探討建筑設(shè)計(jì)中自然風(fēng)技術(shù)的應(yīng)用

滑 冰 王立濱 相鳳奎

0 引言

自然風(fēng)在建筑中是組織通風(fēng)與自然換氣功能，從建筑設(shè)計(jì)角度看主要有四個(gè)方面:

1)開啟的窗;

2)位于高處的排風(fēng)口和位于低處的進(jìn)風(fēng)口;

3)雙層立面;

4)便于空氣流通的開放的建筑平面。建筑利用自然風(fēng)的設(shè)計(jì)有很多種形式，而且手法各異，本文通過(guò)對(duì)資料的查閱梳理和已有理論知識(shí)的學(xué)習(xí)研究提出了三個(gè)主要利用自然風(fēng)的設(shè)計(jì)方法，即建筑的窗型設(shè)計(jì)，建筑表皮結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，建筑公共空間設(shè)計(jì)。

1 建筑窗的設(shè)計(jì)

1.1 建筑窗的通風(fēng)原理

建筑的自然通風(fēng)過(guò)程絕大部分通過(guò)可開啟的門窗對(duì)房間進(jìn)行單側(cè)通風(fēng)或?qū)α魍L(fēng)完成的。一般情況下，通過(guò)窗戶的氣流量取決于窗戶的面積以及自然風(fēng)在立面豎向分布的情況。窗的設(shè)計(jì)涉及到開啟的大小、形狀、高度、方位等，這些元素都會(huì)影響室內(nèi)氣流情況。

1)建筑的單側(cè)通風(fēng)主要適用于只有一側(cè)設(shè)有窗戶的房間。在這種通風(fēng)模式中，空氣從窗戶較低的部位進(jìn)入室內(nèi)，在室內(nèi)被加熱后從同一窗戶的頂部排出。這種空氣的流動(dòng)是由于風(fēng)的紊流和浮力作用而產(chǎn)生的，而不是由風(fēng)力作用使建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外出現(xiàn)氣壓差的緣故。要提高單側(cè)通風(fēng)的通風(fēng)效果，可以在同一墻面的不同高度設(shè)置窗戶，在這種情況下，冷空氣從低窗流入，熱空氣從高窗排出，房間能夠?qū)崿F(xiàn)有效通風(fēng)的進(jìn)深為室內(nèi)層高的 2.5倍左右。

2)對(duì)流通風(fēng)是一種比單側(cè)通風(fēng)更有效的通風(fēng)方式。當(dāng)室內(nèi)不止一個(gè)墻面設(shè)有窗戶時(shí)就會(huì)產(chǎn)生空氣對(duì)流。盡管對(duì)流通風(fēng)可以為較大進(jìn)深的平面提供有效的新風(fēng)量，但是設(shè)計(jì)時(shí)還是應(yīng)該優(yōu)先考慮狹窄進(jìn)深的平面。在實(shí)現(xiàn)建筑物內(nèi)對(duì)流通風(fēng)的同時(shí)，宜采用風(fēng)向和出風(fēng)口方向不同的設(shè)計(jì)，這樣會(huì)產(chǎn)生較好的氣流循環(huán)。如果風(fēng)向與進(jìn)出風(fēng)口的方向成一直線，那么氣流僅僅是穿過(guò)房間，而不會(huì)循環(huán)(見圖1)。

1.2 建筑窗的自然風(fēng)技術(shù)設(shè)計(jì)

窗的高度影響室內(nèi)的通風(fēng)效果，這是由窗臺(tái)和窗楣位置來(lái)界定的，因?yàn)闇夭顚?dǎo)致空氣上升。因此，高處位置的窗戶有助于氣流流動(dòng)。同時(shí)高窗還能夠在陰天提供最好的采光;低窗不能提供很好的通風(fēng)條件，但卻能使地面反射的光線均勻分布;中部的窗可提供均勻的通風(fēng)，但也不能提供均勻的采光。窗的方位設(shè)計(jì)決定房間中可獲取太陽(yáng)能量的多少和熱量的損失。冬季南向、東南向和西南向需要開大窗以獲取太陽(yáng)熱量;北面開小窗以防止熱量散失。

所有建筑窗的大小均須滿足日照、通風(fēng)、出入、視野以及太陽(yáng)能量的透入與遮蔽。在干熱氣候區(qū)，通常采用面積小的窗戶，并且要有合適的遮擋。由于位于光照充分的地區(qū)，較小的窗戶即可獲得充分的采光。白天空氣很熱，可以避免讓熱空氣進(jìn)入室內(nèi);夜間溫度較低，可以采用自然通風(fēng)的方式降溫。在濕熱地區(qū)，窗戶面積宜大以便于通風(fēng)。屋檐出挑宜大，以遮擋散熱的太陽(yáng)輻熱。在寒冷地區(qū)，窗戶宜大且無(wú)遮擋，但密封性要好。這樣既可以加大得熱，又可以防止冷風(fēng)滲透。

2 建筑表皮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)——雙層玻璃幕墻

雙層玻璃幕墻系統(tǒng)具有較好的節(jié)能潛力，采用可循環(huán)使用的材料，建筑速度快，具有明顯的節(jié)能效果，能夠阻隔噪聲，減少非潔凈空氣對(duì)于室內(nèi)的污染，因此被稱為“可呼吸的皮膚”，通常有以下幾種類型:

1)外掛式雙層玻璃幕墻。這是雙層玻璃幕墻家族中最簡(jiǎn)單的一種方式，建筑真正的外墻位于“外皮”之內(nèi) 300mm～2 000 mm處，其間距視建筑的平面形式、兩層“皮”的構(gòu)造連接方式以及建筑外墻的方式而定。雙層玻璃之間的空間既不做水平分隔，也不做豎向分隔。測(cè)試結(jié)果表明:這種幕墻系統(tǒng)對(duì)隔絕噪聲具有明顯的效果，但因雙層玻璃之間的氣流缺乏組織，故對(duì)改善建筑的熱環(huán)境并無(wú)明顯作用。這種幕墻往往用于城市嘈雜環(huán)境中，以隔絕噪聲為主要目的。

2)走廊式雙層玻璃幕墻。與空氣環(huán)流式雙層玻璃立面不同的是:走廊式雙層玻璃幕墻系統(tǒng)是以一層為單位進(jìn)行水平劃分的，建筑外側(cè)每層均形成外掛式走廊。在每層樓的樓板和天花高度分別設(shè)有進(jìn)、出風(fēng)調(diào)節(jié)蓋板。這種系統(tǒng)經(jīng)歷了兩次改進(jìn)。第一次是將立面上的進(jìn)、出風(fēng)口對(duì)齊設(shè)置。這種做法有一個(gè)明顯的問(wèn)題，即下層走廊的部分排氣又部分變成了上層走廊的進(jìn)氣，這無(wú)論對(duì)空氣質(zhì)量還是溫度緩沖效果都會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。第一次改進(jìn)后的進(jìn)出風(fēng)口在水平方向錯(cuò)開一塊玻璃的距離，避免了進(jìn)、排氣的“短路”。

3)雙制式模塊雙層玻璃幕墻。這種幕墻實(shí)際上是由四個(gè)集中式立面與一個(gè)雙制式通風(fēng)技術(shù)單元組合而成。冬天室外冷空氣首先進(jìn)入本層進(jìn)氣區(qū)，在雙層玻璃之間經(jīng)陽(yáng)光預(yù)熱，再通過(guò)設(shè)于樓板一側(cè)的對(duì)流器進(jìn)入室內(nèi)，而另一側(cè)排出的氣流先經(jīng)過(guò)對(duì)流器排入其上層換氣單元的排氣區(qū)內(nèi)，再經(jīng)由該單元上方的出氣孔排到室外，兩邊的對(duì)流器相結(jié)合便形成上述技術(shù)單元。對(duì)流器除吸收陽(yáng)光輻射以外，還可以吸收排出空氣的余熱并用其對(duì)低溫進(jìn)氣進(jìn)行預(yù)熱;在夏天，這一技術(shù)單元轉(zhuǎn)換成主動(dòng)式太陽(yáng)能微制冷單元，可以對(duì)進(jìn)氣進(jìn)行預(yù)冷，避免因進(jìn)氣溫度過(guò)高而導(dǎo)致的室內(nèi)冷耗增加。而排氣則利用夾層中的溫差自然進(jìn)行。

3 建筑公共空間設(shè)計(jì)

3.1 建筑公共空間的設(shè)計(jì)原則

建筑公共空間作為一種普遍采用且成熟的設(shè)計(jì)形式，在商業(yè)、辦公、科教、醫(yī)療、娛樂(lè)等各類公共建筑中均有廣泛應(yīng)用，是因?yàn)楣步ㄖ臻g被證明具有調(diào)節(jié)室內(nèi)微氣候和節(jié)約建筑能耗的作用。公共空間設(shè)計(jì)通常采用大面積玻璃圍護(hù)結(jié)構(gòu)在透射陽(yáng)光的同時(shí)，阻擋來(lái)自室內(nèi)的長(zhǎng)波輻射，有效防止了室內(nèi)熱量的外溢，形成溫室效應(yīng)，有利于提高冬季建筑室內(nèi)溫度，降低采暖費(fèi)用;公共空間內(nèi)外部空氣壓力差引起室內(nèi)外空氣流動(dòng)，公共空間較高的垂直高度也可以加快氣流速度，形成煙囪效應(yīng)，所產(chǎn)生的良好自然通風(fēng)在引入室外新鮮空氣的同時(shí)，加快了室內(nèi)多余熱量的對(duì)外排放，降低了室內(nèi)溫濕度，節(jié)省了夏季空調(diào)費(fèi)用。

3.2 利用自然風(fēng)技術(shù)的建筑公共空間設(shè)計(jì)

1)建筑平面形式合理設(shè)計(jì)。由于人們對(duì)不同功能空間的熱舒適要求不同，在建筑設(shè)計(jì)中公共空間的設(shè)計(jì)不同于居住或者辦公空間的要求。辦公居住空間是舒適度要求較高的區(qū)域，使非均質(zhì)分布的外界氣候資源得到最優(yōu)化利用即可。而對(duì)體型較大的建筑公共空間設(shè)計(jì)，建筑敞口應(yīng)基本朝向夏季主導(dǎo)風(fēng)向，如反向布置，則迎風(fēng)面的墻面宜可控制開敞。同時(shí)公共空間平面空間屬于大進(jìn)深的空間形式，可以增加它對(duì)外的開口面積或者平面采用“口”形布置，以此解決大進(jìn)深公共空間的采光問(wèn)題;通過(guò)合理的平面形式可以使這種公共空間布局沿基地周邊布置，增加了其內(nèi)部的臨空面，因此還可以加大進(jìn)深，使用地緊湊，基地內(nèi)能形成較完整的平面空間與換氣系統(tǒng)。

2)建筑剖面形式合理設(shè)計(jì)。公共空間設(shè)計(jì)應(yīng)該合理利用氣壓流動(dòng)原理，結(jié)合空間布局為自然通風(fēng)創(chuàng)造良好的條件。因此，如果把應(yīng)變的思想運(yùn)用到建筑公共空間設(shè)計(jì)中，可以通過(guò)對(duì)建筑剖面的改變有效地對(duì)建筑內(nèi)部的熱壓差氣流進(jìn)行控制引導(dǎo)，促進(jìn)自然通風(fēng)。

3)采取溫差輔助措施通風(fēng)換氣。通過(guò)建筑設(shè)計(jì)手法制造環(huán)境各部位的溫差是公共空間設(shè)計(jì)造風(fēng)的重要手法。現(xiàn)代設(shè)計(jì)中玻璃公共空間是建筑師通過(guò)建筑內(nèi)部組合設(shè)計(jì)、空間布局、引入水景、綠化配置等設(shè)計(jì)手法改善區(qū)域微氣候的結(jié)果。有時(shí)自然的無(wú)組織通風(fēng)可能將過(guò)熱的空氣導(dǎo)入室內(nèi)造成不舒適感，要解決這個(gè)問(wèn)題，一方面可以在公共空間室外過(guò)熱時(shí)關(guān)閉門窗停止通風(fēng)，另一方面可憑借內(nèi)部綠化環(huán)境即所謂的自然空調(diào)技術(shù)讓室外熱空氣降溫后進(jìn)入室內(nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹自然風(fēng)設(shè)計(jì)相關(guān)知識(shí)，闡述了自然風(fēng)利用技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)，通過(guò)對(duì)現(xiàn)代自然風(fēng)設(shè)計(jì)的分析綜合比較，進(jìn)一步提出了建筑設(shè)計(jì)方面的一些思路，當(dāng)然這些思路存在一定的使用條件和局限性，在自然風(fēng)的建筑設(shè)計(jì)中需要注意實(shí)際方法:結(jié)合場(chǎng)地、歷史、文化等因素對(duì)人體舒適范圍的確定，并明確氣候要素和人體舒適感的動(dòng)態(tài)關(guān)系;根據(jù)相關(guān)技術(shù)背景知識(shí)，對(duì)場(chǎng)地氣候要素如風(fēng)、溫度、太陽(yáng)輻射、濕度等進(jìn)行實(shí)際研究，并分析其中的主要因素;確定各個(gè)室外氣候要素和使用者舒適需求之間的差距;建筑師在基于對(duì)各種策略掌握的基礎(chǔ)上，在各種策略之間做出合理選擇，并通過(guò)某些方式進(jìn)行比較和取舍;策略選擇和形式、材料等建筑要素結(jié)合，形成完整的設(shè)計(jì)。

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