由山西窯洞引發的關于建筑通風設計的思考

摘要：以山西傳統窯洞為研究對象，通過文獻數據分析和實地調研兩種方式，提出了山西傳統窯洞建筑的通風設計策略。旨在將自然通風的綠色生態方式由傳統窯洞普及到現代建筑中去。

關鍵詞：山西窯洞;熱壓通風;通風;建筑設計

1.現象發現

在我的印象中窯洞建筑是借助自然條件達到冬暖夏涼的室內環境的建筑形式，在采光和通風方面有它的局限性。但是事實卻不是這樣，雖然目前建筑技術、材料和形式都日趨多樣化，但很多居民仍選擇居住在窯洞中，這就表明窯洞建筑也在不斷改進。在保持其原有經濟性、區域性、簡易性、舒適性、生態性的前提下，窯洞建筑在采光和通風上也有了一些新的技術。我們在窯洞里待了一段時間，發現并沒有發生通風方面的問題，并沒有覺得很不舒適。我們推測是現代窯洞在通風上采取了一定的措施加強了室內空氣的流通。查閱相關資料了解到一些關于新型窯洞加強通風的措施，推測可能是用了熱壓來加強室內通風。使部分空氣在陽光的加熱下膨脹，產生一定的壓強，對空氣有外力的作用，促使空氣流通，得到通風。

2.理論

現代窯洞建筑采取了熱壓來加強室內通風。使部分空氣在陽光的加熱下膨脹，產生一定的壓強，對空氣有外力的作用，促使空氣流通，得到通風。

3.原理闡述

3.1國內窯洞發展現狀

目前國內的窯洞建筑按形式可劃為傳統窯洞和新型窯洞兩類。傳統窯洞建造工藝簡單，主要借助自然條件達到冬暖夏涼的室內環境。其主要形式有靠崖式、下沉式和獨立式。最常見的是靠山式窯洞，約占總數的70%以上。

3.2傳統窯洞的優點

①良好的節能性：窯洞頂部一般有至少1.5m厚的覆土，夏季的熱氣和冬季的冷氣都不易滲透，因此制冷和采暖的耗能與費用會相對較低。

②就地取材，造價低廉，施工簡便：靠崖式窯洞窯是運用“減法”建造，直接在崖壁上挖掘而成，既節省了材料費用，又降低了工程造價。

③節省耕地：陜北地區耕地十分有限，近年來隨著西部大開發的推進，耕地被侵占的現象日益嚴重，而靠崖式窯洞是在崖壁上創造居住空間，不會占用耕地。

④窯洞四壁由生土包圍，具有很好的防火、防漏和防噪效果，而且經久耐用。

3.3傳統窯洞的缺點

①通風不佳：靠崖式窯洞只能在一側設置門窗，其他三面及屋頂均是封閉的，因此只能在門窗處形成小范圍的空氣循環，通風狀況極其不好。夏季時室內空氣不能及時更新，極易滋生細菌;而冬季時由于灶臺的使用，室內部分空氣從煙囪排出，造成室外冷空氣從門窗縫隙出滲入，降低室內熱舒適度。

②采光有限：只能單側采光，采光量有限，只有在陽光充足時才能獲得部分陽光，造成室內后部長時間無陽光照射。

③陰雨天氣易受潮：窯洞是以生土為建筑材料，易受水份影響，尤其遇上連續陰雨，生土的含水量增加，無法及時蒸發就會滲入室內;而且由于通風不佳，空氣無法快速循環更新，造成室內空氣濕度過大，令人不適。

3.4新型窯洞的通風措施

①利用太陽能煙囪加強室內自然通風結合當地的生活方式，夏季時在傳統窯洞原有的煙囪上端附加玻璃罩，組合成太陽能煙囪，利用陽光加熱煙囪上端空氣，增大煙囪內空氣溫差，利用熱壓通風來加強空氣流動;研究測試表明：當煙囪的長寬比約為12∶1，出風口向下傾斜4°時，通風效果最佳。冬季時將玻璃罩取下，煙囪正常使用，操作簡單、使用方便。

②利用附加陽光間加強室內自然通風在傳統窯洞原有山墻外側增置陽光間，夏季時通過植物及可調百葉，阻擋直射陽光。冬季則利用陽光間對入室新風進行預熱，同時還可以為居民提供一個休憩娛樂和暫存物品的空間，造價較低，實用性強。

③利用水井和地面土層調節入室空氣溫度。結合當地的自然條件，在地下增設室內與水井的連通管道，利用水井和地面土層對入室新風進行預熱和冷卻，減小新風與室內空氣的溫差，提高室內舒適度。

3.5運行原理

①夏季運行原理

夏季，太陽能煙囪底部的吸熱板吸收太陽能，使煙囪內空氣溫度升高，熱空氣上升形成負壓區，室內上空熱空氣通過煙囪上端出風口（D）進入煙囪，同時新鮮空氣通過水井與地面土層冷卻后由室內地面新風入口（F）進入室內，如此促進室內空氣循環，同時起到降溫作用。在日照較為強烈時，調節陽光間百葉角度，結合庭院中的落葉喬木，阻擋直射光線。與此同時，陽光間頂部出風口（A）開啟，利用熱壓原理帶動陽光間內空氣的流通（圖1）。

圖1""夏季運行原理示意圖

②冬季運行原理

冬季，傳統窯洞主要依靠取暖灶臺來提高室內熱舒適度。此時將太陽能煙囪取下，由于陽光間庭院喬木樹葉脫落，調節陽光間天窗百葉角度，保證充足的陽光射入，對其內部空氣進行加熱;同時將其外側風口關閉，窯洞山墻面風口打開（C）。煤炭燃燒時產生熱量，使煙囪內空氣溫度升高，熱空氣上升形成負壓區，室內底部冷空氣通過灶臺底部進風口（G）進入煙囪，新鮮空氣通過水井和地面土層第一次預熱后由陽光間內地面新風入口（E）進入其內，經陽光間第二次預熱后通過山墻上部進風口（C）進入室內，如此促進室內空氣循環，改善室內的空氣質量（圖2）。

圖2""冬季運行原理示意圖

4.驗證

為了證明現代窯洞的通風措施是通過控制熱壓來實現的，我們找到了一類與窯洞相類似的建筑形式——覆土建筑。覆土建筑就是有土覆蓋的建筑空間，是地下空間的一種。覆土建筑在南北方都有分布，無論是西北地區還是長江中下游地區都有覆土建筑的身影。高濕度是造成夏季濕熱與冬季濕冷的最主要因素，而且位于土下的覆土建筑如果處理不好，土壤中的濕度會加劇這種潮濕的感覺，室內甚至會結露。自然通風是可以想到的最簡單的方法。不同的地形地勢會產生不同的氣流和空氣溫度。

但是由于地形的影響，一般將建筑置于斜坡的迎風面，相對位置較高的山脊附近（圖3）。如果是平坦地，整個區域會有相似的氣候條件，利用地形構成自然通風不太容易辦到，一般多采用捕風器或強制機械通風系統（圖4）。

圖3""地形地勢影響氣流

圖4""平地上的捕風器

氣壓差與風是解決覆土建筑室內高濕度引起的種種問題的主要辦法。在有條件利用自然通風的前提下，應盡量使建筑的進風口與出風口順應主導風向，加強氣壓差，增大通風效果（圖5）。另外種植植物應引導氣流而不能阻礙氣流流動（圖6）。

圖5""順應主導風向的開口布置

圖6""種植植物引導氣流

用細高的熱壓通風豎井進行自然通風最為有效。風道的開口方向直接決定了能引入多少自然風，因此風道頂端垂直面的開口可以有兩個、三個或四個風面或做成捕風器的形式，隨風向改變可旋轉的系統（圖7）。一般說來，風道豎井越高，捕風效果越好。

也就是說，像窯洞覆土建筑這種依托于土壤的建筑通風一般有兩種措施：其一是利用氣壓差的自然通風;其二是利用熱壓通風。考慮到當地氣候的限制，黃土高原冬季的風不僅具有干冷和風力強大的特點，而且常常夾帶著沙塵，因此要求建筑要具有良好的防風性能。靠山的窯居通常建于東南向的陽坡之上，很好的回避了黃土高原冬季寒冷的西北風的侵襲，下沉式窯居開敞的出入口通常背風設置，下沉的庭院內向型封閉的院落形成一個相對穩定的小氣候，是躲避冬季強烈西北寒風侵襲的最好選擇;獨立式窯洞建筑物的入口、門窗、庭院背風設置;而北面迎風面盡量為實墻，即使開窗，窗戶面積也應盡可能減小，冬季進行封堵。也就是說在西北地區的氣候條件限制下，想要通過氣壓差形成自然通風會面對很多其他的問題，一般很少采用，所以得出結論現代窯洞采用的是熱壓通風。

圖7""風道和可旋轉的捕風器

5.一般化

從新型窯洞的熱壓通風，我們可以將此種方法普及到一般建筑中去，例如2010年上海世博會日本館中的循環呼吸柱。建筑內部貫穿其中的6根呼吸柱是建筑與環境交流融合的核心。在建筑底部直通室外空間的下部區域設置地熱箱，夏季室外炎熱的空氣經過地熱箱自然降溫冷卻，再通過呼吸柱的底部導入室內，并利用其拔風效果上升向室內送風，直接降低了夏季室內的溫度和空調系統的新風負荷，展廳內聚集熱空氣，則利用溫升作用通過呼吸柱頂端的開口直接向室外排出，形成循環氣流，營造出室內舒適的溫濕環境和適宜的氣流組織。

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