如何设计“可呼吸建筑”：可持续案例研究——哥伦比亚EDU总部

在哥伦比亚的首都麦德林（Medellin），城市发展公司（Empresa de Desarrollo Urbano/Urban Development Company）在建造新总部。它结合了当地城市再生的最佳热力性能。这个新的EDU总部是集公共公司，私营部门和来自哈佛毕业设计学院，在哥伦比亚首都安家的SalmaanCraig教授一起的三方合作。




建在圣安东尼奥公园前EDU总部旧址上，意在为麦德林可持续发展的公共建筑打造一个“可呼吸”的榜样。




作为材料、热能设计和建筑物理学的专家，Craig教授(工程博士)自愿为该计划的实现贡献力量。下面，他解释了这座建筑概念中热力学的难点。







这个设计，通过预制的外墙系统、太阳能电池板、太阳能烟囱、温度校准、热浮力，以及不使用空调，代表了对麦德林可持续建筑创新的严肃承诺。




其概念基于"呼吸的建筑"，思考了关于"简单的材料，智能几何"的问题。高质量预制元素构成的外部表皮允许外部的烟囱直接吸入室外的冷空气，生成和影响热质量。热力学的概念，譬如对流和热力，由于温度从冷到热的改变而产生不断流动的空气，在员工工作区中制造舒适的气流。




该大楼位于Rio中心的Macro项目的发展战略区内。大楼总面积2,983㎡，包括1,968㎡的公共区。其纤细的四角形体量从平台抬高37米，与拆除的现有建筑物的具有同样周长。




建筑物有两层地下室，里面的多功能区包括水仓储、停车场、机房室、回收利用、垃圾、维护和储存室。一楼是为满足社区需要而设置的支付中心、前台、项目展览馆、社区服务和归档区。


新的总部有十层，平均层高为3.70米，分布情况如下：从二楼到四楼是办公室，五楼是公共区，厨房和露台；六楼到八楼是办公室，九楼是综合管理办公室，十层除了电梯维修室，还分布着多功能区和工作区。




新的通风，新的体验


我们对热量的感知远比我们想象的更加复杂。舒适标准在建筑内定义了可接受的范围，并随着我们对热感觉的了解逐步形成。对后者，大多数人可以在过冷或者过热之时达成共识。但在中间的情况下，预测感觉及可忍受和觉得舒适的程度则更为复杂。生理、心理、文化和气候因素存在大量的不确定性来打破这个平衡。


所谓目标舒适的范围可作为关于被动设计对话的起始点或死胡同。麦德林是一个好例子：这里全年变化不大，典型的一天中，树荫下的温度起伏于18?C和28?C之间。




在麦德林的大多数人若是被问到，会本能反应中高的温度有些过热，因此需要空调。然而，根据新的标准，只要保证充足的空气流动，这个温度就很适合办公室。


自然通风的最大挑战之一就是风的频率、方向和强度难以预测。在麦德林，风向相对稳定，但只达到一年所需的风力的40%。幸运的是，在过去的十年，通过理解和整合了一种更可靠的力：浮力,而取得了进展。此种通风不需要风力激活，而是通过住客的余热、电脑和其他建筑内部的热收益获得。






每个人都在某刻吹过气球。我们设计我们的建筑，就是利用了这种效应：烟囱连接所有的办公楼层。室内的空气被住户和计算机设备升温，通过烟囱自然上升。因为热空气上升到顶部而导致新鲜空气从窗口进入建筑物内部。




风力驱动的空气流通，新鲜空气从两侧被推入。而浮力驱动的通风，新鲜的空气取自两侧。因此他们的方式是不同的，浮力驱动也更可靠。天热的时候，当建筑占用较高时，未必有足够的风来吹入室内。然而，浮力驱动的通风不同：占用率的提高也带动着动力的提高。换句话说，浮力是一种可以在设计中得到的力量。在良好的设计里，即使没有风，我们也可以保持"微风"。




如何确定烟囱和窗口的大小呢？如果开口大小不对，将会缺乏空气流动，并且室内会过热。我们现在有遵循最重要的物理原则的简单数学模型。






每层楼将会有三个窗口可以打开，间隔的开窗位置给予新鲜空气从少污染到更安静的建筑一隅均匀分布。我们现在的想法是把图表放在每个窗口，告诉用户他们应该打开多大的窗口，这取决于这层楼这一天有多少人。






下午，当在树荫下的室外温度可能超过 28℃要怎么办？要处理这种情况，我们利用环境两个方面：第一，烟囱面向西方，所以在下午，我们利用了"太阳能驱动"。




这将增加达三分之一的新鲜空气速度。其次，我们使用隔热保温材料：目之所及的混凝土内核在夜晚降温，白天保持着其相对较低的温度。这些会吸收来自住户的热辐射，在大部分时间里使他们感觉比外面凉爽。