自然通風(fēng)在適宜地域建筑設(shè)計中的運用

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[摘要]本文首先介紹了建筑中自然通風(fēng)技術(shù)的作用原理，指出了自然通風(fēng)的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，進(jìn)而論證了在建筑設(shè)計中如何實現(xiàn)自然通風(fēng)，提出自然通風(fēng)這項傳統(tǒng)的技術(shù)要與建筑所處地域的自然地理氣候特征相適應(yīng)，并輔以實例分析了自然通風(fēng)與地域氣候的完美結(jié)合。旨在引起在地域建筑設(shè)計中對自然通風(fēng)傳統(tǒng)適宜技術(shù)的重視。[關(guān)鍵詞]自然通風(fēng)機(jī)理效益地域建筑設(shè)計長久以來,自然通風(fēng)做為一項傳統(tǒng)的建筑防熱技術(shù)，在世界各地的傳統(tǒng)民居中，得到了廣泛的應(yīng)用。在濕熱地區(qū)，人們看到的傳統(tǒng)民居往往有這樣的外表：建筑都有開闊的窗戶；采用輕便的墻體；深遠(yuǎn)的挑檐；高高在上的頂棚并且設(shè)置有通風(fēng)口；建筑往往架空，以避開地面的潮氣和熱氣，采集更多的涼風(fēng)——這樣形象的背后，隱藏著勞動人民對利用自然通風(fēng)技術(shù)的樸素觀念。自然通風(fēng)是一種具有很大潛力的通風(fēng)方式，是人類歷史上長期賴以調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境的原始手段?？照{(diào)的產(chǎn)生，使人們可以主動地控制居住環(huán)境，而不是象以往一樣被動地適應(yīng)自然；空調(diào)的大量使用，使人們漸漸淡化了對自然通風(fēng)的應(yīng)用。而在空調(diào)技術(shù)得以普及的今天，迫于節(jié)約能源、保持良好的室內(nèi)空氣品質(zhì)的雙重壓力下，全球的科學(xué)家不得不重新審視自然通風(fēng)這一傳統(tǒng)技術(shù)。在這樣的背景下，把自然通風(fēng)這種傳統(tǒng)建筑生態(tài)技術(shù)重新引回現(xiàn)代建筑中，有著比以往更為重要的意義。1.自然通風(fēng)的理論機(jī)理通常意義上的自然通風(fēng)指的是通過有目的的開口，產(chǎn)生空氣流動。這種流動直接受建筑外表面的壓力分布和不同開口特點的影響。壓力分布是動力，而各開口的特點則決定了流動阻力。就自然通風(fēng)而言，建筑物內(nèi)空氣運動主要有兩個原因：風(fēng)壓以及室內(nèi)外空氣密度差。這兩種因素可以單獨起作用，也可以共同起作用。1．1風(fēng)壓作用下的自然通風(fēng)風(fēng)的形成是由于大氣中的壓力差。如果風(fēng)在通道上遇到了障礙物，如樹和建筑物，就會產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)換。動壓力轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓力，于是迎風(fēng)面上產(chǎn)生正壓(約為風(fēng)速動壓力的0.5-0.8倍)，而背風(fēng)面上產(chǎn)生負(fù)壓(約為風(fēng)速動壓力的0.3—0.4倍)。由于經(jīng)過建筑物而出現(xiàn)的壓力差促使空氣從迎風(fēng)面的窗縫和其他空隙流入室內(nèi)，而室內(nèi)空氣則從背風(fēng)面孔口排出，就形成了全面換氣的風(fēng)壓自然通風(fēng)。某一建筑物周圍風(fēng)壓與該建筑的幾何形狀、建筑相對于風(fēng)向的方位、風(fēng)速和建筑周圍的自然地形有關(guān)。1．2熱壓作用下的自然通風(fēng)熱壓是室內(nèi)外空氣的溫度差引起的，這就是所謂的“煙囪效應(yīng)”。由于溫度差的存在，室內(nèi)外密度差產(chǎn)生，沿著建筑物墻面的垂直方向出現(xiàn)壓力梯度。如果室內(nèi)溫度高于室外，建筑物的上部將會有較高的壓力，而下部存在較低的壓力。當(dāng)這些位置存在孔口時，空氣通過較低的開口進(jìn)入，從上部流出。如果，室內(nèi)溫度低于室外溫度，氣流方向相反。熱壓的大小取決于兩個開口處的高度差和室內(nèi)外的空氣密度差。而在實際中，建筑師們多采用煙囪、通風(fēng)塔、天井中庭等形式，為自然通風(fēng)的利用提供有利的條件，使得建筑物能夠具有良好的通風(fēng)效果。1．3風(fēng)壓和熱壓共同作用下的自然通風(fēng)在實際建筑中的自然通風(fēng)是風(fēng)壓和熱壓共同作用的結(jié)果，只是各自的作用有強(qiáng)有弱。由于風(fēng)壓受到天氣、室外風(fēng)向、建筑物形狀、周圍環(huán)境等因素的影響，風(fēng)壓與熱壓共同作用時并不是簡單的線性疊加。因此建筑師要充分考慮各種因素，使風(fēng)壓和熱壓作用相互補(bǔ)充，密切配合使用，實現(xiàn)建筑物的有效自然通風(fēng)。1．4機(jī)械輔助式自然通風(fēng)在一些大型建筑中，由于通風(fēng)路徑較長，流動阻力較大,，單純依靠自然風(fēng)壓與熱壓往往不足以實現(xiàn)自然通風(fēng)。而對于空氣污染和噪聲污染比較嚴(yán)重的城市，直接的自然通風(fēng)還會將室外污濁的空氣和噪聲帶入室內(nèi)，不利于人體健康。在這種情況下，常常采用一種機(jī)械輔助式的自然通風(fēng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)有一套完整的空氣循環(huán)通道，輔以符合生態(tài)思想的空氣處理手段(如土壤預(yù)冷、預(yù)熱、深井水換熱等)，并借助一定的機(jī)械方式加速室內(nèi)通風(fēng)。2.采用自然通風(fēng)的的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益自然通風(fēng)是當(dāng)今建筑普遍采取的一項改革建筑熱環(huán)境、節(jié)約空調(diào)能耗的技術(shù)，采用自然通風(fēng)方式的根本目的就是取代（或部分取代）空調(diào)制冷系統(tǒng)。而這一取代過程有兩點至關(guān)重要的意義：一是實現(xiàn)有效被動式制冷，當(dāng)室外空氣溫濕度較低時自然通風(fēng)可以在不消耗不可再生能源的情況下降低室內(nèi)溫度，帶走潮濕氣體，達(dá)到人體熱舒適，即使室外空氣溫濕度超過舒適區(qū)，需要消耗能源進(jìn)行降溫降濕處理，也可以利用自然通風(fēng)輸送處理后的新風(fēng)，而省去風(fēng)機(jī)能耗，且無噪聲。這有利于減少能耗、降低污染，符合可持續(xù)發(fā)展的思想。二是可以提供新鮮、清潔的自然空氣（新風(fēng)），有利于人的生理和心理健康。室內(nèi)空氣品質(zhì)的低劣在很大程度上是由于缺少充足的新風(fēng)。空調(diào)所造成的恒溫環(huán)境也使得人體抵抗力下降，引發(fā)各種“空調(diào)病”。而自然通風(fēng)可以排除室內(nèi)污濁的空氣，同時還有利于滿足人和大自然交往的心理需求。3.建筑設(shè)計中自然通風(fēng)的實現(xiàn)及實例分析傳統(tǒng)建筑對自然通風(fēng)有很多值得借鑒的方法，而在我們現(xiàn)代的建筑設(shè)計中積極地考慮自然通風(fēng)，并注意與地域建筑的有效結(jié)合，對于自然通風(fēng)的合理利用、節(jié)約能源具有現(xiàn)實意義。3.1建筑體型與建筑群的布局的設(shè)計建筑群的布局對自然通風(fēng)的影響效果很大。考慮單體建筑得熱與防止太陽過度輻射的同時，應(yīng)該盡量使建筑的法線與夏季主導(dǎo)風(fēng)向一致；然而對于建筑群體，若風(fēng)沿著法線吹向建筑，會在背風(fēng)面形成很大的漩渦區(qū)，對后排建筑的通風(fēng)不利。在建筑設(shè)計中要綜合考慮這兩方面的利弊，根據(jù)風(fēng)向投射角（風(fēng)向與房屋外墻面法線的夾角）對室內(nèi)風(fēng)速的影響來決定合理的建筑間距，同時也可以結(jié)合建筑群體布局的改變以達(dá)到縮小間距的目的。由于前幢建筑對后幢建筑通風(fēng)的影響，因此在單體設(shè)計中還應(yīng)該結(jié)合總體的情況對建筑的體型，包括高度、進(jìn)深、面寬乃至形狀等實行一定的控制。3.2維護(hù)結(jié)構(gòu)開口的設(shè)計建筑物開口的優(yōu)化配置以及開口的尺寸、窗戶的型式和開啟方式，窗墻面積比等的合理設(shè)計，直接影響著建筑物內(nèi)部的空氣流動以及通風(fēng)效果。根據(jù)測定，當(dāng)開口寬度為開間寬度的1／3～2／3時，開口大小為地板總面積的15％-25％時，通風(fēng)效果最佳。開口的相對位置對氣流路線起著決定作用。進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口宜相對錯開布置，這樣可以使氣流在室內(nèi)改變方向，使室內(nèi)氣流更均勻，通風(fēng)效果更好。3.3注重“穿堂風(fēng)”的組織“穿堂風(fēng)”是自然通風(fēng)中效果最好的方式。所謂“穿堂風(fēng)”是指風(fēng)從建筑迎風(fēng)面的進(jìn)風(fēng)口吹人室內(nèi)，穿過房間，從背風(fēng)面的出風(fēng)口流出。顯然進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口之間的風(fēng)壓差越大，房屋內(nèi)部空氣流動阻力越小，通風(fēng)越流暢。此時房屋在通風(fēng)方向的進(jìn)深不能太大，否則就會通風(fēng)不暢。3.4在建筑設(shè)計中形成豎井空間，來加速氣流流動，實現(xiàn)自然通風(fēng)。在建筑設(shè)計中豎井空間主要形式有：(1)純開放空間——目前，大量的建筑中設(shè)計有中庭，主要是平面過大的建筑出于采光的考慮。從另外一個方面考慮，我們可利用建筑中庭內(nèi)的熱壓形成自然通風(fēng)。由福斯特主持設(shè)計的法蘭克福商業(yè)銀行就是一個利用中庭進(jìn)行自然通風(fēng)的成功案例。在這一案例中，設(shè)計者利用計算機(jī)模擬和風(fēng)洞試驗，對60層高的中庭空間的通風(fēng)進(jìn)行分析研究。為了避免中庭內(nèi)部過大的紊流，每12層作為一個獨立的單元，各自利用熱壓實現(xiàn)自然通風(fēng)，取得良好的效果。(2)“煙囪”空間，又叫風(fēng)塔——由垂直豎井和幾個風(fēng)口組成，在房間的排風(fēng)口末端安裝太陽能空氣加熱器以對從風(fēng)塔頂部進(jìn)入的空氣產(chǎn)生抽吸作用。該系統(tǒng)類似于風(fēng)管供風(fēng)系統(tǒng)。風(fēng)塔由垂直豎井和風(fēng)斗組成。在通風(fēng)不暢的地區(qū)，可以利用高出屋面的風(fēng)斗，把上部的氣流引入建筑內(nèi)部，來加速建筑內(nèi)部的空氣流通。風(fēng)斗的開口應(yīng)該朝向主導(dǎo)風(fēng)向。在主導(dǎo)風(fēng)向不固定的地區(qū)，則可以設(shè)計多個朝向的風(fēng)斗，或者設(shè)計成可以隨風(fēng)向轉(zhuǎn)動。例如在英國貝丁頓零能耗發(fā)展項目中，設(shè)計了可以隨風(fēng)向轉(zhuǎn)動的風(fēng)斗，配合其他措施，利用自然風(fēng)壓實現(xiàn)了建筑內(nèi)部的通風(fēng)。3.5屋頂?shù)淖匀煌L(fēng)通風(fēng)隔熱屋面通常有以下兩種方式：1)在結(jié)構(gòu)層上部設(shè)置架空隔熱層。這種做法把通風(fēng)層設(shè)置在屋面結(jié)構(gòu)層上，利用中間的空氣間層帶走熱量，達(dá)到屋面降溫的目的，另外架空板還保護(hù)了屋面防水層。2)利用坡屋頂自身結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)層中間設(shè)置通風(fēng)隔熱層，也可得到較好的隔熱效果。

  b.被動式自然通風(fēng)實施效果一       c.被動式自然通風(fēng)實施效果二       a.自然通風(fēng)原理示意       在云南省永仁縣異地扶貧搬遷規(guī)劃設(shè)計實施工程中，多數(shù)是從冬季較寒冷的山區(qū)遷移到夏季較炎熱的丘林壩子中。原住居民的住屋形式是在寒冷地區(qū)發(fā)展與延續(xù)下來的，其夏季的通風(fēng)問題不是主要的空間約束。而新遷地夏季較炎熱，室外亦有較大的區(qū)域風(fēng)，但是室內(nèi)風(fēng)速則相對較小。因后墻及山墻均無窗戶，所以室內(nèi)通風(fēng)不是很好。新搬來的住戶對室內(nèi)的熱環(huán)境都表現(xiàn)出很大的不滿。因此，改進(jìn)建筑的通風(fēng)效果是克服民居缺陷的主要途徑。在新農(nóng)居的設(shè)計中，二層樓的前部采用窗加百頁的構(gòu)造，后部加設(shè)可開啟的窗戶，以保證二層堆放農(nóng)作物的自然晾干功能。針對夏季的炎熱氣候，加大了挑檐設(shè)計，精心做了堂屋、臥室與閣樓的通風(fēng)設(shè)計，通過簡單的構(gòu)造措施，對民居的熱環(huán)境做了積極的改進(jìn)與引導(dǎo)(圖a,b,c)。在該工程中，有效的將傳統(tǒng)的自然通風(fēng)這一綠色適宜技術(shù)用于對傳統(tǒng)民居的更新，既滿足了經(jīng)濟(jì)的要求，又符合了生態(tài)的效益。3.6雙層玻璃幕墻維護(hù)結(jié)構(gòu)雙層（或三層）幕墻是當(dāng)今生態(tài)建筑中所普遍采用的一項先進(jìn)技術(shù)，被譽(yù)為“會呼吸的皮膚”，它由內(nèi)外兩道幕墻組成。其通風(fēng)原理是在兩層玻璃幕墻之間留一個空腔，空腔的兩端有可以控制的進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口。在冬季，關(guān)閉進(jìn)出風(fēng)口，雙層玻璃之間形成一個“陽光溫室”，提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面的溫度；夏季，打開進(jìn)出風(fēng)口，利用“煙囪效應(yīng)”在空腔內(nèi)部實現(xiàn)自然通風(fēng)，使玻璃之間的熱空氣不斷的被排走，達(dá)到降溫的目的。為了更好地實現(xiàn)隔熱，通道內(nèi)一般設(shè)置有可調(diào)節(jié)的深色百葉。雙層玻璃幕墻在保持外形輕盈的同時，能夠很好地解決高層建筑中過高的風(fēng)壓和熱壓帶來的風(fēng)速過大造成的紊流不易控制的問題，能解決夜間開窗通風(fēng)而無需擔(dān)心安全問題，可加強(qiáng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能，并能降低室內(nèi)的噪音。在節(jié)能上，雙層通風(fēng)幕墻由于換氣層的作用，比單層幕墻在采暖時節(jié)約能源42％-52％，在制冷時節(jié)約能源38％-60％，是解決建筑節(jié)能的一個新的方向。3.7太陽能強(qiáng)化自然通風(fēng)太陽能強(qiáng)化自然通風(fēng)，充分利用了太陽能這一可持續(xù)能源轉(zhuǎn)化為動力進(jìn)行通風(fēng)。太陽能強(qiáng)化自然通風(fēng)的建筑結(jié)構(gòu)主要有：屋面太陽能煙囪、Trombe墻和太陽能空氣集熱器。以上三種結(jié)構(gòu)可以單獨設(shè)置來強(qiáng)化通風(fēng)，但是，為了在夏季達(dá)到更好的冷卻效果，通常將這些做法與其他建筑結(jié)構(gòu)組合成一個有組織的自然通風(fēng)系統(tǒng)。4.結(jié)語通風(fēng)是建筑的最基本功能之一，是一個古老而常新的話題。降低建筑能耗,使建筑的人工環(huán)境與自然環(huán)境達(dá)到動態(tài)的平衡,將是建筑在滿足了基本的使用功能和美學(xué)要求后應(yīng)追求的更高目標(biāo)。我們現(xiàn)在的建筑設(shè)計中，尤其是一些建筑的更新如新民居的設(shè)計，不僅要關(guān)注自然通風(fēng)技術(shù)，更要注意把這一傳統(tǒng)的技術(shù)與當(dāng)?shù)氐牡乩須夂蛱卣骱蜌夂蛞蛩氐认嘟Y(jié)合，提出多層次的、全面的、適宜的建筑技術(shù)，體現(xiàn)“氣候決定建筑”的設(shè)計理念。