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自然通風在適宜地域建筑設計中的運用
自然通風在適宜地域建筑設計中的運用 [摘要]本文首先介紹了建筑中自然通風技術的作用原理,指出了自然通風的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益,進而論證了在建筑設計中如何實現(xiàn)自然通風,提出自然通風這項傳統(tǒng)的技術要與建筑所處地域的自然地理氣候特征相適應,并輔以實例分析了自然通風與地域氣候的完美結(jié)合。旨在引起在地域建筑設計中對自然通風傳統(tǒng)適宜技術的重視。
[關鍵詞] 自然通風 機理 效益 地域建筑 設計
長久以來,自然通風做為一項傳統(tǒng)的建筑防熱技術,在世界各地的傳統(tǒng)民居中,得到了廣泛的應用。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;深遠的挑檐;高高在上的頂棚并且設置有通風口;建筑往往架空,以避開地面的潮氣和熱氣,采集更多的涼風——這樣形象的背后,隱藏著勞動人民對利用自然通風技術的樸素觀念。自然通風是一種具有很大潛力的通風方式,是人類歷史上長期賴以調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境的原始手段。
空調(diào)的產(chǎn)生,使人們可以主動地控制居住環(huán)境,而不是象以往一樣被動地適應自然;空調(diào)的大量使用,使人們漸漸淡化了對自然通風的應用。而在空調(diào)技術得以普及的今天,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,全球的科學家不得不重新審視自然通風這一傳統(tǒng)技術。在這樣的背景下,把自然通風這種傳統(tǒng)建筑生態(tài)技術重新引回現(xiàn)代建筑中,有著比以往更為重要的意義。
1.自然通風的理論機理
通常意義上的自然通風指的是通過有目的的開口,產(chǎn)生空氣流動。這種流動直接受建筑外表面的壓力分布和不同開口特點的影響。壓力分布是動力,而各開口的特點則決定了流動阻力。就自然通風而言,建筑物內(nèi)空氣運動主要有兩個原因:風壓以及室內(nèi)外空氣密度差。這兩種因素可以單獨起作用,也可以共同起作用。
1.1風壓作用下的自然通風
風的形成是由于大氣中的壓力差。如果風在通道上遇到了障礙物,如樹和建筑物,就會產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)換。動壓力轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓力,于是迎風面上產(chǎn)生正壓(約為風速動壓力的0.5-0.8倍),而背風面上產(chǎn)生負壓(約為風速動壓力的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面的窗縫和其他空隙流入室內(nèi),而室內(nèi)空氣則從背風面孔口排出,就形成了全面換氣的風壓自然通風。某一建筑物周圍風壓與該建筑的幾何形狀、建筑相對于風向的方位、風速和建筑周圍的自然地形有關。
1.2熱壓作用下的自然通風
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”。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,建筑物的上部將會有較高的壓力,而下部存在較低的壓力。當這些位置存在孔口時,空氣通過較低的開口進入,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開口處的高度差和室內(nèi)外的空氣密度差。而在實際中,建筑師們多采用煙囪、通風塔、天井中庭等形式,為自然通風的利用提供有利的條件,使得建筑物能夠具有良好的通風效果。
1.3風壓和熱壓共同作用下的自然通風
在實際建筑中的自然通風是風壓和熱壓共同作用的結(jié)果,只是各自的作用有強有弱。由于風壓受到天氣、室外風向、建筑物形狀、周圍環(huán)境等因素的影響,風壓與熱壓共同作用時并不是簡單的線性疊加。因此建筑師要充分考慮各種因素,使風壓和熱壓作用相互補充,密切配合使用,實現(xiàn)建筑物的有效自然通風。
1.4機械輔助式自然通風
在一些大型建筑中,由于通風路徑較長,流動阻力較大,,單純依靠自然風壓與熱壓往往不足以實現(xiàn)自然通風。而對于空氣污染和噪聲污染比較嚴重的城市,直接的自然通風還會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,常常采用一種機械輔助式的自然通風系統(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(如土壤預冷、預熱、深井水換熱等),并借助一定的機械方式加速室內(nèi)通風。
2.采用自然通風的的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益
自然通風是當今建筑普遍采取的一項改革建筑熱環(huán)境、節(jié)約空調(diào)能耗的技術,采用自然通風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至關重要的意義:一是實現(xiàn)有效被動式制冷,當室外空氣溫濕度較低時自然通風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),需要消耗能源進行降溫降濕處理,也可以利用自然通風輸送處理后的新風,而省去風機能耗,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),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�？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”。而自然通風可以排除室內(nèi)污濁的空氣,同時還有利于滿足人和大自然交往的心理需求。
3.建筑設計中自然通風的實現(xiàn)及實例分析
傳統(tǒng)建筑對自然通風有很多值得借鑒的方法,而在我們現(xiàn)代的建筑設計中積極地考慮自然通風,并注意與地域建筑的有效結(jié)合,對于自然通風的合理利用、節(jié)約能源具有現(xiàn)實意義。
3.1建筑體型與建筑群的布局的設計
建筑群的布局對自然通風的影響效果很大�？紤]單體建筑得熱與防止太陽過度輻射的同時,應該盡量使建筑的法線與夏季主導風向一致;然而對于建筑群體,若風沿著法線吹向建筑,會在背風面形成很大的漩渦區(qū),對后排建筑的通風不利。在建筑設計中要綜合考慮這兩方面的利弊,根據(jù)風向投射角(風向與房屋外墻面法線的夾角)對室內(nèi)風速的影響來決定合理的建筑間距,同時也可以結(jié)合建筑群體布局的改變以達到縮小間距的目的。由于前幢建筑對后幢建筑通風的影響,因此在單體設計中還應該結(jié)合總體的情況對建筑的體型,包括高度、進深、面寬乃至形狀等實行一定的控制。
3.2維護結(jié)構(gòu)開口的設計
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計,直接影響著建筑物內(nèi)部的空氣流動以及通風效果。根據(jù)測定,當開口寬度為開間寬度的1/3~2/3時,開口大小為地板總面積的15%-25%時,通風效果最佳。開口的相對位置對氣流路線起著決定作用。進風口與出風口宜相對錯開布置,這樣可以使氣流在室內(nèi)改變方向,使室內(nèi)氣流更均勻,通風效果更好。
3.3注重“穿堂風”的組織
“穿堂風”是自然通風中效果最好的方式。所謂“穿堂風”是指風從建筑迎風面的進風口吹人室內(nèi),穿過房間,從背風面的出風口流出。顯然進風口和出風口之間的風壓差越大,房屋內(nèi)部空氣流動阻力越小,通風越流暢。此時房屋在通風方向的進深不能太大,否則就會通風不暢。
3.4在建筑設計中形成豎井空間,來加速氣流流動,實現(xiàn)自然通風。
在建筑設計中豎井空間主要形式有:
(1)純開放空間——目前,大量的建筑中設計有中庭,主要是平面過大的建筑出于采光的考慮。從另外一個方面考慮,我們可利用建筑中庭內(nèi)的熱壓形成自然通風。由福斯特主持設計的法蘭克福商業(yè)銀行就是一個利用中庭進行自然通風的成功案例。在這一案例中,設計者利用計算機模擬和風洞試驗,對60層高的中庭空間的通風進行分析研究。為了避免中庭內(nèi)部過大的紊流,每12層作為一個獨立的單元,各自利用熱壓實現(xiàn)自然通風,取得良好的效果。
(2)“煙囪”空間,又叫風塔——由垂直豎井和幾個風口組成,在房間的排風口末端安裝太陽能空氣加熱器以對從風塔頂部進入的空氣產(chǎn)生抽吸作用。該系統(tǒng)類似于風管供風系統(tǒng)。風塔由垂直豎井和風斗組成。在通風不暢的地區(qū),可以利用高出屋面的風斗,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。風斗的開口應該朝向主導風向。在主導風向不固定的地區(qū),則可以設計多個朝向的風斗,或者設計成可以隨風向轉(zhuǎn)動。例如在英國貝丁頓零能耗發(fā)展項目中,設計了可以隨風向轉(zhuǎn)動的風斗,配合其他措施,利用自然風壓實現(xiàn)了建筑內(nèi)部的通風。
3.5屋頂?shù)淖匀煌L
通風隔熱屋面通常有以下兩種方式:1)在結(jié)構(gòu)層上部設置架空隔熱層。這種做法把通風層設置在屋面結(jié)構(gòu)層上,利用中間的空氣間層帶走熱量,達到屋面降溫的目的,另外架空板還保護了屋面防水層。2)利用坡屋頂自身結(jié)構(gòu),在結(jié)構(gòu)層中間設置通風隔熱層,也可得到較好的隔熱效果。
b.被動式自然通風實施效果一
c.被動式自然通風實施效果二
a.自然通風原理示意
在云南省永仁縣異地扶貧搬遷規(guī)劃設計實施工程中,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,但是室內(nèi)風速則相對較小。因后墻及山墻均無窗戶,所以室內(nèi)通風不是很好。新搬來的住戶對室內(nèi)的熱環(huán)境都表現(xiàn)出很大的不滿。因此,改進建筑的通風效果是克服民居缺陷的主要途徑。在新農(nóng)居的設計中,二層樓的前部采用窗加百頁的構(gòu)造,后部加設可開啟的窗戶,以保證二層堆放農(nóng)作物的自然晾干功能。針對夏季的炎熱氣候,加大了挑檐設計,精心做了堂屋、臥室與閣樓的通風設計,通過簡單的構(gòu)造措施,對民居的熱環(huán)境做了積極的改進與引導(圖a,b,c)。在該工程中,有效的將傳統(tǒng)的自然通風這一綠色適宜技術用于對傳統(tǒng)民居的更新,既滿足了經(jīng)濟的要求,又符合了生態(tài)的效益。
3.6雙層玻璃幕墻維護結(jié)構(gòu)
雙層(或三層)幕墻是當今生態(tài)建筑中所普遍采用的一項先進技術,被譽為“會呼吸的皮膚”,它由內(nèi)外兩道幕墻組成。其通風原理是在兩層玻璃幕墻之間留一個空腔,空腔的兩端有可以控制的進風口和出風口。在冬季,關閉進出風口,雙層玻璃之間形成一個“陽光溫室”,提高圍護結(jié)構(gòu)表面的溫度;夏季,打開進出風口,利用“煙囪效應”在空腔內(nèi)部實現(xiàn)自然通風,使玻璃之間的熱空氣不斷的被排走,達到降溫的目的。為了更好地實現(xiàn)隔熱,通道內(nèi)一般設置有可調(diào)節(jié)的深色百葉。雙層玻璃幕墻在保持外形輕盈的同時,能夠很好地解決高層建筑中過高的風壓和熱壓帶來的風速過大造成的紊流不易控制的問題,能解決夜間開窗通風而無需擔心安全問題,可加強圍護結(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,雙層通風幕墻由于換氣層的作用,比單層幕墻在采暖時節(jié)約能源42%-52%,在制冷時節(jié)約能源38%-60%,是解決建筑節(jié)能的一個新的方向。
3.7太陽能強化自然通風
太陽能強化自然通風,充分利用了太陽能這一可持續(xù)能源轉(zhuǎn)化為動力進行通風。太陽能強化自然通風的建筑結(jié)構(gòu)主要有:屋面太陽能煙囪、Trombe墻和太陽能空氣集熱器。以上三種結(jié)構(gòu)可以單獨設置來強化通風,但是,為了在夏季達到更好的冷卻效果,通常將這些做法與其他建筑結(jié)構(gòu)組合成一個有組織的自然通風系統(tǒng)。
4.結(jié)語
通風是建筑的最基本功能之一,是一個古老而常新的話題。降低建筑能耗,使建筑的人工環(huán)境與自然環(huán)境達到動態(tài)的平衡,將是建筑在滿足了基本的使用功能和美學要求后應追求的更高目標。
我們現(xiàn)在的建筑設計中,尤其是一些建筑的更新如新民居的設計,不僅要關注自然通風技術,更要注意把這一傳統(tǒng)的技術與當?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,體現(xiàn)“氣候決定建筑”的設計理念。
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