摘要：利用自然通风, 降低建筑能耗, 使建筑的人工环境与自然环境达到动态的平衡。本文探讨了建筑设计中的自然通风。 关键词：建筑设计；自然通风；机理 Abstract: the use of natural ventilation, reduce the energy consumption and the construction of artificial environment and natural environment to a dynamic balance. This paper discusses the design of the building natural ventilation.
Keywords: architectural design; Natural ventilation; mechanism
中图分类号： TU2 文献标识码：A 文章编号：
建筑通风的目的, 是提供人们呼吸用的新鲜空气或在夏季降低室内温度。自然通风的建筑, 可以降低空调耗电量, 进而降低生产这些电能的不可再生资源的消耗量和 CO2 向大气的排放量; 对人体而言, 自然通风可减少“空调病” 和各种通过空气传播的疾病的发病率。在这样的背景下, 把自然通风这种传统建筑生态技术, 重新引回现代建筑中, 有着比以往更为重要的意义。
一、自然通风的机理
1、利用风压实现自然通风
所谓风压，是指空气流受到阻挡时产生的静压。当风吹向建筑物正面时候，受到建筑物表面的阻挡而在迎风面上静压增高，产生正压区，气流再向上偏转，同时绕过建筑物各侧面及背面，在这些面上产生局部涡流，静压降低，形成负压差，风压就是利用建筑迎风面和背风面的压力差，室内外空气在这个压力差的作用下由压力高的一侧向压力低的一侧流动。而这个压力差与建筑形式、建筑与风的夹角以及周围建筑布局等因素相关。当风垂直吹向建筑正面时，迎风面中心处正压最大，在屋角及屋脊处负压最大。在迎风面上的风压为自由风速动压力的0. 5-0. 8 倍，而在背风面上，负压为自由风速动压力的0. 3 -0. 4 倍。风对建筑物产生的作用力可以分解成一个水平的阻力和一个垂直的升力，对风压的利用往往是利用水平方向阻力来设计和组织通风的。垂直方向的力会产生伯努力效应（Bernoulli effect ）。例如进风面的斜屋顶，会形成巨大的抽吸力，这种形式的屋顶起到兜风的作用。如位于巴基斯坦的传统建筑屋顶的招风斗（见图1 、图2 ），设置的越高，风速越大，建筑物的影响就越小，兜风效果越显著，同时形成了典型的民族地方特色。
图1 巴基斯坦传统民居外观
图2 巴基斯坦传统屋顶通风原理
2、利用热压实现自然通风
烟囱使室内的烟不用机械方式而有组织的排出室外，大大改善了室内空气质量，这就是常说的“烟囱效应”（Chi mney effect ）。所谓热压通风，就是利用该原理，根据建筑内部由于空气密度不同，热空气趋向于上升，而冷空气则趋向于下降的特点，促进自然通风。热压作用于进风和出风的风口高度差，以及室内外空气温度差存在着密切的关系：高度差愈大，温度差愈大，则热压通风效果愈明显。应用烟囱效应拔风的优秀范例有很多，传统的如蒙古包的“天窗”拔风。应用烟囱效应的现代建筑包括德国RWe大厦、英国新国会大厦、英国Demontf ort 大学的Gueen’sBuildi ng 等。同时，热压通风还存在一种“漏斗效应”。根据热力学第二定律，热量由高温传向低温一侧，那么在漏斗空间中的热量传导也符合从下部传向上部的规律，即漏斗作用将会对热空气的上升起到推波助澜的效果，有效的加剧热量的上升扩散。尼肯•塞克（Ni kken sekkei ）设计的日本Matsushita 电子公司的信息传播中心大厦中，建筑沿南北方向进深层层退台，内部配置了一个梯形状倾斜的中庭（见图3 ）。新鲜空气通过中庭下部的窗户进入过滤器后，再散发到室内。从窗户下吸入的冷空气可以冷却整个结构体系，以减少整个建筑空调系统的负荷。办公空间可以向中庭完全开放，在需要的时候亦可以通过卷帘部分或全部围合起来。就算在室外无风的情况下，梯形中庭的漏斗效应也可保证吸入足够的空气。这种中庭的形式在促进热量散失的同时，塑造了雕塑和构成般的效果（见图4 ）。
图3 梯形中庭通风示意
图4 梯形中庭室内效果
3、利用热压与风压实现自然通风
建筑中的自然通风往往是热压与风压共同作用的结果，只是各自作用的程度不同，对建筑物整体自然通风的贡献不同。热压作用相对稳定，烟囱效应拔风的产生条件较容易实现；而风压作用常常受到大气环流、地方风、建筑形状、周围环境等因素的影响，具有不稳定性。所以，当风压与热压同时作用的时候，还可能出现减弱通风效果的情况。当风向与热压作用的流线方向相同时，会相互促进；反之，则会相互阻碍，从而影响自然通风的效果。
在英国沃特福德的外部郊区有一座办公建筑，是建筑研究组织（BRE，Buildi ng Research Establishment）有关环境研究的一个实验产品，为这个尺度适中的办公建筑精心设计了一套能源系统。南侧立面上设置了五个高耸的风塔，表面闪闪发亮，可以吸收太阳能转化为电能，以驱动内部的低压风扇，在闷热的天气条件下以增强风塔的抽风效能（见图5 ）。在气候温和的季节里，建筑则打开窗户来通风。南侧的窗户上还装有可调角度的遮阳板，防止吸收过多的太阳辐射。
图5 风塔通风示意图
二、自然通风在建筑中的应用
1、总平面布局
组织利用好穿堂风, 是获得房间良好自然通风的主要途径。为达到这一目的, 在建筑总平面布局中, 应综合考虑建筑朝向、间距及建筑群的布局。具体言之, 建筑群的平面布局宜采用错列式和斜列式, 使各单体建筑均能获得良好的通风; 为争取房间的自然通风, 应使房间的纵轴尽量垂直于夏季主导风向, 主要房间应布置在夏季的迎风面; 建筑的宽度直接影响自然通风的形式和效果。建筑宽度不超过 10m 的建筑, 可以使用单侧通风方法; 宽度不超过 15m的建筑, 可以使用双侧通风方法。
2、利用建筑高度及门窗位置组织通风
较大的层高有助于利用室内热负荷形成的热压, 加强自然通风, 适当提高建筑高度或主要使用房间的层高, 可使热空气流动更加迅速, 使更多的新风进入室内, 有效降低室内温度和湿度。在炎热地区, 利用特殊的门窗构造如百叶窗、木板帘等, 可起到有效的通风降温作用。捕风窗是干热和暖湿地域的人们发明的一种构造形式, 它利用杆件支撑起高于建筑又迎向主导风向的片状构件,利用片状构件截住高于建筑的气流, 将风利用风道引入室内, 满足了普通窗户通风和保证室内空气流动的功能要求。
3、利用建筑平面组织通风
在建筑中引入自然空间的方式, 可有效地改善内部小气候, 营造舒适的生活环境。在我国, 建筑布局中经常出现的庭院, 则是引入自然空间的主要方式。庭院不但为建筑提供了采光通风的良好条件, 而且使建筑空间充满了诗情画意。庭院在现代建筑中依然被大量地运用, 它在建筑空间中不但起着通风采光的作用, 而且成为建筑空间的重要组成部分, 增强着建筑空间的表现力。阳光、植物、流水等自然要素被引入中庭, 引入了建筑内部, 内部空间被赋予了外部空间的特征, 成为人们喜欢逗留和举行各种活动的场所。
建筑中的庭院 (天井) 因其所具有的由于空气上下温度差异而造成由低处向高处运动的“烟囱效应”, 而被人们用来改善建筑内部的通风条件, 组织自然通风。它不但能显著改善建筑物的通风采光条件, 调节建筑物内部的小气候, 而且还能通过对自然资源的利用, 降低建筑物的能耗, 从而达到保护生态环境的目的。
相比之下, 中庭调节建筑内部小气候的作用更为显著, 它不但具有通风采光的作用, 而且还有采暖降温的功能。中庭含有 2种自然现象: “烟囱效应” 和 “温室效应”。在设置了机械供热、降温和通风等手段的前提下, 利用这 2种自然现象, 就能在很大程度上降低建筑能耗。现代的中庭在顶部大多安装有可调节的顶棚, 可根据需要来控制进入室内的光线强度和调节室内的换气量。由于所处的地区和气候的差异, 中庭的主要功能也不相同: 在寒冷的地区, 中庭起着暖房的作用; 在炎热的地区, 则用来通风降温;在温暖的地区, 则二者兼顾。
4、 利用建筑剖面组织通风
随着现代建筑技术的发展, 底层架空的建筑随之出现。许多建筑在设计中将底层全部或局部架空。架空部分往往被用来作绿化空间, 加以景观处理, 不仅为人们提供了良好的公共活动空间, 而且将气流从底层直接引入了建筑的中部, 从而加强了自然通风。“空中花园”是近年来在高层建筑中流行的一种手法, 建筑师每隔若干层, 将楼层平面的一部分设计成对外敞开的凹阳台形式, 辅以绿化景观处理, 宛如建在空中的花园, 它为高层建筑中的人们, 提供了与自然接触的活动空间, 同时, 将气流通过走廊引入建筑内部, 改善了室内通风。
对顶层房间而言, 屋顶在围护结构中所占比例最大。由于屋顶多采用混凝土结构,热惰性较大。混凝土白天吸热、夜晚散热,严重影响了房间的热舒适性。因此, 建筑师除采用屋面隔热的构造手法外, 为更好地控制屋面散热对室内的影响, 常常配以屋面架空隔热层的方法。屋面架空隔热层是在屋面上将轻质板状材料用支撑构件进行架空, 使轻质板状材料与屋面形成一个适当高度的空气间层。阳光辐射的热量被积聚在空气间层中, 被经过屋面的自然风带走, 最大程度地降低了屋面散热对室内的影响。
21世纪是环保的世纪, 是可持续发展的世纪。利用自然通风, 降低建筑能耗, 使建筑的人工环境与自然环境达到动态的平衡, 将是建筑在满足了基本的使用功能和美学要求后, 应追求的更高目标。
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