淺談建筑中的自然通風和住宅建筑設計

董海濤　董海波

摘 要:在建筑設計中通過引入自然風方式加強人與自然的聯系,提高人們的生活質量和環境質量,降低能源消耗,并使人類與自然相近、相親、相融。本文首先介紹了建筑中自然通風技術的作用原理,指出了自然通風的經濟效益和環境效益

關鍵詞:自然通風;住宅建筑

隨著空調技術的不斷發展,人們越來越能主動的控制室內環境,創造前所未有的室內舒適氣候要求,從而使人們逐漸淡化對自然通風這種氣候適宜性技術的應用。把自然通風這種傳統建筑生態技術重新引回現代建筑中,有著比以往更為重要的意義。

1 自然通風技術的原理

通常意義上的自然通風指的是通過有目的的開口,產生空氣流動。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。就自然通風而言,建筑物內空氣運動主要有兩個原因:風壓以及室內外空氣密度差。這兩種因素可以單獨起作用,也可以共同起作用。

1.1 風壓作用下的自然通風。風的形成是由于大氣中的壓力差。如果風在通道上遇到了障礙物,如樹和建筑物,就會產生能量的轉換。動壓力轉變為靜壓力,于是迎風面上產生正壓(約為風速動壓力的0.5-0.8倍),而背風面上產生負壓(約為風速動壓力的0.3-0.4倍)。由于經過建筑物而出現的壓力差促使空氣從迎風面的窗縫和其他空隙流入室內,而室內空氣則從背風面孔口排出,就形成了全面換氣的風壓自然通風。某一建筑物周圍風壓與該建筑的幾何形狀、建筑相對于風向的方位、風速和建筑周圍的自然地形有關。

1.2 熱壓作用下的自然通風。熱壓是室內外空氣的溫度差引起的,這就是所謂的“煙囪效應”。由于溫度差的存在,室內外密度差產生,沿著建筑物墻面的垂直方向出現壓力梯度。如果室內溫度高于室外,建筑物的上部將會有較高的壓力,而下部存在較低的壓力。當這些位置存在孔口時,空氣通過較低的開口進入,從上部流出。如果,室內溫度低于室外溫度,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外的空氣密度差。而在實際中,建筑師們多采用煙囪、通風塔、天井中庭等形式,為自然通風的利用提供有利的條件,使得建筑物能夠具有良好的通風效果。

1.3 風壓和熱壓共同作用下的自然通風。在實際建筑中的自然通風是風壓和熱壓共同作用的結果,只是各自的作用有強有弱。由于風壓受到天氣、室外風向、建筑物形狀、周圍環境等因素的影響,風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,使風壓和熱壓作用相互補充,密切配合使用,實現建筑物的有效自然通風。

1.4 機械輔助式自然通風。在一些大型建筑中,由于通風路徑較長,流動阻力較大,,單純依靠自然風壓與熱壓往往不足以實現自然通風。而對于空氣污染和噪聲污染比較嚴重的城市,直接的自然通風還會將室外污濁的空氣和噪聲帶入室內,不利于人體健康。在這種情況下,常常采用一種機械輔助式的自然通風系統。該系統有一套完整的空氣循環通道,輔以符合生態思想的空氣處理手段(如土壤預冷、預熱、深井水換熱等),并借助一定的機械方式加速室內通風。

2 自然通風技術的優勢

自然通風是當今建筑普遍采取的一項改革建筑熱環境、節約空調能耗的技術,采用自然通風方式的根本目的就是取代(或部分取代)空調制冷系統。而這一取代過程有兩點至關重要的意義:一是實現有效被動式制冷,當室外空氣溫濕度較低時自然通風可以在不消耗不可再生能源的情況下降低室內溫度,帶走潮濕氣體,達到人體熱舒適,即使室外空氣溫濕度超過舒適區,需要消耗能源進行降溫降濕處理,也可以利用自然通風輸送處理后的新風,而省去風機能耗,且無噪聲。這有利于減少能耗、降低污染,符合可持續發展的思想。二是可以提供新鮮、清潔的自然空氣(新風),有利于人的生理和心理健康。室內空氣品質的低劣在很大程度上是由于缺少充足的新風。空調所造成的恒溫環境也使得人體抵抗力下降,引發各種“空調病”。而自然通風可以排除室內污濁的空氣,同時還有利于滿足人和大自然交往的心理需求。

3 自然通風系統設計中的限制性條件

自然通風技術作為一種免費的技術,它的應用必然受到環境的限制。對于室外環境溫、濕度比較溫和的地區(如英國),該技術的應用非常成熟,下面基于他們的應用經驗,介紹有關自然通風技術應用的限制性條件。

3.1 室內得熱量的限制。應用自然通風的前提是室外空氣溫度比室內低,通過室內空氣的通風換氣,將室外風引入室內,降低室內空氣的溫度。很顯然,室內、外空氣溫差越大,通風降溫的效果越好。對于一般的依靠空調系統降溫的建筑而言,應用自然通風系統可以在適當時間降低空調運行負荷,典型的如空調系統在過渡季節的全新風運行。對于完全依靠自然通風系統進行降溫的建筑,其使用效果則取決于很多因素,建筑的得熱量是其中的一個重要因素,得熱量越大,通過降溫達到室內舒適要求的可能性越小。現在的研究結果表明,完全依靠自然通風降溫的建筑,其室內的得熱量最好不要超過40W/m2。

3.2 建筑環境的要求。應用自然通風降溫措施后,建筑室內環境在很大程度上依靠室外環境進行調節,除了空氣的溫、濕度參數外,室內的空氣品質和噪音控制也將被室外環境所破壞。根據目前的一些標準要求,采用自然通風的建筑,其建筑外的噪音不應該超過70dB;尤其在窗戶開啟的時候,應該保證室內周邊地帶的噪音不超過55dB。同時,自然通風進風口的室外空氣質量應該滿足有關衛生要求。

4 建筑條件的限制

應用自然通風的建筑,在建筑設計上應該參考以上兩點要求,充分發揮自然通風的優勢。

4.1 建筑位置。周圍是否有交通干道、鐵路等一般認為,建筑的立面應該離開交通干道20米,以避免進風空氣的污染或噪音干擾;或者,在設計通風系統時,將靠近交通干道的地方作為通風的排風側。地區的主導風向與風速根據當地的主導風向與風速確定自然通風系統的設計,特別注意建筑是否處于周圍污染空氣的下游。周圍環境由于城市環境與鄉村環境不同,對建筑通風系統的影響也不同,特別是建筑周圍的其它建筑或障礙物將影響建筑周圍的風向和風速、采光和噪音等。

4.2 建筑形狀。形狀建筑的寬度直接影響自然通風的形式和效果。建筑寬度不超過10米的建筑可以使用單側通風方法;寬度不超過15米的建筑可以使用雙側通風方法;否則,將需要其它輔助措施,例如煙囪結構或機械通風與自然通風的混合模式等。建筑朝向為了充分利用風壓作用,系統的進風口應該面對建筑周圍的主導風向。同時建筑的朝向還涉及減少得熱措施的選擇。開窗面積系統進風側外墻的窗墻比應該兼顧自然采光和日射得熱的控制,一般為30%-50%。建筑結構形式建筑結構可以是輕型、中型或重型結構。對于中型或重型結構,由于其熱惰性比較大,可以結合晚間通風等技術措施改善自然通風系統的運行效果。

5 自然通風在住宅設計中的運用

影響自然通風的因素對于建筑本身而言,有建筑物的高度、進深、長度和迎風方位;對于建筑群體而言,有建筑的間距、排列組合方式和建筑群體的迎風方位;對于住宅區規劃而言,有住宅區的合理選址以及住宅區道路、綠地、水面的合理布局等,以便達到最佳的通風效果。以下就幾方面加以說明。

5.1 建筑物的朝向。要確定建筑物的朝向,不但要了解當地日照量較多的方向,還要了解當地風的相關特性,包括冬季和夏季主導風的方向、速度以及風的溫度。每一個地區有自己風的特點,由于建筑物迎風面最大的壓力是在與風向垂直的面上,因此,在選擇建筑物朝向時,應盡量使建筑主立面朝向夏季主導風向,而側立面對著冬季主導風向;南向是太陽輻射量最多的方向,加之我國大部分地區夏季主導風向都是南或南偏東,故無論從改善夏季自然通風、調節房間熱環境,還是從減少冬季、夏季的房間采暖空調負荷的角度來講,南向都是建筑物朝向最好的選擇。而且選擇南向這樣的朝向也有利于避免東、西曬,兩者都可以兼顧。對于那些朝向不夠理想的建筑,就應采取有效措施妥善解決上述兩方面問題。

5.2 建筑物的間距。建筑物南北向日照間距較小時,前排建筑遮擋后排建筑,風壓小,通風效果差;反之,建筑日照間距較大時,后排建筑的風壓較強,自然通風效果愈好。所以在住宅組團設計中,加大部分住宅樓的間距,形成組團綠地,對改善綠地下風側住宅的自然通風,有較好的效果,同時還能為人們提供良好的休息和交流的場所。同時在條件許可的時候,盡量加大山墻的間距。因為室外氣流吹過呈行列式布局的建筑群時,在建筑物的山墻之間將形成一條空氣射流。

結束語

綜上所述,能更好利用自然通風,更好的發揮其經濟效益和環境效益,起到節能減排的作用,自然通風這種廉價、健康的通風方式將會越來越多地被利用。