公共建筑空間設計中自然通風的運用及軟件模擬

劉聰 朱嫻 單玥

摘要：本文以冬冷夏熱地區為研究對象，對其分區內的公共建筑空間的自然通風進行設計，利用Ecotect的Weather Tool軟件，結合上海地區的氣象數據，確定上海地區的風頻率情況，為建筑的自然通風策略提供依據，這對各時節的風環境調節亦具有適用性和啟示性。

關鍵詞：公共建筑;空間設計;自然通風

在生產與科技發展以及對人與自然和諧相處認知加深的基礎上，人們對建筑的要求已經從最基本的遮風擋雨變成了節約能源、減少能耗，同時還要提供一種人、建筑與環境和諧共處、永續發展的生活空間。在傳統建筑的超大能耗、我國資源日益缺乏的情況下，社會對建筑的節能要求日益提高[1]。土地荒漠化、極端天氣頻現、全球變暖、資源枯竭等危機加劇，節能設計成為建筑設計的必然方向。

新鮮空氣的供應是保證室內人體正常生活與健康的基礎，從傳統靜態的建筑設計角度來看，室外新風進入室內需消耗大量的采暖空調費用，這給建筑節能帶來了負面效應。但如果從動態節能設計角度，運用自然通風改善建筑風環境，非常有利于建筑能耗的降低。春秋季，室外氣候適宜，通常室內不需要采暖或空調，此時可盡量打開外窗，以保持室內的空氣流通。夏季室外晝夜溫差比較大，室內外存在雙向換熱的問題，在涼爽的夜晚，通過開啟門窗，引入室外自然冷風，可以帶走建筑結構在白天蓄存的熱量，從而有效降低室內溫度，減少空調的運行時間，甚至不用空調。公共建筑功能要素多、空間布局相對復雜，通過空間組織設計實現有效自然通風遠比單純地使用新風換氣更有意義。

自然通風是建筑適應氣候、調節氣候的重要設計策略之一，驅動力包括風壓和熱壓。城市環境中建筑自然通風受諸多條件的約束，如高樓林立導致建筑迎風面風壓不足、豎向流動空間缺失致使熱壓通風不足、高層建筑惡性風流干擾自然風環境等。因此，現實中自然通風的設計需要衡量多種因素，如不同熱工分區下氣候對自然通風的影響，不同驅動力下自然通風的實現，以及不同季節氣象因素的制約，是一種平衡多種要素的空間綜合組織設計。Autodesk Ecotect Analysis（節能技術分析）作為可持續設計及分析工具，建立模型后以三維表現方式模擬風環境因素對建筑的影響，可有效指導建筑設計階段的整體環境分析與已建成建筑的各項節能分析，得到最優的形態布局。

1 項目概況

該公共建筑位于上海市浦東新區書堂路，共6層，總建筑面積為9340.18㎡，占地面積為2227.95㎡，容積率為1.16，建筑密度為27.6%，綠化率為32.5%，主要功能為養老。由于養老建筑對陽光、通風等要求較高，自然通風手段的引入有利于改善居住環境，促進老年人的身心健康。

2 氣候數據

上海位于太平洋西岸，地處東經120°51′至122°12′，北緯30°40′至31°53′，屬亞熱帶季風性氣候。年平均氣溫17.1℃，七月氣溫最高，月平均溫度為28.6℃;一月最低，月平均溫度為4.8℃。雨熱同期，日照雨量充足，四季分明，春秋較短，冬夏較長。梅雨季一般為六月中旬至七月上旬，其中七月雨量最大，高溫一般出現在六月至九月。夏季濕熱，盛行東南風;冬季干燥，盛行西北風;春秋季節涼濕，盛行東北風。

將上海的氣候條件數據輸入Ecotect（節能技術）的Weather Tool（天氣工具）（見圖1），生成圖2風環境的基礎數據圖。圖2中圓內顏色的深淺代表了風頻，顏色越亮風頻越高，圓坐標代表風向，縱坐標代表風速。從圖中可以看出上海地區全年風的頻率及各朝向上的風速相對較均勻。只是縱觀12個月份來看，夏季多為微風，主導風向為東南（北）方向，冬季風速較大，大風天集中在一、二月，風向主要為西北（南）方向。

實際方案設計初期將圖1和圖2中的基礎氣象數據作為影響因素參考，如果該區域氣候條件差異較大，就會對建筑布局產生顯著影響。但就上海而言，風環境差異并不明顯，對建筑布局的影響相對較小，初期通過軟件模擬的方式分析項目自身小環境，歸納采取不同空間設計手段對建筑風環境的影響，調整建筑布局。

3 基于局部氣候環境對建筑風環境的設計

以上海養老建筑方案設計為例，上海為冬冷夏熱代表區域，夏季需要良好的通風條件，冬季則需要較好的保溫條件，通過Weather Tool得出各個時節的風環境情況，以此指導建筑布局與形態。本建筑優化通風方案見圖3所示，具體自然通風措施有三條。

3.1 基于煙囪效應的空間通風調整

煙囪效應通過進風口和出風口的高度差，空氣受熱時密度減小上升，室外冷空氣從下方進入，利用熱壓作用加強空間內部氣流交換。這種建筑自然通風形式主要用于如樓梯間、天窗配合通風豎井等豎向貫通空間。

建筑剖面設計的通風調整見圖4和圖5所示。圖4中結合天窗設置通風豎井，調節樓層間的熱壓通風[2]，圖5結合樓梯間設置通風豎井。上海夏季以東南風為主，加高西向窗臺后，出風口高于進風口，室內氣流上升方向與豎井通風走向一致，能有效增強豎井通風效果。

3.2 基于文丘里效應的坡屋頂設計

文丘里效應是伯努利原理的具體表現，高速流動氣體附近的壓強減小，從而產生吸附作用。建筑中常見的坡屋頂相當于半個文丘里管，氣流通過的管道由粗變細，加快流速，然后逐漸擴大，坡屋面將迎風立面分離的氣流導向屋脊處并使其加速形成負壓（見圖6）。屋脊開口處的負壓在建筑頂部產生，因而可以配合熱壓通風的豎向熱浮力，形成風壓與熱壓協同的被動式自然通風，提高通風效率。文丘里效應改變了風壓正壓驅動室內空氣流動的習慣認知，在迎風面風壓不足時，可以在建筑屋頂處形成負壓驅動力，協同熱浮力排出室內廢熱空氣。

圖7結合導風板調整坡屋頂通風，將活動豎向百葉設置在建筑東立面充當導風板，當太陽高度角和風向變化時，及時改變豎向百葉角度，以增加進風口風量，強化坡屋頂通風效果。

3.3 基于風壓和熱壓作用的中庭設計

建筑中庭利用風壓和熱壓基本原理進行自然通風。當建筑物正面迎風時，會在迎風面出現風的正壓區，氣流則繞過建筑物側面及背面產生負壓區，正壓最大處在迎風面中心，負壓最大處在該建筑屋脊和屋角。建筑迎風面和背風面的壓力差產生自然通風，建筑布局、形式以及與風的夾角等都會對壓力差的大小產生影響。為增加室內天然采光，公共建筑立面多為大面積玻璃幕墻，大量的太陽輻射熱不斷提高室內溫度[3]，僅通過上述的風壓通風并不能將這部分熱量帶走。此時，通過中庭的合理引入（見圖8），在熱壓作用下產生豎向內部氣流交換，彌補風壓作用不足，發揮通風換熱的作用。中庭設計能改善建筑內部的熱環境，有利于人們的身心健康，同時也滿足了人和自然親近的需求，提高了居住環境的舒適度。

4 自然通風設計的舒適度評估

焓濕圖反映室內的絕對濕度以及相對濕度情況，通過焓濕圖能分析室內的環境情況以及和舒適區域的差距。圖9顯示的是自然通風策略作用下的熱舒適區域，弧線代表相對濕度（%），白色線框為采用自然通風技術后的舒適區域，黑色淺框為自然通風區域。我們發現采取了自然通風（黑色淺框區域）后可以滿足全年大部分的舒適區域，其中上海大部分地區氣候條件可達到。因此在上海地區實施自然通風策略改善了夏季氣候的濕熱狀況，提高了建筑物的舒適度。

圖10中的深色區域代表使用自然通風手段之后的焓濕，淺色區域代表使用之前的降溫潛力。因為上海夏季有較長梅雨季，其中七月雨量最大、濕度大，自然通風可以在很大程度上提高室內熱舒適度。結合圖9、圖10可以看出，圖9中白色線框和黑色線框重合度較高，說明自然通風措施效果較好，熱舒適度區域大;相應的圖10中自然通風效果各月百分比較高，技術效果明顯。這是符合實際情況的，上海位于太平洋西岸，屬于亞熱帶季風性氣候，冬季濕冷，夏季悶熱，室內熱舒適度體驗極差，可通過除去多余濕度改變原始氣候條件，因此，自然通風的實施有利于建筑物熱環境改善。

5 結語

好的建筑是藝術和技術、感性思維與理性邏輯的完美結合，受多種因素的平衡和制約。文中風環境分析只是環境影響因素之一，建筑師需要以人為本，運用各種分析手段優化設計，得出最優的建筑設計方案。

參考文獻：

[1] 黃慰祖.民用建筑中綠色建筑節能設計的應用分析[J].中國住宅設施，2019（08）：34-35.

[2] 中國建筑協會建筑師分會建筑技術專業委員會.綠色建筑與建筑技術[M].北京：中國建筑工業出版社，2006：1-728.

[3] 李積權.氣候方位與建筑表皮節能——建筑表皮的氣候資源利用技術策略研究[J]. 建筑科學，2008，24（12）：7-11.

作者簡介：劉聰（1986—），女，江蘇宿遷人，博士，講師，系本文通訊作者，研究方向：綠色建筑。

朱嫻（1999—），女，江蘇蘇州人，本科在讀，研究方向：綠色建筑。

單玥（2000—），女，江蘇泰州人，本科在讀，研究方向：綠色建筑。