淺談建筑中的自然通風(fēng)和住宅建筑設(shè)計

董海濤　董海波

摘 要:在建筑設(shè)計中通過引入自然風(fēng)方式加強人與自然的聯(lián)系,提高人們的生活質(zhì)量和環(huán)境質(zhì)量,降低能源消耗,并使人類與自然相近、相親、相融。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)濟效益和環(huán)境效益

關(guān)鍵詞:自然通風(fēng);住宅建筑

隨著空調(diào)技術(shù)的不斷發(fā)展,人們越來越能主動的控制室內(nèi)環(huán)境,創(chuàng)造前所未有的室內(nèi)舒適氣候要求,從而使人們逐漸淡化對自然通風(fēng)這種氣候適宜性技術(shù)的應(yīng)用。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)技術(shù)的原理

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。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(fēng)而言,建筑物內(nèi)空氣運動主要有兩個原因: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,就會產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)換。動壓力轉(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,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(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(fēng)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(fēng)。

1.4 機械輔助式自然通風(fēng)。在一些大型建筑中,由于通風(fēng)路徑較長,流動阻力較大,,單純依靠自然風(fēng)壓與熱壓往往不足以實現(xiàn)自然通風(fēng)。而對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(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),并借助一定的機械方式加速室內(nèi)通風(fēng)。

2 自然通風(fēng)技術(shù)的優(yōu)勢

自然通風(fēng)是當(dāng)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(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至關(guān)重要的意義:一是實現(xiàn)有效被動式制冷,當(dāng)室外空氣溫濕度較低時自然通風(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(fēng)輸送處理后的新風(fēng),而省去風(fēng)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(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,同時還有利于滿足人和大自然交往的心理需求。

3 自然通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計中的限制性條件

自然通風(fēng)技術(shù)作為一種免費的技術(shù),它的應(yīng)用必然受到環(huán)境的限制。對于室外環(huán)境溫、濕度比較溫和的地區(qū)(如英國),該技術(shù)的應(yīng)用非常成熟,下面基于他們的應(yīng)用經(jīng)驗,介紹有關(guān)自然通風(fēng)技術(shù)應(yīng)用的限制性條件。

3.1 室內(nèi)得熱量的限制。應(yīng)用自然通風(fēng)的前提是室外空氣溫度比室內(nèi)低,通過室內(nèi)空氣的通風(fēng)換氣,將室外風(fēng)引入室內(nèi),降低室內(nèi)空氣的溫度。很顯然,室內(nèi)、外空氣溫差越大,通風(fēng)降溫的效果越好。對于一般的依靠空調(diào)系統(tǒng)降溫的建筑而言,應(yīng)用自然通風(fēng)系統(tǒng)可以在適當(dāng)時間降低空調(diào)運行負(fù)荷,典型的如空調(diào)系統(tǒng)在過渡季節(jié)的全新風(fēng)運行。對于完全依靠自然通風(fēng)系統(tǒng)進行降溫的建筑,其使用效果則取決于很多因素,建筑的得熱量是其中的一個重要因素,得熱量越大,通過降溫達到室內(nèi)舒適要求的可能性越小?，F(xiàn)在的研究結(jié)果表明,完全依靠自然通風(fēng)降溫的建筑,其室內(nèi)的得熱量最好不要超過40W/m2。

3.2 建筑環(huán)境的要求。應(yīng)用自然通風(fēng)降溫措施后,建筑室內(nèi)環(huán)境在很大程度上依靠室外環(huán)境進行調(diào)節(jié),除了空氣的溫、濕度參數(shù)外,室內(nèi)的空氣品質(zhì)和噪音控制也將被室外環(huán)境所破壞。根據(jù)目前的一些標(biāo)準(zhǔn)要求,采用自然通風(fēng)的建筑,其建筑外的噪音不應(yīng)該超過70dB;尤其在窗戶開啟的時候,應(yīng)該保證室內(nèi)周邊地帶的噪音不超過55dB。同時,自然通風(fēng)進風(fēng)口的室外空氣質(zhì)量應(yīng)該滿足有關(guān)衛(wèi)生要求。

4 建筑條件的限制

應(yīng)用自然通風(fēng)的建筑,在建筑設(shè)計上應(yīng)該參考以上兩點要求,充分發(fā)揮自然通風(fēng)的優(yōu)勢。

4.1 建筑位置。周圍是否有交通干道、鐵路等一般認(rèn)為,建筑的立面應(yīng)該離開交通干道20米,以避免進風(fēng)空氣的污染或噪音干擾;或者,在設(shè)計通風(fēng)系統(tǒng)時,將靠近交通干道的地方作為通風(fēng)的排風(fēng)側(cè)。地區(qū)的主導(dǎo)風(fēng)向與風(fēng)速根據(jù)當(dāng)?shù)氐闹鲗?dǎo)風(fēng)向與風(fēng)速確定自然通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計,特別注意建筑是否處于周圍污染空氣的下游。周圍環(huán)境由于城市環(huán)境與鄉(xiāng)村環(huán)境不同,對建筑通風(fēng)系統(tǒng)的影響也不同,特別是建筑周圍的其它建筑或障礙物將影響建筑周圍的風(fēng)向和風(fēng)速、采光和噪音等。

4.2 建筑形狀。形狀建筑的寬度直接影響自然通風(fēng)的形式和效果。建筑寬度不超過10米的建筑可以使用單側(cè)通風(fēng)方法;寬度不超過15米的建筑可以使用雙側(cè)通風(fēng)方法;否則,將需要其它輔助措施,例如煙囪結(jié)構(gòu)或機械通風(fēng)與自然通風(fēng)的混合模式等。建筑朝向為了充分利用風(fēng)壓作用,系統(tǒng)的進風(fēng)口應(yīng)該面對建筑周圍的主導(dǎo)風(fēng)向。同時建筑的朝向還涉及減少得熱措施的選擇。開窗面積系統(tǒng)進風(fēng)側(cè)外墻的窗墻比應(yīng)該兼顧自然采光和日射得熱的控制,一般為30%-50%。建筑結(jié)構(gòu)形式建筑結(jié)構(gòu)可以是輕型、中型或重型結(jié)構(gòu)。對于中型或重型結(jié)構(gòu),由于其熱惰性比較大,可以結(jié)合晚間通風(fēng)等技術(shù)措施改善自然通風(fēng)系統(tǒng)的運行效果。

5 自然通風(fēng)在住宅設(shè)計中的運用

影響自然通風(fēng)的因素對于建筑本身而言,有建筑物的高度、進深、長度和迎風(fēng)方位;對于建筑群體而言,有建筑的間距、排列組合方式和建筑群體的迎風(fēng)方位;對于住宅區(qū)規(guī)劃而言,有住宅區(qū)的合理選址以及住宅區(qū)道路、綠地、水面的合理布局等,以便達到最佳的通風(fēng)效果。以下就幾方面加以說明。

5.1 建筑物的朝向。要確定建筑物的朝向,不但要了解當(dāng)?shù)厝照樟枯^多的方向,還要了解當(dāng)?shù)仫L(fēng)的相關(guān)特性,包括冬季和夏季主導(dǎo)風(fēng)的方向、速度以及風(fēng)的溫度。每一個地區(qū)有自己風(fēng)的特點,由于建筑物迎風(fēng)面最大的壓力是在與風(fēng)向垂直的面上,因此,在選擇建筑物朝向時,應(yīng)盡量使建筑主立面朝向夏季主導(dǎo)風(fēng)向,而側(cè)立面對著冬季主導(dǎo)風(fēng)向;南向是太陽輻射量最多的方向,加之我國大部分地區(qū)夏季主導(dǎo)風(fēng)向都是南或南偏東,故無論從改善夏季自然通風(fēng)、調(diào)節(jié)房間熱環(huán)境,還是從減少冬季、夏季的房間采暖空調(diào)負(fù)荷的角度來講,南向都是建筑物朝向最好的選擇。而且選擇南向這樣的朝向也有利于避免東、西曬,兩者都可以兼顧。對于那些朝向不夠理想的建筑,就應(yīng)采取有效措施妥善解決上述兩方面問題。

5.2 建筑物的間距。建筑物南北向日照間距較小時,前排建筑遮擋后排建筑,風(fēng)壓小,通風(fēng)效果差;反之,建筑日照間距較大時,后排建筑的風(fēng)壓較強,自然通風(fēng)效果愈好。所以在住宅組團設(shè)計中,加大部分住宅樓的間距,形成組團綠地,對改善綠地下風(fēng)側(cè)住宅的自然通風(fēng),有較好的效果,同時還能為人們提供良好的休息和交流的場所。同時在條件許可的時候,盡量加大山墻的間距。因為室外氣流吹過呈行列式布局的建筑群時,在建筑物的山墻之間將形成一條空氣射流。

結(jié)束語

綜上所述,能更好利用自然通風(fēng),更好的發(fā)揮其經(jīng)濟效益和環(huán)境效益,起到節(jié)能減排的作用,自然通風(fēng)這種廉價、健康的通風(fēng)方式將會越來越多地被利用。