公共建筑自然通風設計若干實例探討

金曉東 劉閩敏

自然通風是當今建筑普遍采取的一項改善建筑熱環境、節約空調能耗的技術，有兩點至關重要的意義:1)實現有效被動式制冷;2)可以提供新鮮、清潔的自然空氣，有利于人的生理和心理健康。

實現自然通風主要有兩個途徑:利用風壓和熱壓。利用風壓來實現建筑自然通風，即平常所講的“穿堂風”。首先要求建筑有較理想的外部風環境，平均風速一般不小于 3 m/s～4 m/s。其次建筑應面向夏季夜間風向，房間進深較小:一般情況下，單向自然通風的進深應小于房間凈高的2倍，大致在6 m左右;雙向自然通風的進深應小于房間凈高的5倍，大致在12 m～15 m左右，以便易于形成穿堂風。由于自然風變化幅度較大，受周圍環境影響，常在建筑周圍形不成足夠的風壓，并且通常公共建筑進深大，如果同時處于不利朝向時，利用風壓實現穿堂風常常不具備可能性。因而建筑師利用自然通風的另一種機理:通過建筑內部的熱壓差實現自然通風，即平常所講的“煙囪效應”。熱空氣上升，從建筑上部風口排出，室外新鮮的冷空氣從建筑底部或者建筑各層被吸入，從而實現通風的效果。對于高層建筑而言，由于風速隨著高度增加而變大，因而實現自然通風比較容易。但是風速往往過大，窗戶直接外開不僅存在安全隱患且風速過大不利于舒適度的改善。

1 多層建筑

1.1 英國國內稅務中心

邁克爾?霍普金斯設計的英國國內稅務中心位于諾丁漢市的傳統街區。由于建筑本身呈院落式布局(共7個組團)，高度僅為3層～4層，加上受緊湊的城市格局的影響，建筑周邊的風速較小，尚不能很好地滿足自然通風的需求，因此，霍普金斯在控制建筑進深(13.6 m)以利于自然采光、通風的基礎上，設計了一組頂帽可以升降的圓柱形玻璃通風塔，用作建筑的入口和樓梯間。玻璃通風塔可最大限度地吸收太陽的能量，提高塔內空氣溫度，從而進一步加強煙囪效應，帶動各樓層的空氣循環，實現自然通風。冬季時可將頂帽降下以封閉排氣口，這樣通風塔便成為一個玻璃暖房，有利于節省采暖能耗。稅務中心的年設計能耗為110 kWh/m2，實現了城市密集環境中的完全被動式制冷，如圖1，圖2所示。

1.2 英國考文垂大學圖書館

如圖3所示，該4層高的建筑建成于2000年，總面積超過1萬m2，50 m×50 m見方的大進深。從周邊到中央中庭最大距離達到25 m，無法實現自然通風，因而建筑平面被分為4部分，分別設置了4個天井送風。冬季冷空氣在進入室內之前，通過天井底部的預熱盤管加熱，然后通過預埋在樓板中的供熱裝置加熱至18℃。廢氣則通過周邊的6個煙囪和中央采光天井排放。控制系統通過感應器提供的室內外狀態的參數來改變通風口的開合狀態，控制氣流的流動。建筑圍護結構采用兩層磚砌成，與預制樓板一道構成良好的蓄熱體，可以延緩日照等因素對室內溫度的影響，使室溫更穩定。夏季蓄熱體白天吸收大量熱量，使得室溫不至于過高;夜間利用室外溫度較低的冷空氣對蓄熱材料進行充分的通風降溫，改善夜間室內溫度，有效發揮蓄熱材料的潛力。根據室內溫度實測報告，當室外溫度在27℃～34℃之間變化時，該建筑室內溫度保持在20.2℃～24.4℃之間，達到了良好穩定的室內環境。

對于某些大型體育館、展覽館、商業設施等，由于通風路徑較長，空氣流動阻力較大，單純依靠自然的熱壓往往不足以實現自然通風。且對于空氣和噪聲污染比較嚴重的大城市，直接自然通風會將室外污濁的空氣和噪聲帶入室內，不利于人體健康，在以上情況下，常常采用機械輔助手段，與熱壓相配合，實現自然通風。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(土壤預冷、預熱、深井水換熱等)，并借助一定的機械方式來加速室內通風。

1.3 德國議會大廈改建

如圖4所示，德國議會大廈新建一個玻璃穹頂，不僅為建筑內部引入了自然采光，還包含著自然通風系統，建筑內部的空氣因為煙囪效應被導入當中，但是大城市的空氣污染和交通噪聲是設計者不得不面對的現實。為了避免汽車尾氣等有害氣體及塵埃進入建筑內部，大廈進氣口設在檐口高度，并在風道中設置過濾器和聲屏障，以最大限度地除塵、降噪，因而保證進入室內的是新鮮空氣。同時帶動空氣流動及遮陽設備的能源，由屋頂的太陽能光電板產生。此外，建筑利用深層土壤蓄冷和蓄熱，并使之與自然通風系統相結合，在夏季使空氣預冷，在冬季使空氣預熱，同時產生理想的節能效果。穹頂投入使用后，溫度峰值降低了30%。

2 高層建筑

2.1 法蘭克福商業銀行

在法蘭克福商業銀行的設計過程中，針對塔樓中庭(60層)的自然通風狀況，福斯特及其合作者進行了無數次計算機模擬和風洞試驗。與前面幾位建筑師不同，福斯特最關注的不是風速夠不夠大，而是風速會不會太大。計算和試驗的結果正如建筑師所擔心的那樣，如果整個中庭從上到下不加分隔，那么在很多情況下中庭內部將產生無法忍受的紊流。因而中庭每12層被玻璃天花分成一段，8層高的辦公區與4層高的花園面向這個中庭，同時取得良好的自然景觀和通風效果。

2.2 德國哥茲總部辦公樓

雙層通風玻璃幕墻是當今生態建筑中所普遍采用的一項先進技術，它主要針對以往玻璃幕墻能耗高，室內空氣質量差等問題利用雙層(或三層)玻璃作為圍護結構，玻璃之間留有一定寬度的通風道并配有可調節的百葉。在冬季，雙層玻璃之間形成一個陽光溫室，增加了建筑內表面的溫度有利于節約采暖。在夏季，利用煙囪效應對通風道進行通風，使玻璃之間的熱空氣不斷地被排走，達到降溫的目的，對于高層建筑來說，直接開窗通風容易造成紊流，不易控制。而雙層圍護結構能夠很好地解決這一問題。此外，雙層圍護結構在玻璃材料的特性(如低輻射)，除塵、降噪等方面都大大優于直接開窗通風。

3 結語

自然通風是一項古老的技術，在許多鄉土建筑中都閃現著它的影子。隨著生態觀念的深入人心及對自然通風對健康作用的深入認識，實現的自然通風新技術已經開始在現代建筑中越來越廣泛的應用。通過上述實例分析，可以得知對大進深公共建筑及高層建筑采取良好的技術設計，完全能夠達到實現自然通風，改善建筑室內外熱環境，提高舒適度，盡量少用采暖制冷設備以節約能源的目標。

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