“煙囪效應(yīng)”與建筑節(jié)能

孫　琳　趙思宇　朱成浩

(1．東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱　150040;2．北京市工程咨詢公司，北京　100000)

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“煙囪效應(yīng)”與建筑節(jié)能

孫琳1趙思宇2朱成浩1

(1．東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150040;2．北京市工程咨詢公司，北京100000)

摘要:闡明了煙囪效應(yīng)的通風(fēng)原理，介紹了煙囪效應(yīng)在建筑中的表現(xiàn)形式，從傳統(tǒng)天井、新型通風(fēng)塔、生態(tài)中庭等方面著手，探討了煙囪效應(yīng)在建筑中的節(jié)能利用方式，為現(xiàn)代建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)提供了新思路。

關(guān)鍵詞:煙囪效應(yīng)，建筑節(jié)能，天井，通風(fēng)塔，中庭

“煙囪效應(yīng)”是指戶內(nèi)空氣沿著有垂直坡度的空間向上升或下降，造成空氣加強(qiáng)對(duì)流的現(xiàn)象。在有共享中庭、豎向通風(fēng)(排煙)風(fēng)道、樓梯間等具有類似煙囪特征，即從底部到頂部具有通暢的流通空間的建筑物、構(gòu)筑物(如水塔)中，空氣(包括煙氣)靠密度差的作用，沿著通道很快進(jìn)行擴(kuò)散或排出建筑物的現(xiàn)象，即為煙囪效應(yīng)［1］。首先關(guān)注一下現(xiàn)代建筑里的一些熱現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)這些熱現(xiàn)象的解釋，來(lái)引出“煙囪效應(yīng)”和建筑節(jié)能的關(guān)系。

1　通風(fēng)原理及思考

關(guān)于宿舍樓我相信北方的學(xué)生普遍有這樣的感受，炎熱的夏季宿舍悶熱無(wú)比。大部分宿舍樓都是內(nèi)走廊式兩側(cè)布置房間，即使兩個(gè)相對(duì)的宿舍打開門窗也無(wú)法達(dá)到良好的通風(fēng)效果。同樣冬季開學(xué)之初，樓內(nèi)溫度無(wú)法在開學(xué)時(shí)快速升溫。了解宿舍建筑開窗無(wú)法完成通風(fēng)換氣的原因，并利用室內(nèi)外形成的溫差，通過(guò)熱物理學(xué)來(lái)對(duì)宿舍樓進(jìn)行自然降溫或升溫，將會(huì)給建筑節(jié)能帶來(lái)極大的方便。

了解這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，就要先了解一種常見的建筑通風(fēng)方式，再結(jié)合現(xiàn)象分析宿舍樓建筑內(nèi)外環(huán)境為何無(wú)法進(jìn)行合理的循環(huán)。

1．1“煙囪效應(yīng)”原理

所謂煙囪效應(yīng)就是指建筑內(nèi)的熱壓通風(fēng)，其原理為當(dāng)室內(nèi)溫度高于室外時(shí)，熱空氣(密度小)上升(見圖1a))，從建筑上部風(fēng)口排出，冷空氣(密度大)從建筑底部吸入。當(dāng)室內(nèi)溫度低于室外時(shí)，位置互換(見圖1b))，氣流方向也互換。

圖1　煙囪效應(yīng)原理

煙囪效應(yīng)的形成同樣需要兩個(gè)條件:1)室內(nèi)外溫差是首要條件;2)保證建筑上下部進(jìn)出風(fēng)口換氣通暢。對(duì)于宿舍樓來(lái)說(shuō)，每個(gè)獨(dú)立且密封的宿舍單元無(wú)法形成宿舍樓的上下通風(fēng)，也就無(wú)法完成熱壓通風(fēng)。

1．2原理思考

通風(fēng)換氣的原理解釋了宿舍樓無(wú)法進(jìn)行良好通風(fēng)換氣的現(xiàn)象，是否可以通過(guò)建筑設(shè)計(jì)來(lái)改善建筑通風(fēng)效果，從而提高建筑內(nèi)環(huán)境質(zhì)量，可能是宿舍樓建造多考慮成本問(wèn)題而不重視這種調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計(jì)和裝配，但是這種原理可以合理運(yùn)用到現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)中，以減少人造通風(fēng)以及人工降溫或升溫的措施，有助于建筑節(jié)能，實(shí)現(xiàn)綠色建筑的目標(biāo)。

無(wú)論是古代中國(guó)還是現(xiàn)代西方城市，人們通過(guò)利用“煙囪效應(yīng)”的原理，在住宅中建造“天井”“通風(fēng)塔”“生態(tài)中庭”等，用來(lái)抵御自然惡劣氣候、改善室內(nèi)環(huán)境。我們可以通過(guò)了解我國(guó)南北方以及西方現(xiàn)代建筑對(duì)于“煙囪效應(yīng)”原理的利用，以及現(xiàn)代綠色建筑對(duì)這一原理延續(xù)的成功利用，來(lái)指導(dǎo)我們進(jìn)行綠色建筑設(shè)計(jì)以及舊建筑的節(jié)能改造。

2　“煙囪效應(yīng)”在建筑中的表現(xiàn)形式

2．1傳統(tǒng)民居天井

在我國(guó)南方地區(qū)民居中天井是人們長(zhǎng)期以來(lái)應(yīng)對(duì)濕熱天氣而形成的建筑形式，尤其是嶺南民居天井的利用較為普遍，天井面積通常不大，寬度相當(dāng)于正間中央開間，而長(zhǎng)只有廂房開間大小，小天井只有4 m×1．5 m，加上四面房屋挑出的屋檐，天井真正露天部分有時(shí)只剩下一條縫(見圖2)［2］。窄而高的天井形成了類似煙囪的造型，有利于煙囪效應(yīng)的產(chǎn)生，同時(shí)狹小的天井避免了房屋遭受太陽(yáng)的暴曬，使住宅陰涼，有良好的通風(fēng)。

亞熱帶以及熱帶的濕熱氣候環(huán)境下，即便是嶺南地區(qū)的天井式建筑也無(wú)法滿足較好的通風(fēng)狀態(tài)，因?yàn)槭覂?nèi)外溫差較小。所以這個(gè)地區(qū)出現(xiàn)了干欄民居，即以柱子將建筑物架高，把人生活空間提升至高處的風(fēng)場(chǎng)之中，爭(zhēng)取最大的蒸發(fā)冷卻與干燥除濕效果。實(shí)際上這種通過(guò)抬高建筑垂直高度的手法也可以理解為增加建筑天井高度的方式。

2．2通風(fēng)塔

在北方寒冷氣候，建筑必須在保證氣密性與保溫性的基礎(chǔ)上進(jìn)行建筑通風(fēng)換氣，所以不能直接使用開放式天井來(lái)通風(fēng)，這就有了與天井類似作用的煙囪或者壁爐，通過(guò)煙囪的燃燒造成溫度上升，從而引起建筑內(nèi)部空氣流動(dòng)。因此北方建筑通常會(huì)出現(xiàn)高大的煙囪，形成了北方的“煙囪文化”。例如英國(guó)國(guó)會(huì)議事堂就是通過(guò)瓦斯燈燃燒來(lái)升高出風(fēng)口溫度，形成建筑內(nèi)部通風(fēng)換氣(見圖3)。

圖2　天井

圖3　通風(fēng)塔

2．3生態(tài)中庭

隨著建筑技術(shù)的發(fā)展，建筑的體量在不斷的增加，傳統(tǒng)的院落式建筑在現(xiàn)代建筑中逐漸消失。人們開始以反璞歸真的心態(tài)去尋找失落的庭院文化，在多次嘗試之后庭院重新被引入現(xiàn)代建筑中，就是現(xiàn)在人們所熟悉的“中庭”。中庭不僅僅可以作為一種有趣的建筑空間，它的形態(tài)類似于天井和通風(fēng)塔，所以它可以承擔(dān)起自然采光和自然通風(fēng)的作用。中庭容易收集太陽(yáng)能，使空氣升溫，天窗可以開口形成煙囪效應(yīng)，它比起需要燃燒來(lái)升溫的通風(fēng)塔更加的節(jié)能與環(huán)?！，F(xiàn)代建筑中催生了生態(tài)中庭的建設(shè)。

英國(guó)萊斯特市的德蒙福特大學(xué)工程與制造學(xué)院的機(jī)械工程大樓(見圖4)，是利用中庭通風(fēng)的經(jīng)典之作。大樓的中央演講廳由于進(jìn)深比較大，且有一面開窗，這是專門為了利用煙囪效應(yīng)來(lái)達(dá)成風(fēng)壓通風(fēng)的設(shè)計(jì)。該建筑風(fēng)壓通風(fēng)的入風(fēng)口設(shè)在一樓的教室以及二樓的演講廳之間，并于屋頂煙囪的出風(fēng)口排出［3］。解釋如下:在夏天當(dāng)內(nèi)部聽眾較多而造成室內(nèi)溫度升高時(shí)，進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口便會(huì)自動(dòng)開啟，若是有較大風(fēng)雨時(shí)，其開口也會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。如果內(nèi)部的溫度低于外部，則入風(fēng)口會(huì)依據(jù)二氧化碳濃度來(lái)開啟微小角度，以引進(jìn)新鮮外部空氣，維持換氣量。在夏天晚上也會(huì)自動(dòng)引入外氣，以冷卻白天高溫的結(jié)構(gòu)體，但是當(dāng)達(dá)到一定設(shè)定溫度17℃時(shí)，便停止引進(jìn)外氣［4］。冬天夜晚或內(nèi)部不使用時(shí)則出入風(fēng)口皆關(guān)閉以減少熱損失。

圖4　德蒙福特大學(xué)機(jī)械工程大樓剖面圖

挖掘中庭的節(jié)能潛力，利用中庭空間具有的緩沖效應(yīng)，充分利用自然采光和煙囪效應(yīng)促進(jìn)空間的通風(fēng)和被動(dòng)降溫，這是生態(tài)中庭改造的目標(biāo)。

3　“煙囪效應(yīng)”在建筑節(jié)能中的利用

通過(guò)宿舍樓不適宜的溫度問(wèn)題引出了對(duì)建筑通風(fēng)透氣的思考，即“煙囪效應(yīng)”這一通風(fēng)原理。每個(gè)地區(qū)的建筑都是經(jīng)受住了長(zhǎng)期自然環(huán)境的考驗(yàn)而存留下來(lái)的，它們結(jié)構(gòu)的存在有其必然性?，F(xiàn)代建筑依靠先進(jìn)技術(shù)和先進(jìn)材料而建造的尺度形態(tài)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)僅依靠人力所能達(dá)到的高度，然而依靠技術(shù)和想象建設(shè)的建筑缺乏與自然的協(xié)調(diào)，必然是以消耗大量的能源來(lái)保持其舒適的空間。天井、通風(fēng)塔和中庭是這些建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的發(fā)展延伸，可以為現(xiàn)代建筑節(jié)能提供新的途徑，這就是“煙囪效應(yīng)”新的利用。

3．1傳統(tǒng)天井的節(jié)能利用

傳統(tǒng)建筑雖然形態(tài)單一，但并不代表不能實(shí)現(xiàn)良好通風(fēng)透氣的目的，結(jié)合天井的形態(tài)可以利用建筑樓梯間管線通道等豎向通道構(gòu)成類似天井的通風(fēng)通道，這樣既可以滿足建筑通風(fēng)，又不必單獨(dú)建造通風(fēng)井等設(shè)施，實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的目標(biāo)。

3．2新型通風(fēng)塔的節(jié)能利用

自然通風(fēng)有無(wú)污染，低能耗等優(yōu)點(diǎn)，通風(fēng)塔利用“煙囪效應(yīng)”的原理實(shí)現(xiàn)了自然通風(fēng)。隨著建筑科技的進(jìn)步，針對(duì)礦井，利用太陽(yáng)能作為輔助能源，對(duì)礦井中的通風(fēng)塔進(jìn)行加熱，形成進(jìn)、出礦井的空氣壓力，從而形成空氣流，達(dá)到自然通風(fēng)的效果，減少礦井內(nèi)通風(fēng)機(jī)的使用效率，節(jié)約能源?，F(xiàn)在國(guó)家對(duì)勞動(dòng)工作者的工作環(huán)境十分關(guān)注，提升礦井人員的工作環(huán)境成為了非常重要的任務(wù)，新型通風(fēng)塔利用太陽(yáng)能作為輔助能源實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)，不僅可以節(jié)約能源，而且也為采礦者提供了一個(gè)舒適的工作環(huán)境。

3．3中庭設(shè)計(jì)中的節(jié)能利用

現(xiàn)代建筑形態(tài)復(fù)雜，傳統(tǒng)天井已經(jīng)不能滿足人們的需要。中庭出現(xiàn)的初衷是生活在現(xiàn)代建筑中人們對(duì)自然院落的向往，但是不能僅僅是一個(gè)透明材質(zhì)的屋頂構(gòu)成一個(gè)中庭空間，應(yīng)當(dāng)符合煙囪效應(yīng)通風(fēng)的原理，中庭的頂部空間結(jié)合設(shè)置進(jìn)出風(fēng)口，實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)，也起到了節(jié)能的作用。

在實(shí)際建設(shè)時(shí)，根據(jù)當(dāng)?shù)厝照诊L(fēng)向合理布置中庭在建筑中所處的位置，由于中庭多為通透性頂棚，不得不考慮日照問(wèn)題，北方地區(qū)需要充足日照應(yīng)當(dāng)考慮將中庭布置于建筑南側(cè)，而南方地區(qū)則相反［5］。中庭與建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)通風(fēng)形成系統(tǒng)，僅靠中庭無(wú)法完成整個(gè)通風(fēng)過(guò)程，應(yīng)當(dāng)合理設(shè)置建筑入口門窗等通風(fēng)設(shè)施，保證通風(fēng)流暢，這樣才能真正起到建筑節(jié)能的作用。

4　結(jié)語(yǔ)

盡管現(xiàn)代技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)人們對(duì)建筑的種種暢想，但是不能一味的依靠技術(shù)來(lái)解決建筑空間的環(huán)境問(wèn)題，能源危機(jī)使建筑節(jié)能越來(lái)越受重視。優(yōu)秀的傳統(tǒng)建筑利用最基本的通風(fēng)原理可以給我們帶來(lái)啟發(fā)，利用簡(jiǎn)單可行的技術(shù)實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的目標(biāo)。本文就是通過(guò)宿舍樓這種普遍不能提供良好室內(nèi)環(huán)境的現(xiàn)象，引發(fā)對(duì)建筑通風(fēng)原理的思考，進(jìn)而通過(guò)傳統(tǒng)和現(xiàn)代建筑中對(duì)“煙囪效應(yīng)”的合理利用的例子來(lái)推測(cè)現(xiàn)代建筑如何合理通風(fēng)透氣。

參考文獻(xiàn):

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［5］石紅蓉．建筑中庭的聲環(huán)境及其控制研究［D］．濟(jì)南:山東建筑大學(xué)，2007．

·園林·綠化·

The“chimney effect”and building energy conservation

Sun Lin1Zhao Siyu2Zhu Chenghao1
(1．Civil Engineering College，Northeast Forestry University，Harbin 150040，China; 2．Beijing Engineering Consulting Company，Beijing 100000，China)

Abstract:This paper clarified the ventilation principle of chimney effect，introduced the manifestation of chimney effect in construction，from the traditional patio，new ventilation tower，ecological atrium and other aspects，discussed the energy conservation and utilization methods of chimney effect in construction，provided new thinking way for modern building energy conservation design．

Key words:chimney effect，building energy conservation，patio，ventilation tower，atrium

作者簡(jiǎn)介:孫琳(1994-)，女，在讀本科生;趙思宇(1989-)，女，碩士;朱成浩(1996-)，男，在讀本科生

收稿日期:2015-10-22

文章編號(hào):1009-6825(2016)01-0206-02

中圖分類號(hào):TU201．5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A