談自然通風(fēng)與建筑設(shè)計(jì)

馬 俊

(中國建筑西南設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610042)

0 引言

在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的21世紀(jì)，人類文明已經(jīng)邁入高度發(fā)達(dá)的信息化社會，對電子產(chǎn)品及網(wǎng)絡(luò)的依賴也導(dǎo)致人類的行為活動更多的在室內(nèi)進(jìn)行，因而提供健康潔凈的空氣及舒適的室內(nèi)環(huán)境始終是建筑設(shè)計(jì)中不可或缺的一部分。現(xiàn)代的辦公樓，酒店，大型商業(yè)等公共建筑往往采取全封閉式的玻璃幕墻系統(tǒng)，絕大部分空氣流通及溫度調(diào)節(jié)依靠機(jī)械通風(fēng)等人工手段完成，而傳統(tǒng)的利用自然條件調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境的技術(shù)已逐漸被人們所遺忘。在過去的幾十年里，隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展突飛猛進(jìn)，建筑的能耗已占到全社會總能源消耗的30%以上，其中建筑取暖、空調(diào)能耗約占建筑總能耗的60%。

在傳統(tǒng)能源日益匱乏的今天，如何節(jié)約能源，同時又能達(dá)到理想的建筑熱工要求，是建筑師不得不認(rèn)真思考的問題，而利用傳統(tǒng)自然通風(fēng)技術(shù)則是其中的一個突破點(diǎn)。

1 自然通風(fēng)

1.1 自然通風(fēng)的基本原理

通常認(rèn)為，自然通風(fēng)的作用具有三種不同的功能[1]:

1)健康通風(fēng)，即保證室內(nèi)空氣質(zhì)量;

2)舒適的熱環(huán)境，即避免室內(nèi)過于溫暖潮濕而引起的人體不適;

3)調(diào)溫通風(fēng)，即調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，使室內(nèi)外達(dá)到溫度平衡。建筑中自然通風(fēng)的實(shí)現(xiàn)通常需要借助風(fēng)力及溫度，當(dāng)兩者在室內(nèi)外環(huán)境中存在差異時，即形成“風(fēng)壓”和“熱壓”，這便是引起空氣流通的先決條件。

1.2 風(fēng)壓條件下的自然通風(fēng)

風(fēng)壓通風(fēng)的基本原理是當(dāng)風(fēng)吹向建筑物時，流動的空氣會在建筑四周產(chǎn)生不同的效果，建筑的迎風(fēng)面因空氣受阻而產(chǎn)生正壓，氣流向上和兩側(cè)偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生局部渦流區(qū)，形成負(fù)壓，室內(nèi)外空氣在這個壓力差的作用下由高壓區(qū)向低壓區(qū)流動從而實(shí)現(xiàn)空氣流通(見圖1)。

利用風(fēng)壓是實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)最常用，也是最為有效的方式之一，風(fēng)壓差值的大小與建筑的選址，建筑與風(fēng)向的夾角，建筑的布局以及建筑周邊的環(huán)境等有直接關(guān)系。建設(shè)用地的地形與地表特征可極大的影響風(fēng)對建筑的作用，地表的障礙物，例如植被，可顯著的降低風(fēng)速，地形的起伏也有可能加強(qiáng)或減弱風(fēng)速。此外，風(fēng)速通常伴隨著海拔高度的增加而增長，所以高度較高的建筑一般可獲得更好的風(fēng)壓，但在高層建筑密度較大地區(qū)，風(fēng)速亦會受周邊建筑所影響。建筑的朝向和布局也是影響自然通風(fēng)的重要因素。從平面上來講，建筑的朝向應(yīng)與當(dāng)?shù)叵募局鲗?dǎo)風(fēng)向保持一定角度，以獲取更佳的自然通風(fēng)效果。建筑與主導(dǎo)風(fēng)向的夾角，增大了外部風(fēng)的阻力，可增加建筑有效的迎風(fēng)面與背風(fēng)面，從而更易形成類似“穿堂風(fēng)”的效果。其次，建筑本身的布局也可影響通風(fēng)的效果，例如“L”形布局的建筑相比板式建筑，可形成更多的漩渦區(qū)，而較多的負(fù)壓區(qū)域可進(jìn)一步促進(jìn)室內(nèi)空氣流動(見圖2)。此外，建筑自身的高度對周邊建筑的風(fēng)環(huán)境可產(chǎn)生較大影響。一般而言，較高體量的建筑宜置于主導(dǎo)風(fēng)向的后方，這樣風(fēng)力可均勻的分布在周邊的建筑當(dāng)中，提高整體自然通風(fēng)效果(見圖 3)[2]。

圖1 風(fēng)壓通風(fēng)的原理示意圖

圖2 不同建筑布局的通風(fēng)效果

圖3 建筑高度對周邊建筑的風(fēng)環(huán)境影響

應(yīng)用風(fēng)壓自然通風(fēng)的一個經(jīng)典案例是位于新喀里多尼亞，由左倫皮亞諾(Renzo Piano)設(shè)計(jì)的吉巴歐文化中心，該文化中心由十個蛋殼形的木結(jié)構(gòu)單體組成，體量大小不一，沿海島的海岸線呈曲線排開，皮亞諾稱這些建筑單體為“籠子”。每個籠子都采取被動式通風(fēng)系統(tǒng)作為主要的降溫和通風(fēng)手段。為了獲得最大的通風(fēng)效果，所有的建筑都位于海島地勢較高的地區(qū)，并面向來自南方的主導(dǎo)風(fēng)向，甚至較高大的植物都沿建筑東西兩側(cè)布置成漏斗狀，從而引導(dǎo)氣流更多的吹向建筑物。當(dāng)風(fēng)力較小時，氣流通過建筑下方的開口進(jìn)入室內(nèi)，并從屋頂?shù)呐棚L(fēng)口排出，形成空氣流通。當(dāng)風(fēng)力增強(qiáng)時，氣流穿過建筑頂部的格柵，并形成負(fù)壓區(qū)，從而更進(jìn)一步促進(jìn)室內(nèi)空氣流通。皮亞諾通過簡單的建筑設(shè)計(jì)手法，不僅達(dá)到了自然通風(fēng)的效果，而且形成了獨(dú)具地方特色的建筑風(fēng)貌(見圖4)。

1.3 熱壓條件下的自然通風(fēng)

自然通風(fēng)的另一基本動力是利用建筑內(nèi)部空氣的熱量差值，熱空氣相比冷空氣密度較小的物理特性，是熱壓通風(fēng)得以實(shí)現(xiàn)的基本原理。讓熱空氣從建筑上方通風(fēng)口排出，同時室外溫度較低的冷空氣從下方的通風(fēng)口被吸入，整個過程也就是人們通常所說的“氣流煙囪效應(yīng)”(Stack Effect)。熱壓通風(fēng)的效果會受到建筑設(shè)計(jì)及室內(nèi)外環(huán)境的影響，比如進(jìn)出風(fēng)口的豎向高度差，以及室內(nèi)外空氣的溫差，往往這些差值越大，通風(fēng)的效果也就越佳。在建筑設(shè)計(jì)中，建筑師可通過刻意設(shè)置貫穿建筑內(nèi)部的中庭，樓梯間等類似空間，并在頂部和底部相應(yīng)位置預(yù)留通風(fēng)口以達(dá)到和促進(jìn)熱壓通風(fēng)的效果。相比風(fēng)壓自然通風(fēng)，熱壓通風(fēng)不需要借助外部風(fēng)力便可實(shí)現(xiàn)，兩者由于基本原理的差別，可在建筑設(shè)計(jì)中相輔相成，共同提高自然通風(fēng)的效果。

圖4 Tjibaou文化中心通風(fēng)效果

一個非常優(yōu)秀的利用熱壓通風(fēng)的案例是位于英國諾丁漢的稅務(wù)局總部大樓，由邁克霍普金斯及其合伙人事務(wù)所設(shè)計(jì)。他們?yōu)檫@棟大樓的暖通系統(tǒng)取名為“浮力通風(fēng)系統(tǒng)”，這套系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)施是位于建筑四角類似煙囪的筒狀空心樓梯間。這些“煙囪”的主要作用是盡可能多的吸取太陽能，以提高內(nèi)部空氣的溫度，當(dāng)溫度提高到一定程度時，受熱的空氣便開始向上移動并飄向室外，從而實(shí)現(xiàn)辦公室內(nèi)的空氣流通和交換(見圖5)。

1.4 風(fēng)壓與熱壓相結(jié)合的自然通風(fēng)

風(fēng)壓通風(fēng)需借助外部風(fēng)力，故受天氣，地形及外部環(huán)境等因素影響較大，其效果不穩(wěn)定且不易控制。熱壓通風(fēng)相對穩(wěn)定，煙囪效應(yīng)可通過建筑設(shè)計(jì)手段實(shí)現(xiàn)，可操控性較強(qiáng)。建筑師如果希望在設(shè)計(jì)中充分利用自然通風(fēng)的效果，通常可借助兩者共同作用以達(dá)到目的。比如，在建筑進(jìn)深較淺且面對來向風(fēng)的部位，可較多的利用風(fēng)壓通風(fēng)，而建筑內(nèi)部不易被風(fēng)力所達(dá)的部位，則可考慮利用熱壓通風(fēng)來達(dá)到效果。但需要注意的是，當(dāng)兩者共同作用時，應(yīng)保持空氣流動方向一致，否則可能會減弱自然通風(fēng)的效果。

2 建筑設(shè)計(jì)與自然通風(fēng)

2.1 建筑的布局考量

建筑師在考慮利用自然通風(fēng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時，首先應(yīng)判讀當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)玫瑰，以了解常年的風(fēng)力分布，并據(jù)此在總圖上進(jìn)行適宜的布置。其基本原則是盡量使建筑的朝向與夏季主導(dǎo)風(fēng)互成垂直的關(guān)系，然而需要注意的是，這種情況下布置的建筑，其背風(fēng)面會形成較大的漩渦區(qū)，對處于靠后建筑的通風(fēng)會有不利影響。所以，在總圖設(shè)計(jì)中，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況，對建筑單體的面寬，高度，間距等指標(biāo)進(jìn)行分析，以合適的布局和體量獲得最佳的整體自然通風(fēng)效果。其次是對項(xiàng)目用地的環(huán)境分析，如地勢是否有高差，其高差是處于迎風(fēng)面還是背風(fēng)面，地表是否有顯著的障礙物等因素都是需要納入考慮的范疇。對環(huán)境分析的結(jié)果是建筑設(shè)計(jì)的基本依據(jù)，建筑師可通過采取豎向設(shè)計(jì)，景觀設(shè)計(jì)以及單體設(shè)計(jì)等方面，減弱不利因素，為實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)改善條件。

2.2 建筑外墻的開口

建筑外圍結(jié)構(gòu)的開口可直接影響和控制自然通風(fēng)的效果，其開口的位置，尺寸及朝向可通過具體分析進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)出風(fēng)口面積大于進(jìn)風(fēng)口面積10%左右時，室內(nèi)風(fēng)速可達(dá)到最佳的狀態(tài)。不同方位的開口位置決定著室內(nèi)空氣流動的路線，進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口之間的高差，可改變氣流在室內(nèi)流動的方向，在風(fēng)力較弱時也可促進(jìn)室內(nèi)通風(fēng)。另一方面，開口的形式也是影響通風(fēng)的一個重要因素。目前大量的公共建筑如辦公樓，酒店等，均采用玻璃幕墻系統(tǒng)作為外部圍護(hù)結(jié)構(gòu)，出于安全及防雨的考慮，玻璃幕墻的開窗往往采用只能開啟一定角度的下懸窗。但這種開窗方式極大的影響了自然通風(fēng)效果，使外部風(fēng)力難以進(jìn)入室內(nèi)，從而進(jìn)一步的增加了建筑對機(jī)械通風(fēng)的依賴。相比之下，平開窗一般可較好的引入風(fēng)力，而通風(fēng)百葉在引入風(fēng)力的同時，還可對風(fēng)力引入的角度進(jìn)行控制，以獲取更好的效果。

2.3 建筑內(nèi)部空間的布置

消費(fèi)者在選購住宅時，多傾向于選擇南北通透的板式建筑，其優(yōu)勢正是因?yàn)榘迨浇ㄖM(jìn)深較小，利于采光和通風(fēng)。而且如果與之對應(yīng)的平面布局規(guī)整、通透，建筑內(nèi)部空氣流動的阻力就越小，通風(fēng)也就越流暢，易形成所謂的“穿堂風(fēng)”。反之，雖然同為板式建筑，內(nèi)廊式的公寓或酒店，因其平面的隔斷，通風(fēng)效果就明顯不如住宅。而對于進(jìn)深較大，利用風(fēng)壓通風(fēng)有困難的建筑，可通過設(shè)置采光中庭等開放式豎向空間，利用熱壓通風(fēng)的原理，促進(jìn)室內(nèi)空氣循環(huán)。此外，還可通過拔風(fēng)井和無動力排氣風(fēng)帽，借助外部風(fēng)力對風(fēng)帽作用時產(chǎn)生的吸力，從室內(nèi)抽取空氣向外排風(fēng)。

2.4 新技術(shù)手段的運(yùn)用

隨著節(jié)能環(huán)保技術(shù)的大力推廣和發(fā)展，一些利用自然通風(fēng)的新技術(shù)手段也逐漸被建筑師所采用。其中，雙層玻璃幕墻是近年來低能耗建筑所廣泛采用的新興技術(shù)。雙層幕墻與傳統(tǒng)幕墻相比，其最大特點(diǎn)是，兩層玻璃幕之間留有一定寬度的通風(fēng)換氣層，該換氣層上下貫通，并在底部和頂部設(shè)有通風(fēng)百葉(見圖6)。在夏季，當(dāng)換氣層內(nèi)的空氣被加熱時，熱空氣向上流動，從頂部的百葉排出。同時，外界溫度較低的空氣從底部的百葉被吸入，形成換氣層內(nèi)的自然通風(fēng)，以達(dá)到自然冷卻的效果。而在冬季，上下兩端的百葉通過調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)量，保持換氣層內(nèi)的熱量，從而降低室內(nèi)熱量損耗。除此之外，諸如設(shè)置太陽能風(fēng)塔，利用煙囪效應(yīng)進(jìn)行自然通風(fēng)的手段也不失為對傳統(tǒng)拔風(fēng)井的創(chuàng)新。

圖5 英國諾丁漢稅務(wù)局總部通風(fēng)系統(tǒng)[3]

圖6 某辦公樓采用的雙層玻璃幕墻系統(tǒng)

3 結(jié)語

建筑為人們提供了工作、生活、學(xué)習(xí)等幾乎一切活動所需的空間場所，通風(fēng)作為建筑最基本的需求和功能，對建筑師而言是一項(xiàng)持續(xù)的課題。

隨著建筑材料和建造工藝的進(jìn)步，傳統(tǒng)建筑普遍采用的自然通風(fēng)，已經(jīng)大量的被機(jī)械通風(fēng)所取代。但是隨之而來的高能耗，與當(dāng)今社會倡導(dǎo)的可持續(xù)發(fā)展趨勢相悖，更與我國的國情不相符。因此，我們在從事建筑設(shè)計(jì)的工作中，應(yīng)當(dāng)有意識的因地制宜，結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍夂蛱卣鳌⒌匦蔚孛玻瑢鹘y(tǒng)技術(shù)與現(xiàn)代手段相結(jié)合，制定出綜合全面、低碳環(huán)保的建筑方案。讓可持續(xù)發(fā)展，建設(shè)節(jié)約型社會的總體目標(biāo)，通過建筑設(shè)計(jì)進(jìn)一步得到體現(xiàn)，為國家長足的經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

[1] 吉沃尼·B.人·氣候·建筑[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，1982.

[2] Narenda.K.Bansal.被動式建筑設(shè)計(jì):自然氣候調(diào)節(jié)手冊[M].Elsevier Science出版社，1994.

[3] [英]Alistair Gardner.建設(shè)稅務(wù)局[J].建筑評論，1995:18-22.

[4] [英]馬丁·P·L.建筑的采暖與空氣調(diào)節(jié)[M].北京:建筑出版社，1979.

[5] [英]理查德·尼克斯.采暖，通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)[M].北京:交界出版社，2002.