现代建筑设计中的自然通风20060305.doc

Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date现代建筑设计中的自然通风20060305自然通风技术在现代建筑中的利用现代建筑设计中的自然通风东南大学建筑学院 蔡立宏 作者简介：蔡立宏，1976年11月出生，男，东南大学建筑学院硕士研究生 摘 要：自然通风是一种具有很大潜力的通风方式，它具有节能、改善室内热舒适性和提高室内空气品质的优点。文章从建筑师的角度出发，阐述了在现代建筑设计中，如何通过建筑上的措施，来实现良好的自然通风效果，以期能够引起建筑师对自然通风技术的重视。关键词： 自然通风 现代建筑 设计 方式 分析 1. 现代建筑对自然通风的重新认识自然通风是指利用空气的密度差引起的热压或风力造成的风压来促使空气流动而进行的通风换气。这是一项传统的建筑防热技术，在世界各地的传统民居中，得到了广泛的应用。在湿热地区，我们看到的传统民居往往有这样的外表：建筑都有开阔的窗户；采用轻便的墙体；深远的挑檐；高高在上的顶棚并且设置有通风口；建筑往往架空，以避开地面的潮气和热气，采集更多的凉风这样形象的背后，隐藏着劳动人民对利用自然通风技术的朴素观念。自然通风是一种具有很大潜力的通风方式，是人类历史上长期赖以调节室内环境的原始手段。空调的产生，使人们可以主动的控制居住环境，而不是象以往一样被动的适应自然；空调的大量的使用，使人们渐渐淡化了对自然通风的应用。而在空调技术得以普及的今天，迫于节约能源、保持良好的室内空气品质的双重压力下，全球的科学家不得不重新审视自然通风这一传统技术。在这样的背景下，把自然通风这一传统建筑生态技术重新引回现代建筑中，有着比以往更为重要的意义：自然通风不仅能够有效的实现室内环境的降温，还能够节约常规能源、减少环境污染，同时还能够极大的改善室内环境品质。2. 现代建筑设计中实现自然通风的方式与分析建筑物中的自然通风在实现原理上有由“风压”和“热压”引起的空气流动。在实践中，往往由于条件所限制，单纯利用风压或热压不能满足通风需要，因此又可以有风压和热压结合，甚至采用机械辅助自然通风。传统的热带民居已经为我们积累了大量自然通风的宝贵经验。现代建筑中对自然通风的利用不局限于传统建筑中的开窗、开门通风，而是需要综合利用室内外条件，在实现上有了更丰富的技术措施和更严格的舒适条件的限制。在建筑设计阶段就开始有意识的根据建筑周围环境、建筑布局、建筑构造、太阳辐射、气候、室内热源等，来组织和诱导自然通风；在建筑构件上，通过门窗、中庭、双层幕墙、风塔、屋顶等构件的优化设计，来实现良好的自然通风效果。下面介绍并浅析适用于现代建筑的一些自然通风方式。2.1 控制建筑布局与体型建筑总平布局受很多因素控制，从生态的角度上，影响布局的主要有阳光与风向。建筑布局对自然通风的效果影响很大。在考虑单体建筑得热与防止太阳过渡辐射的同时，应该尽量使建筑的法线与夏季主导风向一致；然而对于建筑群体，若风沿着法向吹向建筑，会在背风面形成很大的漩涡区，对后排建筑的通风不利。为了消除这种影响，群体布置中的建筑法线应该与风向形成一定的角度，以缩小背后的漩涡区。由于前幢建筑对后幢建筑通风的影响很大，因此在整体布局中，还应该对建筑的体型，包括高度、进深、面宽乃至形状等实行一定的控制（图1）。图 1 建筑体型对自然通风的影响2.2 围护结构开口的优化设计房间的开口大小、相对位置等，直接影响到风速和进风量。进风口大，则流场大；进风口小，流速虽然增加，但是流场缩小。根据测定，当开口宽度为开间宽度的1/32/3时，开口大小为地板总面积的1525时，通风效果最佳。开口的相对位置对气流路线起着决定作用。进风口与出风口宜相对错开位置，这样可以使气流在室内改变方向，使室内气流更均匀，通风效果更好。（图2）图 2 围护结构开口位置对自然通风的影响2.3 调整建筑内部布局以组织穿堂风传统的热带建筑中非常重视“穿堂风”的组织，“穿堂风”是自然通风中效果最好的方式。所谓“穿堂风”是指风从建筑迎风面的进风口吹入室内，穿过房子，从背风面的出风口吹出。我们应该尽量组织好室内的通风：主要房间应该朝向主导风迎风面，背风面则布置辅助用房；利用建筑内部的开口，引导气流；建筑的风口应该可调节，以根据需要改变风速风量。室内家具与隔断布置不应该阻断“穿堂风”的路线；合理的布局家具与隔断，还能让风的流速、风量更加宜人。（图3）图 3 室内隔断对自然通风的影响2.4 屋顶的自然通风在炎热地区，屋顶的得热量是不容忽视的，尤其对顶层住户产生极大的影响。对屋顶适当的采取自然通风的措施，能有效的利用风的流动，带走蓄积于屋顶的热量。通风隔热屋面，通常有以下两种方式：（图4）（1）在结构层上部设置架空隔热层。这种做法把通风层设置在屋面结构层上，利用中间的空气间层带走热量，达到屋面降温的目的，另外架空板还保护了屋面防水层。（2）利用坡屋顶自身结构，在结构层中间设置通风隔热层，也可得到较好的隔热效果。图 4 屋顶自然通风方式2.5 通风墙体通风墙体即将需要隔热的外墙做成带有空气间层的空心夹层墙，并在下部和上部分别开有进风口和出风口。通风间层厚度一般为30100。夹层内的空气受热后上升，在内部形成压力差，带动内部气流运动，从而可以带走内部的热量和潮气。外墙加通风间层后，其内表面温度可大幅度降低，而且日辐射照度愈大，通风空气间层的隔热效果愈显著，故对东西向墙更为明显。（图5）是通风墙体的示意图和典型构造做法。图 5 通风墙体国内已经有了对通风墙体探讨的实例，并取得了一定的经验。在北京锋尚国际公寓中通风墙体得到了尝试应用。建筑外墙在EPS聚苯板与具有遮阳功能的瓷板幕墙之间形成流动的空气层，利用热压的原理在空气层内部实现自然通风，流通的气流可以带走空气间层的热量，实现为围护结构降温；同时还带走了间层内部的水蒸气，保护了保温层。（图6）图 6 北京锋尚国际公寓的通风墙体2.6 双层玻璃幕墙双层幕墙又称“会呼吸的皮肤”，由内外两道幕墙组成（图7a）。两层玻璃幕墙之间留一个空腔，空腔的两端有可以控制的进风口和出风口。在冬季，关闭进出风口，利用“温室效应”，提高围护结构表面的温度；夏季，打开进出风口，利用“烟囱效应”在空腔内部实现自然通风（图7b）。为了更好的实现隔热，通道内一般设置有百叶等遮阳装置（图7c）。双层玻璃幕墙在保持外形轻盈的同时，能够很好的解决高层建筑中过高的风压和热压带来的风速过大的问题，能解决夜间开窗通风而无需担心安全问题，可加强围护结构的保温隔热性能，并能降低室内的噪音。在节能上，双层通风幕墙由于换气层的作用，比单层幕墙在采暖时节约能源4252，在制冷时节约能源3860，是解决建筑节能的一个新的方向。 图 7 双层玻璃幕墙构造在国内，也已经有了双层幕墙的尝试。清华大学低能耗试验楼中，在南向与东向外墙上，采取了双层玻璃幕墙的做法，并辅助于百叶遮阳。（图8）图 8 清华大学低能耗试验楼2.7 通风中庭目前，大量的建筑中设计有中庭，主要是平面过大的建筑出于采光的考虑。我们可利用建筑的中庭内的热压形成自然通风。由福斯特主持设计的法兰克福商业银行（图9）就是一个利用中庭进行自然通风的成功案例。在这一案例中，设计者利用计算机模拟和风洞试验，对60层高的中庭空间的通风进行分析研究。为了避免中庭内部过大的紊流，每12层作为一个独立的单元，各自利用热压实现自然通风，取得良好的效果。图 9 法兰克福商业银行2.8 风塔早在几千年前，风塔就在古埃及得到流行，如今在中东地区，仍然可以见到它的踪影。风塔由垂直竖井和风斗组成。在通风不畅的地区，可以利用高出屋面的风斗，把上部的气流引入建筑内部，来加速建筑内部的空气流通。风斗的开口应该朝向主导风向。在主导风向不固定的地区，则可以设计多个朝向的风斗，或者设计成可以随风向转动。例如在英国贝丁顿零能耗发展项目中（图10），设计了可以随风向转动的风斗，配合其他措施，利用自然风压实现了建筑内部的通风。图 10英国贝丁顿零能耗发展项目的风斗2.9 拔风井拔风井利用烟囱效应，造成室内外空气的对流交换。英国诺丁汉大学朱比丽分校是一个成功的生态建筑案例。在建筑中结合楼梯间设计，在顶部集成机械抽风和热回收装置，完成建筑的通风。在机械的辅助下，充分利用 “烟囱效应” 在建筑内部形成自然风循环。新鲜的空气通过处于风塔上部的机械抽风装置被引入到风道中，然后进入到各层楼板的夹层空间，进而进入到室内；而废气通过走道和楼梯间的低压抽风作用，最终又回到风塔上部，再经过热回收或蒸发冷却装置，通过风斗排出。（图11）图 11 英国诺丁汉大学朱比丽分校的楼梯间拔风井2.10 太阳能强化自然通风太阳能强化自然通风，充分利用了太阳能这一可持续能源转化为动力进行通风。其利用太阳的热量，加热采热构件，并使建筑内部的空气上升，形成热压，引起空气流动。下图（图12）为笔者尝试设计的某太阳能办公楼方案。方案在西侧设置了太阳能通风井。通风井受太阳辐射温度升高，内部空气上升并从上部开口排出，在井内形成负压，迫使各层走道的空气流向通风井，形成自然通风，同时带走过道内的热量。图 12 太阳能办公楼的太阳能通风井太阳能强化自然通风在建筑的实现上常见的有三种方式：屋面太阳能烟囱、Trombe墙和太阳能空气集热器（图13）。图 13 太阳能强化自然通风的方式3. 结论在对现代建筑的室内环境舒适度进行降温设计时，我们应当优先考虑自然通风技术。自然通风设计是一个系统设计的过程，需要涉及到多专业知识的配合。在设计过程中，应该根据建筑的规模、使用状况、人流分布、舒适度要求等进行分析计算。当然，自然通风只是绿色建筑中系统生态化设计的一部分，单靠它是难以达到舒适的要求。选择自然通风技术要有系统的观念，必须把自然通风技术作为一个重要的生态手段，并配合其他的技术措施，把围护结构的隔热、遮阳等措施进行综合考虑。合理的利用自然通风技术，是建筑可持续发展过程的一个重要部分，应当引起建筑师的高度重视。参考文献：1 美诺伯特·莱希纳著.张利等译.建筑师技术设计指南采暖·降温·照明.中国建筑工业出版社.2004年8月第一版2 美阿尔温德·克里尚等编.刘加平等译.建筑节能设计手册气候与建筑.中国建筑工业出版社. 2005年7月第一版3 柳孝图主编.建筑物理.中国建筑工业出版社.1991年7月第一版4 薛志峰等编著.超低能耗建筑技术及应用.中国建筑工业出版社.2005年3月第一版5 建筑节能论坛网站资料 http:/bbs.topenergy.org6 夏菁等.英国贝丁顿零能耗发展项目.世界建筑.2004第8期-