蚁穴式通风系统在现代建筑中的应用.docx

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蚁穴式通风系统在现代建筑中的应用

《工程机电》论文

题目蚁穴式通风系统在现代建筑中的应用

指导老师刘海

专业班级土木一班

姓名何卓臻

学号*******

摘要：

在人与环境的矛盾日益尖锐的今天，作为一个高耗能，高污染的产业，建筑业尤其的需要节能减排。

通风系统在建筑物日常运营的耗能中，占有很大的一个比重。

蚁穴式通风系统给绿色建筑的研究提供了一个方向，本文从原理的探究，实际案例的分析，存在的问题，创新应用等各方面进行了探究，以期能在建筑节能方面探索出低碳发展的道路。

关键词：

建筑仿生；蚁丘；自然通风；节能

引言

随着社会的不断发展，从公共场合，到一般的普通家庭，都安装上了各种型号的空调。

夏天可以制冷，冬天可以制暖，让室内保持一个较为舒适的温度，特别是夏天，越来越多的人选择待在室内吹空调，享受空调带来的凉爽。

空调确实给我们带来了许多好处，让我们生活得更加的舒适。

但是事物都有两面性，空调也同样给我们带来了许多的问题。

一方面，空调消耗的能源相当庞大，特别是夏天，每年空调的耗电量是一个天文级别的数字，在地球资源越来越枯竭的今天，这显然相当的不环保，也与“可持续发展”的理念相违背，人们的现实需求与环境的保护形成了尖锐的矛盾。

另一方面，传统的空调大部分的空气是采用室内循环对流使用得，新风量低，造成室内空气质量下降，给使用者的健康造成不利的影响。

而自然通风作为一项古老的技术，最基本的动力是风压和热压。

传统建筑中的穿堂风、街巷风、中庭风和山谷风等都是根据地形设计实现的自然通风。

在大自然一万年的进化过程中，地球生命获得了适应环境巧妙生存的玩么智慧，这一直是人类汲取养分的思想宝库。

在自然通风这一块，东非大草原上的蚂蚁给我们树立了一个非常好的榜样，本文主要探讨的就是蚁穴式通风系统在现代建筑中应用。

值得注意的是，在现代的大城市中，随着近代工业的发展，人口的增长，城市环境大气污染较为严重；如果完全的自然通风，将室外污浊的空气和噪声直接引入室内，往往不利于人体健康。

我们可以借助机械的手段，将空气进行处理之后再输送到室内。

所以，将空气进行处理之后，再输送到蚁穴式的通风系统内，是一种比较合适的方法，接下来，就将对这种方法就行多方面的探讨。

1.蚁穴式通风系统原理分析

在非洲与澳洲的大路上伫立着世界上最宏伟的建筑—白蚁丘，这些高大的土堆一般有3米高，甚者高达8米，按照人类的比例，白蚁丘相当于1500米高的摩天大楼，几乎是当今世界最高建筑迪拜塔（高818米）的两倍，而且它是靠白蚁用唾液粘合而成，比沥青马路还要耐用。

图1为蚁丘的外形

图1

更让科学家着迷的不是白蚁丘巨大的体型，而是它可以在非洲高达四五十度的昼夜温差的环境下维持28摄氏度左右的恒温，生物学家称蚁穴是“超级有机体”。

人类通过自身解决冷热，热了，就会流汗降温；冷了，身体就会发抖，而白蚁将这种自我平衡功能从身体上转移到居住的蚁穴上，让蚁穴充当平衡器。

一个英美科研小组对非洲撒哈拉沙漠巨型白蚁丘进行了为期3年的研究后发现，无论外界气温如何频繁、剧烈地变化，蚁穴内的温度却惊人地稳定（见图2）。

图2白蚁丘内外温度测量数据

通过研究发现，白蚁丘一般由位于地表以上的丘体，中部的“真菌花园”以及地表下部的基础构成。

巨大的昼夜温差使得白蚁丘必须随时应对降温和保温两方面的问题并随时保持空气新鲜。

夏季的白天，白蚁从低于地下水位的土壤深处，将阴冷的湿泥浆搬运上来，作为冷源;同时丘体下半部分的开口将新鲜空气捕捉进来，通过途径众多的外围空间下沉至底部，被湿泥浆所冷却，冷却后的空气在吸收丘体内的热量后通过中央通道上升，高耸的丘体变成了“烟囱”，起到拔风作用，最后热空气通过丘体上半部分的开口排出。

夜间，当外界温度下降、巢内需要保温时，土丘良好的蓄热能力能够为丘体内部提供足够的热辐射。

这时，白蚁封堵丘体表面的开口，仅在附近地表留有出口，以维持换气。

通过对丘体表面及地表通气口连续不断的挖、堵变换，蚁丘能够适应外界的自然节律变化，控制自然风的进出。

这种巧妙的空间结构及自调行为，大大加强了内部气流控制能力，不但保证了氧气的供应，而且还起到了保温、隔热作用，使蚁丘成为名副其实的空调塔。

图3为蚁丘的内部冷热空气的循环图。

图3

蚁穴具有通风功能，这也许还算不上神奇，因为许多动物巢穴都具有类似的功能。

领人惊奇的是：

蚁穴像一个巨大的肺，具有神奇的呼吸功能。

在蚁穴中，空气的进出运动方式与肺的呼吸方式非常相似。

事实上，两种“器官”作用机制的最大区别点在于，蚁冢通过风的起伏涨落为其提供动能，而肺则通过肌肉的收缩为其提供动力。

利用这些通天接地、相互连通的空间结构，白蚁丘能充分利用自然条件，使蚁穴内空气保持新鲜。

图4为蚁穴与肺的构造对比图

通过上文的论述，对白蚁穴的通风原理做了一番说明，可以看到，蚁穴式通风系统的好处是很明显的，假如人类能做到与之相媲美或者相接近的通风系统，节省的能源将是相当可观的，这方面可以作为我们的一个研究的方向。

2.蚁穴式通风的系统的实际案例

2.1津巴布韦东门中心

2.1.1项目简介

东门中心（见图5）是津巴布韦首都哈拉雷最大的商业办公综合体开发项目之一，于1992年开始设计，1996年建成并投入使用。

建筑面积为31000m2，由2栋平行的9层外廊式板楼组成，其间以中庭连接。

设计师为米克皮尔斯（Mick·Pearce）。

图5

津巴布韦是非洲东南部一个经济欠发达的内陆国家，哈拉雷位于南纬18°，地处海拔1480m的高原，属热带草原气候，夏季较热，昼夜温差在10℃左右。

为了降低造价和运行费用，开发商决定不使用昂贵的进口空调设备。

严酷的自然环境和苛刻的经济技术条件，迫使建筑师放弃常规做法，将目光转向自然界，从历经亿万年沉淀的生命智慧中寻求解决之道。

当地草原上一种随处可见的白蚁巢穴进入了米克·皮尔斯的视野，成为其借助自然因素实现建筑夏季降温的灵感之源，使得东门中心项目成为生态仿生建筑的一个经典之作。

可以说，该项目是有资料可寻的蚁穴式通风系统在现代建筑中的首次应用。

2.1.2蚁穴式通风系统的具体应用

东门中心商业办公综合体由2栋平行的板楼及其之间的玻顶中庭连接而成。

板楼中央设有双层风井，内层用于排出热空气，外层用于输送冷空气。

中庭下部设有天桥并种植了绿色植物，起到遮荫降温作用，通风系统的进风口就设于该处，以风机抽取凉爽空气，并通过外层风井送至各层地板下的空腔，而后通过踢脚板处的风口，到达每个办公室。

被加热后的空气通过天花板的排风口被吸入中央内层排风井，并上升进入双层通风屋顶，最后由屋顶上整齐排列的48个烟囱排至室外。

图6为示意图。

图6

混凝土是现代建筑中广泛采用的建筑材料。

为了更好的模拟蚁丘中的土壤的作用，东门中心采用了生态混凝土，这种材料有着相当优秀的蓄热能力，可以很好的调节室内温度的波动。

2.1.3运行效果

东门中心源自白蚁丘生态智慧的设计取得了巨大的成功。

由于省去了进口空调设备，初投资节约了350万美元，约为总投资的10%;运行耗电量仅为同等规模常规建筑的10%;节能带来的经济效益也让利于客户，房屋租金比相邻建筑低20%。

投入使用后，奥雅纳环境顾问公司对其进行了严格的运行监测，认真测量楼板、使用者膝盖、书桌和天花板处的温度，统计结果与设计预期基本吻合。

在夏季室外气温为28℃时，室内温度为24～25℃，达到了较为理想的热舒适条件。

自然通风系统带来的新鲜空气，也使得室内空气质量远优于空调建筑。

2.2CouncilHouseTwo（CH2）墨尔本新市政厅

2.2.1项目简介

同上文提到的津巴布韦东门中心一样，墨尔本市新市政厅同样是由建筑师米克皮尔斯（MickPearce）进行设计的。

墨尔本市政厅二号厅于2006年建成，与津巴布韦东门中心的建成正好相距10年，由于10年间科技的飞速发展，与东门中心相比，墨尔本新市政厅做了多方面的改进。

因地制宜也采用了很多的节能技术。

总体来说，在节能方面又有了很大的进步，从2006年投入使用后到2012年，获得了18个奖项，在国际上广受好评。

2.2.2蚁穴式通风系统的具体应用

CH2在建筑制冷方面做了很多努力，它采用了吊顶辐射制冷技术。

夜间，波浪状预制混凝土吊顶利用自然通风进入室内的冷空气进行降温，并将冷空气储存以供白天使用，减少了20%的冷负荷

户外经过过滤和干燥的新鲜空气从17m高处设备间或更高处抽进来，导入建筑南面的喷淋塔中。

新风下降的过程中被喷淋水产生的蒸汽冷却后引入建筑下层的商店，而喷淋塔中的冷水流经固定在吊顶上的冷却板和窗前冷却梁的时候，产生15℃的凉爽气体并分散到工作区中。

最终，冷水再被输送到地下室的3个由30000个不锈钢球状相变材料组成的储能水箱中重新开始循环（图21）。

相变材料的冷凝温度是15℃，水箱同时储存冷空气用于建筑的其他地方。

人体和设备散发的热量中的20%被波浪状混凝土吊顶吸收，80%则被主动式冷板吸收。

夜间，当吊顶的空气温度高于室外时，嵌入在南北立面垂直槽上的窗户将自动开启，冷空气涌入，对吊顶进行冷却。

CH2的通风系统提供了100%经过过滤、循环的新鲜空气，工作人员可以通过位于地板上的空气通风口进行独立控制。

2.2.3运行效果

最初预测，按照员工工作效率增长4.9%来计算可以节省916000美元，CH2在环保方面的特色需要10年才能收回成本。

然而评估报告显示员工的工作效率提高，节省了超过2000000美元。

这就意味着之前预计要10年收回成本的周期缩短到了7年，提前3年实现收支平衡。

建成后的办公楼和原有办公楼比较，节电达85％，节约燃油达87％，节水达72％，而单方（每平方米）二氧化碳释放量仅为老建筑的13％。

而因为工作环境品质改善，人的工作效率（反映在生产水平上）提高4.9％

3.问题分析

通过上文的案例分析，可以发现蚁穴式通风系统可以很好的节约能源，仿生式建筑很好的实现了人与自然的和谐相处。

但是它同样也存在这一些阻碍它推广的问题（显而易见，现在较少的建筑采用这种方式）：

（1）造价高。

同目前很多的绿色建筑一样，存在着初始投入高的问题，因为各种新的设备都需要比较高得价格。

而且目前因为这种类型的建筑很少，所以相当于说这种建筑的个性化特别强，工厂化程度不够，也在一定程度上造成了它造价的高昂。

（2）环保意识不足。

当使用者对环保的关注不够时，建设方不会主动去花费更高的造价去建设这种类型的建筑。

相信随着人们环保意识的增强，绿色建筑尽管造价更加的高昂，人们还是会倾向于选择绿色建筑，从一定程度上也可以降低绿色建筑的建设费用。

（3）地理条件限制。

从上文的分析可知，在这个蚁穴式通风系统中，风是很关键的，所以在风较少的地区，这种通风系统就较难发挥作用，这种系统比较适合用于多风的地区。

4.创新应用

在上文分析白蚁穴的通风原理时，提到蚁穴使空气冷却的冷源来自于地下水以下的土壤，今后的研究可以倾向于用土壤做冷源，不需要用机械的方式先将空气冷却再送入房间内，尽管开发地下空间会大大的增加造价，但是目前随着地下空间的不断开发，我们可以在开发地下空间的时候，附带着建设地下冷源，这样不需要为了一栋建筑物而单独开挖地下空间，造价可以大大的降低。

5.结语

这个星球上，只有一样东西是可持续的，这就是生命本身，它已经在地球上存在了4亿年，可持续建筑须是有生命的建筑。

大自然告诉我们，经过亿万年演化筛选出的生命智慧，在生态意义上远优于人工创造，我们应当更多地向自然界学习创新，并应用于人类发展所需的技术问题。

虽然未必完美，东门中心和墨尔本新市政厅的仿生设计仍然为生态建筑创作开辟了一个新的方向，为面临严重生态危机的社会探索出了一条通往可持续发展的新坦途。

参考文献

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