人类居住环境的暖通空调系统不得不随着这些新事物作出相应的改变。

关键字：暖通空调；绿色建筑；新型建筑形式

一．引言

随着科学技术的发展和生活水平的提高，人们的物质生活变得越来越丰富多彩，对精神的需求也不断的提高，已经不能满足于建筑仅仅作为居住、办公的场所的功能，希望获得更多的舒适性、艺术性，甚至对建筑环保方面的要求也有了提高。基于现代材料科学的进步，一些利用新材料的新型结构形式应运而出——膜结构、轻型木结构、钢结构。这些结构迅速在社会上普及，比如：鸟巢、水立方等等。这些新的材料同传统材料性能上的差异给暖通空调的设计带来了很多新的问题，同时新的结构形式的出现也让建筑的跨度刷新了历史记录，这对暖通空调而言也是一个新的挑战。但是，机遇与困难并存，这些新事物的出现无疑给了暖通空调一个更大的发展平台，新技术和新形式的研发也就成了暖通空调发展的重中之重。

二．新型建筑形式

2.1轻型木结构

轻型木结构是指主要由木构架墙，木楼盖和木屋盖系统构成的结构体系。具体地说，是指用规格材及木基结构板材或石膏板制作的木构架墙体、楼板和屋盖系统构成的单层或多层建筑结构。轻型木结构建筑的基础通常为混凝土基础，一层楼板为木楼板或混凝土楼板，以一层楼板为平台建造一层墙体，然后以此类推。轻型木结构建筑在屋盖和墙体空间填充保温材料以达到良好的保温效果。屋面和墙面铺设防水材料以满足防水、防潮要求。轻型木结构建筑室内墙板采用石膏板以满足防火要求，外墙外侧面可选用涂料、挂板、贴砖等多种外饰面材料。轻型木结构框架采用小尺寸规格材料和锚钉连接，多条荷载传递通路使其具有较高的结构安全冗余度，在地震和强风作用下结构安全性能高[1]。

现代木结构建筑的特点有：

（1）材料环保，木材是一种可再生材料。

（2）节约能源，由于木材为绝热体，相同厚度、相同条件下，木材的隔热值比砼高16倍，比钢材高400倍，综合比较相对其他材料，木材可节能50%——70%，住在木屋的感觉就仿佛四季如春、冬暖夏凉。

（3）稳定性高，木结构自重较轻，另外木材具有极强的韧性，配合独特的施工工艺，使其对突加荷载及周期疲劳波坏有很强的抵抗能力，所以，在欧美及日本等地震、飓风等自然灾害多发地区普遍采用。

（4）耐久性高，木结构以其独特的结构形式和施工技术，能够在各种气候条件

下，历经数代而保持完好，在中国和欧美等一些国家，仍可以见到保持完好的木结构建筑。

2.2钢结构

钢结构较之木结构更为常见。我国的钢结构建筑基本目前应用最为广泛的主要有三种，一种是大空间跨度钢结构，二是高层重钢结构，三是轻钢结构建筑。钢材的特点是强度高、自重轻、整体刚性好、变形能力强，所以钢结构很快成为主要的建筑形式之一，常用于建造大跨度、超高、超重的建筑。但是由于钢材本身热传导性能良好，所以在设计时要格外注意保温，除了要求墙体屋面有良好的保温材料外，构造节点处防止冷热桥处理要求很高。

2.3膜结构

膜结构作为一种全新的建筑结构形式，其富有艺术感、自重轻、跨度大、工期短、经济效果显著，安全性好，而且具有较好的耐久性、耐火性、透光性与自洁性，因此已经取得了一定的广泛应用，主要应用于体育馆、加油站、收费站、公园入口、商业中心以及景观小品建筑等[2]。

用于膜结构建筑的膜材料是在用纤维织成的基本上布上树脂或橡胶等而制成的，高强度聚酯纤维是膜材的基质，保证膜材的强度；高分子聚合物图层保证膜材的密实性；二惰性材料图层则主要是保证膜材的自洁性。

2.4绿色建筑

绿色建筑是一种崭新的设计理念，是指最大限度地利用天然条件并通过人工手段创造宜憩舒适的环境，同时又要严格控制和减少人类对于自然资源的占有，确保自然索取与回报之间的动态平衡。这种动态平衡不但要反映在建筑设计和建造时所采用的合适方法及因地制宜的材料上，而且更为体现在它对资源的消耗利用程度和回报自然程度状态上。可以这样说，绿色建筑是一种崭新的设计思维和模式，在使用中对精神层面的重要性给予更多的关注，全方位的关心使用者的生理以及心理的健康。

三．暖通空调概述

暖通空调的主要功能包括：采暖、通风和空气调节这三个方面，HVAC实际上是Heating Ventilatingand Air Conditioning的英文缩写，取这三个功能的综合简称，即为暖通空调。

在设计中，暖通空调指的是室内或者是车内负责供暖气并调节空气的相关设备或者系统，这一设计运用到了热力学和流体力学等方面的知识。暖通空调与中央空调有相似之处，能够造出一种舒适的室内环境，在一般的家居空调仅仅只能解决冷暖问题，解决不了空气的处理。暖通空调的空气处理过程是这样的，首先让空气进入到室内，对空气进行了冷却处理和过滤，过滤空气的好处有很多，比如电子除尘，这样有利于除去空气中的大部分细菌病毒，另外就是暖通空调有增湿的功能，能够保证室内的湿度适宜人的居住。

四．新型建筑形式与暖通空调设计

4.1轻型木结构

本身木材就是一种绝热材料，所以对于小型的木结构建筑往往采用自然通风

或者设置分体式空调器。但是对于较大型的木结构建筑，比如酒店来讲就必须考虑集中空调形式。

集中空调处理手法中比较普通的方式是降低或设置吊顶，布置空调风管等设备管线。但是由于轻型木结构不宜过高，所以这种设计在一定程度上会压缩使用空间，而且使吊顶的艺术设计上有了很大的局限性，很容易破坏原有的吊顶设计。另一种方法则是通过架空地板送风。所谓地板送风系统就是在楼板上再设置一层地板．这样一来就提供了一个可开启的静压箱．用来敷设楼宇的服务设施．如动力、音响和数据电缆．也可布置采暖和制冷的设备。地板送风方式将处理过的空气以低速从地板散流器均匀地直接送入人员工作区．送风在上升的过程中慢慢地与室内的空气混合．使热空气和污染空气上升至顶部回风口．形成温度分层和浓度分层．室内工作区的温度和污染物浓度低于上部。

由于木结构有很好的保温性能，所以在设计中为了更好的达到节能环保的作用常使用地源热泵空调系统。地源热泵空调系统是利用土壤、地下水或江河湖水作为冷热源的一种高效空调方式。土壤是一种很适宜的热源，其温度适宜、稳定，蓄热性能好且到处都有。原状土在地下约10m深处温度几乎没有季节性波动，一般比全年空气平均温度高1~2益。地热泵全年运行工况稳定，不需要其他辅助热源及冷却设备即可实现冬季供热夏季供冷。此外，在木结构暖通空调设计中也常采用去湿空调（Desiccant Cooling）。去湿空调的原理很简单，室外新风先经过除湿转轮，由其中的固体去湿剂进行去湿处理，然后经过第2个转轮（热回收转轮），与室内排风进行全热或显热交换，回收排风能量。经过去湿降温的新风再与回风混合，经表冷器处理（此时表冷器处理基本上已是干冷过程）后送入室内。

木结构并不是一种很新型的结构形式，但是它在建造使用过程中的节能环保使得木结构在经过创新后又重新回到了设计潮流之中。上述的木结构中常用的暖通空调系统是作为一种节能设计和木结构搭配使用，所以同样适用于传统的混凝土建筑。

4.2大空间的钢结构和膜结构

结构和膜结构带给暖通空调的主要问题在于他们所形成的大空间，比如说会展中心、有中庭的大型商场。这一类建筑水平和竖向空间极大，空调很难实现全面送风，而且材料本身性质也为空气调节带来了很大的问题。以东营会展中心为例，其展览中心主展厅为钢结构桁架，桁架最外层为PVC膜，桁架内侧设置双层中空阳光板。由于屋面膜结构的特殊性，夏季空调负荷分析显示，展厅上部空间通围护结构传热引起的负荷基本达到房间整体负荷的50%。在暖通空调设计中在考虑如何承担负荷的同时还要兼顾空调机组的节能和功率以及人员的舒适感。所以，夏季空调系统设计为分层系统，即人员活动区域采用全空气低风速空调系统，满足室内人员的温、湿度要求；展厅上部非人员区设置机械通风系统，最大限度减少上部空间围护结构的传热负荷对人员活动区的影响。

全空气空调系统是用的最多的一种空调系统。该系统中空气必须经冷却和去湿处理后送入室内。至于房间的采暖可以用这同一套系统来实现，即在系统内增设空气加热和加湿（也可以不加湿）设备；也可以用另外采暖系统来实现。而对于大空间结构来讲，由全空气空调系统独立完成空气调节显然对空调机组压力过大，所以往往采用分层系统，利用多个系统缓解空调机组压力。

4.3绿色建筑

绿色建筑设计理念是近几年提出来的，人们逐渐意识到环境的重要性，节能成为了很多行业的发展方向，建筑行业也不例外。在绿色建筑设计中，暖通空调设计必须坚持节能、回用、广回收、循环利用四个原则。节能不仅指节约能源，还要节约材料，从整个空调系统内部所涉及的包括水泵、制冷机、控制系统、风机等各个结构的投资过程，控制其原材料和能源涉及材料的投资费用和运行费用。此外，暖通空调系统的各个材料和零部件都能进行分类回收，其中未报废的结构经过保养和维修，应该仍能继续使用；废料经过专门处理后可以再生。

在绿色建筑中暖通空调设计主要分为主动式方法和被动式方法。主动式方法包括：

（1）控制太阳辐射

太阳辐射对于暖通空调而言是一柄双刃剑：一方面增加进入室内的太阳辐射可以充分利用日光照明，减少电气照明的能耗，也减少照明引起的夏季空调冷负荷，减少冬季采暖负荷。另一方面，增加进入室内的太阳辐射又会引起空调日射冷负荷的增加。

（2）利用有组织的自然通风

自然通风可以在过渡季节提供新鲜空气和降温，也可以在空调供冷季节利用夜间通风，降低围护结构和家俱的蓄热量，减少第二天空调的启动负荷。

被动式方法包括：

（1）置换式送风系统

置换式送风系统主要有以下几种形式：

第一、背景空调与个人空调相结合的下送风或桌面送风；

第二、用作全场空调的地板送风；

第三、置换式顶送顶回系统。

下送风先经过人体，将人体周围的污染空气和热湿空气置换掉，提高了通风效率，缩短了“空气龄”。由于下送风只需保证人体周围（标高2m以下）的环境品质，因此减少了空调负荷。

（2）冷辐射吊顶系统

现代办公建筑中主要内热源是设备、照明形成的显热，而其中辐射成分又占50豫以上。因此，用辐射形式供冷可以平衡掉这部分热量。实验证明，辐射形式供冷可以提高人体舒适性。

（3）结合冰蓄冷的低温送风系统

蓄冷低温送风系统目前已在空调设计中广泛采用。该系统

虽然起不到节能的作用，却能平衡电网用电负荷，提高发电效

率，对环境负荷降低是有利的。

（4）蒸发冷却空调系统

蒸发冷却空调技术是一种绿色仿生空调技术，包括直接蒸发冷却（DEC）和间接蒸发冷却（IEC）。它采用水作为制冷剂，对环境无污染；另外，蒸发冷却系统制冷不消耗压缩功，它的COP值比机械制冷大得多，因此，是一种节能环保型绿色空调技术。目前在我国新疆等西部地区的大型工业及商业建筑中得到广泛应用。

（5）去湿空调系统

（6）地源热泵空调系统

五．暖通空调未来发展趋势

暖通空调的发展主要取决于建筑形式和材料的更新。就目前的形式来看，在未来节能依然是主流设计理念。毕竟世界上各个国家都在面临这资源短缺的问题，谁能使用最少的资源完成自身功能，谁在生产和运行过程中对环境影响最小，谁将赢得生存空间。所以，暖通空调的发展必然以节能为中心，通过利用低品位能源，如太阳能、地热以及提高能源利用率来降低能耗。

无论建筑形式还是暖通空调技术都是取决于人们的需求。从建筑形式的发展中我们可以看出，人们对于环境问题越来越关注，这意味着对于建筑舒适度有了新的要求。未来的暖通空调系统仅仅提供舒适的生活环境是不够的，对空气的净化、湿度的调控也将加入设计的考虑范围。同时随着智能化设备的兴起，暖通空调系统与计算机技术的结合将成为必然。智能化调控会成为发展趋势之一。

六．结语

暖通空调与建筑形式息息相关。随着绿色建筑的推广，材料科学的进步，新的建筑形式层出不穷。面对不同的材料性能，和越来越大、越高的结构形式，暖通空调必须不断创新以适应时代需求。暖通空调要从其本身系统到能源管理上进一步优化，降低能耗，提高舒适度，满足人们的要求。

参考文献

[1]刘峰.浅谈现代轻型木结构技术的应用[J].大连市风景园林处.2012

[2]张维熙,王威.浅析膜结构建筑特色及其在我国发展前景[J].郑州大学.2013