生態(tài)建筑中的可操控性自然通風(fēng)研究

劉昕宇 傅紅

摘要：在當(dāng)代建筑的使用中，大量自然資源、能源的投入消耗以及溫室氣體的排放是人們所關(guān)注的熱點問題。為實現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展，堅持以人為本的思想，生態(tài)建筑的探索已逐步達成共識。針對綠色建筑中被動式通風(fēng)手段進行探討研究，總結(jié)并提出關(guān)于自然通風(fēng)的可控制性方式方法。

關(guān)鍵詞：被動式節(jié)能;可操控性;自然通風(fēng);可變的體型系數(shù)

1被動式節(jié)能的意義

被動式節(jié)能，即在建筑的全生命周期內(nèi)不依靠建筑設(shè)備等技術(shù)手段，利用建筑的自身設(shè)計來達到節(jié)能效果。被動式節(jié)能具有深遠的意義，與主動式相比，更能體現(xiàn)綠色生態(tài)的內(nèi)涵。主動式手段則是將建筑與外界區(qū)分，利用先進的技術(shù)與設(shè)備而達到能源的節(jié)約。然而許多國內(nèi)的建筑采用的主動式節(jié)能手段反而產(chǎn)生了更昂貴的費用，在建筑的使用周期內(nèi)也尚未達到預(yù)期的效果。被動式節(jié)能更符合中國的國情，并且在中國傳統(tǒng)建筑中也能借鑒許多被動式方法，例如傳統(tǒng)建筑中天井的自然通風(fēng)等。立足國情，利用被動式節(jié)能的生態(tài)建筑也越來越受人們喜愛，并且也能產(chǎn)生獨有的特色。

2生態(tài)建筑的自然通風(fēng)

2.1風(fēng)壓作用下的自然通風(fēng)

風(fēng)壓作用即當(dāng)風(fēng)經(jīng)過建筑物的時候，因建筑物的遮擋使得建筑物迎風(fēng)面空氣受阻，靜壓高，而背風(fēng)面則產(chǎn)生渦流，靜壓降低。這樣便在迎風(fēng)面與背風(fēng)面之間形成壓力差，室內(nèi)外的空氣在這個壓力差的作用下由壓力高的一側(cè)向壓力低的一側(cè)流動，由此形成了風(fēng)壓作用下的自然通風(fēng)。

為充分利用風(fēng)壓進行自然通風(fēng)，建筑物通常垂直夏季主導(dǎo)風(fēng)方向布置，同時需適當(dāng)控制建筑進深。在建筑設(shè)計上，可適當(dāng)擴大開窗面積、洞口大小以及懸窗開啟角度。

2.2熱壓作用下的自然通風(fēng)

熱壓作用主要是由于室內(nèi)外溫差引起的，熱壓的大小由溫差與進、出風(fēng)口高度差決定的，這也是所謂的“煙囪效應(yīng)”。在建筑設(shè)計中，通常中庭的引入不僅是為人們提供交流的共享空間、提供天窗采光，也利用煙囪效應(yīng)充分實現(xiàn)自然通風(fēng)。

3生態(tài)建筑中的被動式自然通風(fēng)方式

3.1共享中庭的引用

中庭作為人們交流休憩的共享空間，既可作交通聯(lián)系之用，又能作為室內(nèi)外緩沖空間。當(dāng)代設(shè)計師也常在中庭中布置綠化植物，營造良好的微氣候。

在通風(fēng)系統(tǒng)上，由于現(xiàn)代綜合體的進深大，通常簡單利用風(fēng)壓的自然通風(fēng)已不能滿足。中庭的引入形成貫穿各層的豎直空間，可利用熱壓形成煙囪效應(yīng)，加快空氣流動，以減少在機械通風(fēng)和空調(diào)上的投入。

3.2建筑底層架空

建筑底層空間的架空設(shè)計不僅能豐富建筑的造型，使得建筑與室外相互滲透，也能起到良好的通風(fēng)效益。自然風(fēng)從建筑架空的底層穿透，可以為人們提供良好舒適的環(huán)境。

3.3雙層幕墻的采用

雙層幕墻即呼吸式幕墻，在當(dāng)代高層辦公建筑中被大量采用。這種采用雙層體系作為維護結(jié)構(gòu)的玻璃幕墻在能夠保證室內(nèi)自然通風(fēng)和采光、提高室內(nèi)的舒適度、降低能耗的同時，較好地平衡了采光通風(fēng)和節(jié)能環(huán)保之間的關(guān)系。

4可操控性被動式通風(fēng)思路

4.1可變的體形系數(shù)與通風(fēng)

體形系數(shù)對建筑的能耗影響頗深，建筑的形體越方正，則建筑的能耗越低，對節(jié)能越有利。而從通風(fēng)的角度來看，為實現(xiàn)自然通風(fēng)，建筑應(yīng)適當(dāng)減少進深，形成穿堂風(fēng)。在四季均較為溫和的地區(qū)，空調(diào)使用較少，建筑可設(shè)計得通透，達到良好的通風(fēng)效果。而大部分地區(qū)氣候多變，建筑需適應(yīng)不同的季節(jié)溫度特征，在夏冬之際，空調(diào)的使用則是一種常態(tài)。為此引入可變的體形系數(shù)則不失為一種良策。

形成穿堂風(fēng)要求建筑進深盡量小于14m，如圖1所示，建筑通過休息陽臺形成進退關(guān)系，組織自然通風(fēng)。凹凸關(guān)系會增大建筑的體形系數(shù)，所以在空調(diào)開啟季節(jié)，此類形體對建筑能耗十分不利。若建筑陽臺部分能通過操控關(guān)閉維護結(jié)構(gòu)形成方正封閉空間，則減小了建筑的體形系數(shù)，降低建筑能耗。

又如圖2所示，在復(fù)雜形體的綜合體中，建筑設(shè)置共享陽臺，引入綠化，同時利用文丘里效應(yīng)，在進風(fēng)口處設(shè)置風(fēng)墻，即導(dǎo)流風(fēng)翼，以加快氣流運動，促使建筑的自然通風(fēng)。在陽臺外部設(shè)置可供關(guān)閉的圍合體，以方便在空調(diào)使用季節(jié)關(guān)閉陽臺，減小建筑的體形系數(shù)，降低能耗。此構(gòu)思還需具體問題具體分析，要聯(lián)系當(dāng)?shù)氐臍夂蜃鱿鄳?yīng)的測試，以達到最優(yōu)的節(jié)能與通風(fēng)效果。

4.2氣流操控

建筑也可以像賽車、帆船一樣通過對“形”的設(shè)計來控制氣流。圖3Applepark的設(shè)計便是引用了氣流設(shè)計的構(gòu)思。F1賽車氣流工程師也參與了大樓的通風(fēng)設(shè)計，建筑不開窗，利用帽檐進風(fēng)，由屋檐的底板呼入，屋內(nèi)的柱子則充當(dāng)煙囪的作用。引入的生態(tài)理念，這座建筑可以保證至少9個月不啟用空調(diào)。同理其他建筑的設(shè)計也可以通過對“形”的設(shè)計把控氣流而達到良好的自然通風(fēng)。

但是絕大對數(shù)地區(qū)天氣變化頗大，對氣流的控制不能通過唯一的“形”而達到兼容所有季節(jié)，為此可以通過對“形”的操控來控制風(fēng)量。例如圖4楊經(jīng)文在馬來西亞設(shè)計的Menara Umno，建筑為了適應(yīng)當(dāng)?shù)氐臐駸釟夂?，在進風(fēng)口利用風(fēng)墻體系使得建筑具備較高的空氣置換率。風(fēng)墻設(shè)置在陽臺部位成喇叭形，可以充分地將自然風(fēng)捕捉到陽臺口。陽臺與建筑之間設(shè)置通高的推拉門，可以控制推拉門的開閉情況與大小來調(diào)整風(fēng)量。而在將推拉門關(guān)閉的時候，又可以達到類似空氣鎖的作用。Menara Umno的設(shè)計是優(yōu)秀的自然通風(fēng)例子，該建筑能耗低至當(dāng)?shù)乜照{(diào)建筑的25%。對推拉門的控制即對建筑“形”的控制，也是對氣流的控制。

筆者認為，在人們審美越發(fā)接受流線型建筑的時代，建筑對外形的考慮不僅是體現(xiàn)在美學(xué)上，還可以將形與綠色建筑通風(fēng)相結(jié)合，合理利用玻璃纖維增強混凝土，在“形”上體現(xiàn)其生態(tài)性、環(huán)保性、可持續(xù)性。

4.3可控制通風(fēng)處理案例—提巴歐文化中心

例如圖5，著名的生態(tài)建筑提巴歐文化中心在自然通風(fēng)上的設(shè)計是經(jīng)典的案例。建筑為2層圍護結(jié)構(gòu)，在外部木肋板上覆蓋水平條板，頂部與底部的條板排列較為疏松，而中部較為嚴密。底部氣流可以水平通過，中部由于排列密集，迫使受阻的空氣上升。而頂部水平條板間距也相對較寬，其水平空氣的流動形成的低氣壓正好產(chǎn)生了將2層肋板之間空氣向上吸的效果。

百葉窗則設(shè)置在建筑2層圍護板之間的豎直方向上。頂部百葉固定打開，形成低壓，底部百葉則可以操控，其開閉可以根據(jù)空氣調(diào)節(jié)。文化中心充分利用“形”的設(shè)計達到生態(tài)性通風(fēng)，其百葉的操控也為其他綠色建筑提供設(shè)計思路。

5結(jié)語

生態(tài)建筑是當(dāng)代建筑師需要繼續(xù)探究的課題，而隨著氣候變化的越發(fā)明顯，被動式的節(jié)能方式在很多地區(qū)的適應(yīng)性問題還得繼續(xù)深入研究。本文總結(jié)提出了一些可操控性被動式通風(fēng)方式的構(gòu)思，具體的問題還需具體深入研究分析。建筑學(xué)尚需與物理學(xué)、氣候?qū)W結(jié)合，探討更多的被動式操控方式，以更低的成本達到更高的經(jīng)濟效益，并為可持續(xù)發(fā)展作出貢獻。