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自然通風(fēng)在適宜地域建筑設(shè)計(jì)中的運(yùn)用
自然通風(fēng)在適宜地域建筑設(shè)計(jì)中的運(yùn)用 [摘要]本文首先介紹了建筑中自然通風(fēng)技術(shù)的作用原理,指出了自然通風(fēng)的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益,進(jìn)而論證了在建筑設(shè)計(jì)中如何實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng),提出自然通風(fēng)這項(xiàng)傳統(tǒng)的技術(shù)要與建筑所處地域的自然地理氣候特征相適應(yīng),并輔以實(shí)例分析了自然通風(fēng)與地域氣候的完美結(jié)合。旨在引起在地域建筑設(shè)計(jì)中對(duì)自然通風(fēng)傳統(tǒng)適宜技術(shù)的重視。
[關(guān)鍵詞] 自然通風(fēng) 機(jī)理 效益 地域建筑 設(shè)計(jì)
長(zhǎng)久以來,自然通風(fēng)做為一項(xiàng)傳統(tǒng)的建筑防熱技術(shù),在世界各地的傳統(tǒng)民居中,得到了廣泛的應(yīng)用。在濕熱地區(qū),人們看到的傳統(tǒng)民居往往有這樣的外表:建筑都有開闊的窗戶;采用輕便的墻體;深遠(yuǎn)的挑檐;高高在上的頂棚并且設(shè)置有通風(fēng)口;建筑往往架空,以避開地面的潮氣和熱氣,采集更多的涼風(fēng)——這樣形象的背后,隱藏著勞動(dòng)人民對(duì)利用自然通風(fēng)技術(shù)的樸素觀念。自然通風(fēng)是一種具有很大潛力的通風(fēng)方式,是人類歷史上長(zhǎng)期賴以調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境的原始手段。
空調(diào)的產(chǎn)生,使人們可以主動(dòng)地控制居住環(huán)境,而不是象以往一樣被動(dòng)地適應(yīng)自然;空調(diào)的大量使用,使人們漸漸淡化了對(duì)自然通風(fēng)的應(yīng)用。而在空調(diào)技術(shù)得以普及的今天,迫于節(jié)約能源、保持良好的室內(nèi)空氣品質(zhì)的雙重壓力下,全球的科學(xué)家不得不重新審視自然通風(fēng)這一傳統(tǒng)技術(shù)。在這樣的背景下,把自然通風(fēng)這種傳統(tǒng)建筑生態(tài)技術(shù)重新引回現(xiàn)代建筑中,有著比以往更為重要的意義。
1.自然通風(fēng)的理論機(jī)理
通常意義上的自然通風(fēng)指的是通過有目的的開口,產(chǎn)生空氣流動(dòng)。這種流動(dòng)直接受建筑外表面的壓力分布和不同開口特點(diǎn)的影響。壓力分布是動(dòng)力,而各開口的特點(diǎn)則決定了流動(dòng)阻力。就自然通風(fēng)而言,建筑物內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng)主要有兩個(gè)原因:風(fēng)壓以及室內(nèi)外空氣密度差。這兩種因素可以單獨(dú)起作用,也可以共同起作用。
1.1風(fēng)壓作用下的自然通風(fēng)
風(fēng)的形成是由于大氣中的壓力差。如果風(fēng)在通道上遇到了障礙物,如樹和建筑物,就會(huì)產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)換。動(dòng)壓力轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓力,于是迎風(fēng)面上產(chǎn)生正壓(約為風(fēng)速動(dòng)壓力的0.5-0.8倍),而背風(fēng)面上產(chǎn)生負(fù)壓(約為風(fēng)速動(dòng)壓力的0.3—0.4倍)。由于經(jīng)過建筑物而出現(xiàn)的壓力差促使空氣從迎風(fēng)面的窗縫和其他空隙流入室內(nèi),而室內(nèi)空氣則從背風(fēng)面孔口排出,就形成了全面換氣的風(fēng)壓自然通風(fēng)。某一建筑物周圍風(fēng)壓與該建筑的幾何形狀、建筑相對(duì)于風(fēng)向的方位、風(fēng)速和建筑周圍的自然地形有關(guān)。
1.2熱壓作用下的自然通風(fēng)
熱壓是室內(nèi)外空氣的溫度差引起的,這就是所謂的“煙囪效應(yīng)”。由于溫度差的存在,室內(nèi)外密度差產(chǎn)生,沿著建筑物墻面的垂直方向出現(xiàn)壓力梯度。如果室內(nèi)溫度高于室外,建筑物的上部將會(huì)有較高的壓力,而下部存在較低的壓力。當(dāng)這些位置存在孔口時(shí),空氣通過較低的開口進(jìn)入,從上部流出。如果,室內(nèi)溫度低于室外溫度,氣流方向相反。熱壓的大小取決于兩個(gè)開口處的高度差和室內(nèi)外的空氣密度差。而在實(shí)際中,建筑師們多采用煙囪、通風(fēng)塔、天井中庭等形式,為自然通風(fēng)的利用提供有利的條件,使得建筑物能夠具有良好的通風(fēng)效果。
1.3風(fēng)壓和熱壓共同作用下的自然通風(fēng)
在實(shí)際建筑中的自然通風(fēng)是風(fēng)壓和熱壓共同作用的結(jié)果,只是各自的作用有強(qiáng)有弱。由于風(fēng)壓受到天氣、室外風(fēng)向、建筑物形狀、周圍環(huán)境等因素的影響,風(fēng)壓與熱壓共同作用時(shí)并不是簡(jiǎn)單的線性疊加。因此建筑師要充分考慮各種因素,使風(fēng)壓和熱壓作用相互補(bǔ)充,密切配合使用,實(shí)現(xiàn)建筑物的有效自然通風(fēng)。
1.4機(jī)械輔助式自然通風(fēng)
在一些大型建筑中,由于通風(fēng)路徑較長(zhǎng),流動(dòng)阻力較大,,單純依靠自然風(fēng)壓與熱壓往往不足以實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)。而對(duì)于空氣污染和噪聲污染比較嚴(yán)重的城市,直接的自然通風(fēng)還會(huì)將室外污濁的空氣和噪聲帶入室內(nèi),不利于人體健康。在這種情況下,常常采用一種機(jī)械輔助式的自然通風(fēng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)有一套完整的空氣循環(huán)通道,輔以符合生態(tài)思想的空氣處理手段(如土壤預(yù)冷、預(yù)熱、深井水換熱等),并借助一定的機(jī)械方式加速室內(nèi)通風(fēng)。
2.采用自然通風(fēng)的的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益
自然通風(fēng)是當(dāng)今建筑普遍采取的一項(xiàng)改革建筑熱環(huán)境、節(jié)約空調(diào)能耗的技術(shù),采用自然通風(fēng)方式的根本目的就是取代(或部分取代)空調(diào)制冷系統(tǒng)。而這一取代過程有兩點(diǎn)至關(guān)重要的意義:一是實(shí)現(xiàn)有效被動(dòng)式制冷,當(dāng)室外空氣溫濕度較低時(shí)自然通風(fēng)可以在不消耗不可再生能源的情況下降低室內(nèi)溫度,帶走潮濕氣體,達(dá)到人體熱舒適,即使室外空氣溫濕度超過舒適區(qū),需要消耗能源進(jìn)行降溫降濕處理,也可以利用自然通風(fēng)輸送處理后的新風(fēng),而省去風(fēng)機(jī)能耗,且無噪聲。這有利于減少能耗、降低污染,符合可持續(xù)發(fā)展的思想。二是可以提供新鮮、清潔的自然空氣(新風(fēng)),有利于人的生理和心理健康。室內(nèi)空氣品質(zhì)的低劣在很大程度上是由于缺少充足的新風(fēng)�？照{(diào)所造成的恒溫環(huán)境也使得人體抵抗力下降,引發(fā)各種“空調(diào)病”。而自然通風(fēng)可以排除室內(nèi)污濁的空氣,同時(shí)還有利于滿足人和大自然交往的心理需求。
3.建筑設(shè)計(jì)中自然通風(fēng)的實(shí)現(xiàn)及實(shí)例分析
傳統(tǒng)建筑對(duì)自然通風(fēng)有很多值得借鑒的方法,而在我們現(xiàn)代的建筑設(shè)計(jì)中積極地考慮自然通風(fēng),并注意與地域建筑的有效結(jié)合,對(duì)于自然通風(fēng)的合理利用、節(jié)約能源具有現(xiàn)實(shí)意義。
3.1建筑體型與建筑群的布局的設(shè)計(jì)
建筑群的布局對(duì)自然通風(fēng)的影響效果很大�？紤]單體建筑得熱與防止太陽(yáng)過度輻射的同時(shí),應(yīng)該盡量使建筑的法線與夏季主導(dǎo)風(fēng)向一致;然而對(duì)于建筑群體,若風(fēng)沿著法線吹向建筑,會(huì)在背風(fēng)面形成很大的漩渦區(qū),對(duì)后排建筑的通風(fēng)不利。在建筑設(shè)計(jì)中要綜合考慮這兩方面的利弊,根據(jù)風(fēng)向投射角(風(fēng)向與房屋外墻面法線的夾角)對(duì)室內(nèi)風(fēng)速的影響來決定合理的建筑間距,同時(shí)也可以結(jié)合建筑群體布局的改變以達(dá)到縮小間距的目的。由于前幢建筑對(duì)后幢建筑通風(fēng)的影響,因此在單體設(shè)計(jì)中還應(yīng)該結(jié)合總體的情況對(duì)建筑的體型,包括高度、進(jìn)深、面寬乃至形狀等實(shí)行一定的控制。
3.2維護(hù)結(jié)構(gòu)開口的設(shè)計(jì)
建筑物開口的優(yōu)化配置以及開口的尺寸、窗戶的型式和開啟方式,窗墻面積比等的合理設(shè)計(jì),直接影響著建筑物內(nèi)部的空氣流動(dòng)以及通風(fēng)效果。根據(jù)測(cè)定,當(dāng)開口寬度為開間寬度的1/3~2/3時(shí),開口大小為地板總面積的15%-25%時(shí),通風(fēng)效果最佳。開口的相對(duì)位置對(duì)氣流路線起著決定作用。進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口宜相對(duì)錯(cuò)開布置,這樣可以使氣流在室內(nèi)改變方向,使室內(nèi)氣流更均勻,通風(fēng)效果更好。
3.3注重“穿堂風(fēng)”的組織
“穿堂風(fēng)”是自然通風(fēng)中效果最好的方式。所謂“穿堂風(fēng)”是指風(fēng)從建筑迎風(fēng)面的進(jìn)風(fēng)口吹人室內(nèi),穿過房間,從背風(fēng)面的出風(fēng)口流出。顯然進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口之間的風(fēng)壓差越大,房屋內(nèi)部空氣流動(dòng)阻力越小,通風(fēng)越流暢。此時(shí)房屋在通風(fēng)方向的進(jìn)深不能太大,否則就會(huì)通風(fēng)不暢。
3.4在建筑設(shè)計(jì)中形成豎井空間,來加速氣流流動(dòng),實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)。
在建筑設(shè)計(jì)中豎井空間主要形式有:
(1)純開放空間——目前,大量的建筑中設(shè)計(jì)有中庭,主要是平面過大的建筑出于采光的考慮。從另外一個(gè)方面考慮,我們可利用建筑中庭內(nèi)的熱壓形成自然通風(fēng)。由福斯特主持設(shè)計(jì)的法蘭克福商業(yè)銀行就是一個(gè)利用中庭進(jìn)行自然通風(fēng)的成功案例。在這一案例中,設(shè)計(jì)者利用計(jì)算機(jī)模擬和風(fēng)洞試驗(yàn),對(duì)60層高的中庭空間的通風(fēng)進(jìn)行分析研究。為了避免中庭內(nèi)部過大的紊流,每12層作為一個(gè)獨(dú)立的單元,各自利用熱壓實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng),取得良好的效果。
(2)“煙囪”空間,又叫風(fēng)塔——由垂直豎井和幾個(gè)風(fēng)口組成,在房間的排風(fēng)口末端安裝太陽(yáng)能空氣加熱器以對(duì)從風(fēng)塔頂部進(jìn)入的空氣產(chǎn)生抽吸作用。該系統(tǒng)類似于風(fēng)管供風(fēng)系統(tǒng)。風(fēng)塔由垂直豎井和風(fēng)斗組成。在通風(fēng)不暢的地區(qū),可以利用高出屋面的風(fēng)斗,把上部的氣流引入建筑內(nèi)部,來加速建筑內(nèi)部的空氣流通。風(fēng)斗的開口應(yīng)該朝向主導(dǎo)風(fēng)向。在主導(dǎo)風(fēng)向不固定的地區(qū),則可以設(shè)計(jì)多個(gè)朝向的風(fēng)斗,或者設(shè)計(jì)成可以隨風(fēng)向轉(zhuǎn)動(dòng)。例如在英國(guó)貝丁頓零能耗發(fā)展項(xiàng)目中,設(shè)計(jì)了可以隨風(fēng)向轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)斗,配合其他措施,利用自然風(fēng)壓實(shí)現(xiàn)了建筑內(nèi)部的通風(fēng)。
3.5屋頂?shù)淖匀煌L(fēng)
通風(fēng)隔熱屋面通常有以下兩種方式:1)在結(jié)構(gòu)層上部設(shè)置架空隔熱層。這種做法把通風(fēng)層設(shè)置在屋面結(jié)構(gòu)層上,利用中間的空氣間層帶走熱量,達(dá)到屋面降溫的目的,另外架空板還保護(hù)了屋面防水層。2)利用坡屋頂自身結(jié)構(gòu),在結(jié)構(gòu)層中間設(shè)置通風(fēng)隔熱層,也可得到較好的隔熱效果。
b.被動(dòng)式自然通風(fēng)實(shí)施效果一
c.被動(dòng)式自然通風(fēng)實(shí)施效果二
a.自然通風(fēng)原理示意
在云南省永仁縣異地扶貧搬遷規(guī)劃設(shè)計(jì)實(shí)施工程中,多數(shù)是從冬季較寒冷的山區(qū)遷移到夏季較炎熱的丘林壩子中。原住居民的住屋形式是在寒冷地區(qū)發(fā)展與延續(xù)下來的,其夏季的通風(fēng)問題不是主要的空間約束。而新遷地夏季較炎熱,室外亦有較大的區(qū)域風(fēng),但是室內(nèi)風(fēng)速則相對(duì)較小。因后墻及山墻均無窗戶,所以室內(nèi)通風(fēng)不是很好。新搬來的住戶對(duì)室內(nèi)的熱環(huán)境都表現(xiàn)出很大的不滿。因此,改進(jìn)建筑的通風(fēng)效果是克服民居缺陷的主要途徑。在新農(nóng)居的設(shè)計(jì)中,二層樓的前部采用窗加百頁(yè)的構(gòu)造,后部加設(shè)可開啟的窗戶,以保證二層堆放農(nóng)作物的自然晾干功能。針對(duì)夏季的炎熱氣候,加大了挑檐設(shè)計(jì),精心做了堂屋、臥室與閣樓的通風(fēng)設(shè)計(jì),通過簡(jiǎn)單的構(gòu)造措施,對(duì)民居的熱環(huán)境做了積極的改進(jìn)與引導(dǎo)(圖a,b,c)。在該工程中,有效的將傳統(tǒng)的自然通風(fēng)這一綠色適宜技術(shù)用于對(duì)傳統(tǒng)民居的更新,既滿足了經(jīng)濟(jì)的要求,又符合了生態(tài)的效益。
3.6雙層玻璃幕墻維護(hù)結(jié)構(gòu)
雙層(或三層)幕墻是當(dāng)今生態(tài)建筑中所普遍采用的一項(xiàng)先進(jìn)技術(shù),被譽(yù)為“會(huì)呼吸的皮膚”,它由內(nèi)外兩道幕墻組成。其通風(fēng)原理是在兩層玻璃幕墻之間留一個(gè)空腔,空腔的兩端有可以控制的進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口。在冬季,關(guān)閉進(jìn)出風(fēng)口,雙層玻璃之間形成一個(gè)“陽(yáng)光溫室”,提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面的溫度;夏季,打開進(jìn)出風(fēng)口,利用“煙囪效應(yīng)”在空腔內(nèi)部實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng),使玻璃之間的熱空氣不斷的被排走,達(dá)到降溫的目的。為了更好地實(shí)現(xiàn)隔熱,通道內(nèi)一般設(shè)置有可調(diào)節(jié)的深色百葉。雙層玻璃幕墻在保持外形輕盈的同時(shí),能夠很好地解決高層建筑中過高的風(fēng)壓和熱壓帶來的風(fēng)速過大造成的紊流不易控制的問題,能解決夜間開窗通風(fēng)而無需擔(dān)心安全問題,可加強(qiáng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能,并能降低室內(nèi)的噪音。在節(jié)能上,雙層通風(fēng)幕墻由于換氣層的作用,比單層幕墻在采暖時(shí)節(jié)約能源42%-52%,在制冷時(shí)節(jié)約能源38%-60%,是解決建筑節(jié)能的一個(gè)新的方向。
3.7太陽(yáng)能強(qiáng)化自然通風(fēng)
太陽(yáng)能強(qiáng)化自然通風(fēng),充分利用了太陽(yáng)能這一可持續(xù)能源轉(zhuǎn)化為動(dòng)力進(jìn)行通風(fēng)。太陽(yáng)能強(qiáng)化自然通風(fēng)的建筑結(jié)構(gòu)主要有:屋面太陽(yáng)能煙囪、Trombe墻和太陽(yáng)能空氣集熱器。以上三種結(jié)構(gòu)可以單獨(dú)設(shè)置來強(qiáng)化通風(fēng),但是,為了在夏季達(dá)到更好的冷卻效果,通常將這些做法與其他建筑結(jié)構(gòu)組合成一個(gè)有組織的自然通風(fēng)系統(tǒng)。
4.結(jié)語(yǔ)
通風(fēng)是建筑的最基本功能之一,是一個(gè)古老而常新的話題。降低建筑能耗,使建筑的人工環(huán)境與自然環(huán)境達(dá)到動(dòng)態(tài)的平衡,將是建筑在滿足了基本的使用功能和美學(xué)要求后應(yīng)追求的更高目標(biāo)。
我們現(xiàn)在的建筑設(shè)計(jì)中,尤其是一些建筑的更新如新民居的設(shè)計(jì),不僅要關(guān)注自然通風(fēng)技術(shù),更要注意把這一傳統(tǒng)的技術(shù)與當(dāng)?shù)氐牡乩須夂蛱卣骱蜌夂蛞蛩氐认嘟Y(jié)合,提出多層次的、全面的、適宜的建筑技術(shù),體現(xiàn)“氣候決定建筑”的設(shè)計(jì)理念。
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