夏熱冬暖地區(qū)單側(cè)通風(fēng)房間的通風(fēng)遮陽優(yōu)化設(shè)計策略

林佳琳 劉恒 王斌

中國建設(shè)科技集團綠色建筑設(shè)計研究院

隨著建筑用地的緊缺和城市化進程的推進，高密度的辦公樓、公寓宿舍以及一梯多戶的住宅、進深較大或內(nèi)廊式酒店中都出現(xiàn)了大量的單側(cè)通風(fēng)房間。但是單側(cè)通風(fēng)房間與存在“穿堂風(fēng)”的房間對比通風(fēng)效果存在明顯不足，需要在設(shè)計中進行取舍和改善。

1 概述

單側(cè)通風(fēng)房間顧名思義是按照通風(fēng)形式來命名的，即房間的通風(fēng)口位于同一側(cè)，另一側(cè)除了關(guān)閉的門外沒有額外通風(fēng)口，是自然通風(fēng)房間中最簡單常見的形式。單側(cè)通風(fēng)房間存在的問題有：房間局部通風(fēng)驅(qū)動力不夠，變化過大；房間通過風(fēng)的渦流、外部洞口和氣流的相互作用來完成；自然通風(fēng)效果較差導(dǎo)致了過渡季空調(diào)制冷能耗的增加；不利于改善室內(nèi)空氣質(zhì)量和整體的舒適性。

1.1 自然通風(fēng)基本形式和原理

建筑的自然通風(fēng)可歸納為兩種基本形式：風(fēng)壓通風(fēng)和熱壓通風(fēng)。通常說的建筑通風(fēng)是風(fēng)壓與熱壓通風(fēng)聯(lián)合作用的結(jié)果。當風(fēng)壓和熱壓共同作用于建筑物時，它們都會通過建筑物的開口形成氣流。如果兩種壓力的正負一致，則會增加空氣流量，一旦正負壓力相反，則將減少空氣流量，并且在一定的條件下還會產(chǎn)生兩種壓力相互抵消的情況，即沒有氣流通過開口。

1.2 遮陽與通風(fēng)的關(guān)系

建筑的遮陽和自然通風(fēng)是夏熱冬暖地區(qū)兩種傳統(tǒng)有效的節(jié)能措施，可以有效地改善室內(nèi)熱環(huán)境并提升舒適度。但是彼此之間也存在相互促進和制約的關(guān)系，建筑遮陽的存在可能會阻擋或者誘導(dǎo)氣流出入窗口的效果，對建筑的綜合效能產(chǎn)生影響。

2 具體優(yōu)化設(shè)計策略

2.1 設(shè)置遮陽導(dǎo)風(fēng)構(gòu)件

對于單側(cè)通風(fēng)房間，通常情況下（當通風(fēng)口正對或者平行于迎風(fēng)面、與迎風(fēng)面呈一定夾角、亦或正對著背風(fēng)面），室外氣流只對室內(nèi)空氣有一點點驅(qū)動力，不能有效促進室內(nèi)通風(fēng)換氣。在此種情況下，可以通過導(dǎo)風(fēng)板的設(shè)計，結(jié)合凹口和凸口所形成的的風(fēng)壓正壓區(qū)和負壓區(qū)來組織室內(nèi)氣流方向，進行有效的通風(fēng)換氣，促進建筑單側(cè)通風(fēng)。同時結(jié)合不同的朝向選擇不同的遮陽形式（水平、垂直、綜合、擋板式），達到遮陽通風(fēng)的合理布置。

遮陽導(dǎo)風(fēng)板的設(shè)置上，水平遮陽板可以根據(jù)立面處理引導(dǎo)通風(fēng)，但要做到效果突出就得在單側(cè)通風(fēng)房間的盡端門的上方開窗。水平遮陽板可以設(shè)計為出挑樓板或者演變成陽臺形式。比窗口水平遮陽的通風(fēng)遮陽效果更好的是在靠近窗口頂部設(shè)置通風(fēng)百葉，這樣不僅可以引導(dǎo)風(fēng)的流向，還可以在夏季帶走窗口的余熱（圖1）。

2.2 結(jié)合凹凸立面的處理

由導(dǎo)風(fēng)板布置演變而成的凹凸界面對通風(fēng)的影響也不容忽視。在凹口處分別形成正壓和負壓，可以使氣流在局部形成渦流，形成“兜風(fēng)”的效果。有研究指出凹口的凹進深度越大，建筑對風(fēng)的阻力也越大，導(dǎo)致凹口內(nèi)外的壓差增大，于是其形成的渦流也就越大，促進了凹口附近空氣的流動，進而增強室內(nèi)外的空氣流動。因此在窗口面積、窗口形式等其他條件一致的情況下，可以適當?shù)卦黾影伎诘纳疃纫詫崿F(xiàn)良好的單側(cè)通風(fēng)。如果在正壓處和負壓處附近設(shè)置門或窗口，便能形成良好的穿越式通風(fēng)，同時也可以在凹陽臺或者凹窗處種植綠化，空氣經(jīng)過植物蒸騰作用降溫和過濾后進入室內(nèi)，提高了室內(nèi)的舒適度。此種方法既可起到一定的遮陽降溫作用，又可以提高室內(nèi)單側(cè)通風(fēng)，是濕熱地區(qū)較為理想的模式之一。凹陽臺的進深通常比凹窗要大，既可以在凹陽臺處設(shè)置門扇或窗戶，又可以在外立面靠近凹陽臺處設(shè)置窗戶，同時作用以增強室內(nèi)的通風(fēng)效果。

1 水平向遮陽導(dǎo)風(fēng)構(gòu)件布置位置示意圖

凸口對建筑單側(cè)通風(fēng)的原理，可以參考由導(dǎo)風(fēng)板演變而成的模式，在凸處的左右兩側(cè)分別形成正壓和負壓，把主導(dǎo)風(fēng)引入到室內(nèi)，從而實現(xiàn)較好的單側(cè)通風(fēng)效果。凸口由于其外凸于立面之外，相對于凹口更能捕獲空氣，提高室內(nèi)通風(fēng)效果。即便周圍風(fēng)向是平行于窗口的，這種凸口設(shè)置也對風(fēng)有較好的引導(dǎo)作用。通過凸口的使用，每個單元創(chuàng)造了四個高效的通風(fēng)口，在正負壓處各有兩個。雖然增加了建筑的表面積，但是卻提高了建筑自然通風(fēng)的潛力，當四個通風(fēng)口都能打開時，其通風(fēng)效果是非?？捎^的（圖2）。凸口凹口可以結(jié)合功能空間（管井、空調(diào)間、儲物間、飄窗、陽臺）和立面效果處理，以求得功能性、美觀性和舒適度的平衡。

2.3 增設(shè)季風(fēng)窗

凸窗（Bay Window）通常也叫飄窗，是指在墻體窗洞處上下各出挑，沿外圍三側(cè)設(shè)置窗扇的窗戶類型。凸窗出挑于墻面之外，對立面上的風(fēng)向會產(chǎn)生一定的影響。在單側(cè)通風(fēng)時，凸窗在與墻壁成60°夾角的時候會有較好的通風(fēng)效果。在凸窗（飄窗）的基礎(chǔ)上進一步的改善策略是增設(shè)季風(fēng)窗。季風(fēng)窗增加了過渡季的通風(fēng)效果。

新加坡的WOHA建筑設(shè)計事務(wù)所自1994年成立以來致力于探索現(xiàn)代性與地域性的結(jié)合，在生態(tài)可持續(xù)性研究與實踐中取得非常大的突破。他們受東南亞傳統(tǒng)建筑中一種能把室外風(fēng)引入到室內(nèi)卻把雨水擋在屋外的捕風(fēng)窗啟發(fā)，發(fā)明了適應(yīng)當?shù)貧夂虻摹凹撅L(fēng)窗”（Monsoon Window）。季風(fēng)窗是在凸窗的基礎(chǔ)上，底部采用鏤空鋁板，當雨天房間其他窗戶關(guān)閉時，季風(fēng)窗仍然可以把室外新風(fēng)引入到室內(nèi)，而把雨水隔絕在外面。創(chuàng)造性地解決了雨天自然通風(fēng)的問題。晴天，窗臺上面可以放置綠色種植，具備了功能性的同時兼顧了美觀，是一個很巧妙的被動式通風(fēng)裝置（圖3）。

2.4 調(diào)節(jié)開窗形式、位置及寬窄

有研究指出窗戶開啟位置會對室內(nèi)自然通風(fēng)有重要影響，尤其是對單側(cè)通風(fēng)房間的自然通風(fēng)效果。對于單側(cè)通風(fēng)有三項結(jié)論：墻面只設(shè)置一個通風(fēng)口時，通風(fēng)口面積越大則通風(fēng)量越大；在總通風(fēng)面積相等時，兩個小通風(fēng)口的通風(fēng)量大于一個大通風(fēng)口的通風(fēng)量；在通風(fēng)面積相等且有兩處通風(fēng)口時，兩通風(fēng)口之間距離越大通風(fēng)量越大。

多元化的開窗形式帶來不一樣的空間感受，同時也對室內(nèi)風(fēng)環(huán)境存在不同影響?；谑?、詹學(xué)淵針對廈門地區(qū)單側(cè)通風(fēng)房間窗口開口形式對室內(nèi)風(fēng)環(huán)境的影響研究，運用CFD方法整理出了單體能耗對比圖（圖4）。我們可以得出常見的五種開窗形式在底層和高層位置上不同窗開口形式帶來的通風(fēng)效果，底層通風(fēng)效果（由好到差）的排序為：C2＞C3＞C5＞C1＞C4，高層通風(fēng)效果（由好到差）的排序為：C2=C3＞C5=C1＞C4。整體來看，窗下增加通風(fēng)帶更有利于單側(cè)通風(fēng)房間的通風(fēng)，而很多文化建筑中建筑師常用的矩陣式排布（C4形式）不適用于單側(cè)通風(fēng)房間，設(shè)計中建筑師可以根據(jù)具體情況選擇適宜的開窗形式。

2.5 煙囪效應(yīng)的利用

“煙囪效應(yīng)”（Chimney Effect）最初來源于煙囪發(fā)生的現(xiàn)象，煙囪效應(yīng)存在于所有具備高差和溫差的空間環(huán)境中，利用煙囪效應(yīng)進行自然通風(fēng)的建筑中設(shè)置的通風(fēng)塔或者通風(fēng)管道形式很多，如中庭空間、樓梯間、豎向排風(fēng)道等，由于位置的不同也會產(chǎn)生不一樣的視覺和通風(fēng)效果。一些方案利用煙囪效應(yīng)設(shè)計一種交互式表皮，通過房間吊頂部分設(shè)置被動式氣候調(diào)節(jié)腔連通中庭到達屋頂通風(fēng)，利用熱壓通風(fēng)機制的自然通風(fēng)管腔系統(tǒng)進一步與置換式通風(fēng)空調(diào)管道系統(tǒng)結(jié)合，形成一種類似“蟻穴”的通風(fēng)系統(tǒng)（圖5）。

2 遮陽導(dǎo)風(fēng)構(gòu)件布置位置示意圖

3 WOHA Studio 的“季風(fēng)窗”

4 常見窗口形式對單側(cè)通風(fēng)房間通風(fēng)的影響

5 煙囪和建筑的關(guān)系

6 “冷巷”概念的原理和衍生

7 單元構(gòu)件原型組合示意圖

8 單元構(gòu)件能耗模擬數(shù)據(jù)

除了最常見的中庭，在設(shè)計的時候也可以選擇風(fēng)塔、雙層皮外墻、中空式遮陽構(gòu)件等構(gòu)件層面來實現(xiàn)煙囪效應(yīng)。

2.6 “冷巷”布局的引入

嶺南地區(qū)的傳統(tǒng)民居針對地方氣候衍生出了一種建筑群組織形式：“冷巷”。“冷巷”是南北向的狹長巷道，常位于帶狀布局的民居間，與主導(dǎo)風(fēng)向接近。冷巷位于房屋陰影區(qū)，太陽輻射少使得巷子中空氣溫度偏低，通過與周圍熱空氣形成的溫度差帶動空氣流動。夏天利用巷道陰影改善室外熱環(huán)境，使得人漫步于巷子中感覺涼爽。巷子兩側(cè)高大且與相對封閉的實墻相互遮擋，形成很好的蓄冷體，減少了傳入室內(nèi)的熱量。

如廣州的西關(guān)大屋采用“連房廣廈”的形式，外墻厚重封閉，室內(nèi)開敞通透。矮腳門、趟攏、敞廳、天窗、天井等地方特色濃郁的建筑構(gòu)件都為方便組織穿堂風(fēng)而設(shè)計，組合成一套完整的自然通風(fēng)系統(tǒng)。廳房被窄而高的“冷巷”隔開，互相遮擋，可以防曬和隔熱。

針對單側(cè)通風(fēng)房間可以設(shè)置廊道空間來應(yīng)用“冷巷”的晝夜模式。雖然傳統(tǒng)的“冷巷”模式夜間通風(fēng)蓄冷充分，但在白天通風(fēng)的時候也會造成冷的損耗。夜間蓄冷墻體被室外涼空氣冷卻，白天則吸收熱量降低周圍空氣溫度。如果在夏季夜里增強自然通風(fēng)，就可以同時兼顧蓄冷墻體的冷卻以及內(nèi)部熱環(huán)境的改善，第二天白天蓄冷墻體依舊可以充當冷源。所以在沒有天井布局的單側(cè)通風(fēng)房間設(shè)置冷巷通道的話則應(yīng)設(shè)置通風(fēng)口，最直接的方式就是夜間將窗戶打開。如果晝夜溫差較大，當夜間室外溫度低于室內(nèi)溫度時會產(chǎn)生明顯的通風(fēng)效果。利用熱壓加強通風(fēng)，可在高處設(shè)置開口，使得冷巷內(nèi)的熱空氣從高處排出，涼爽空氣從低處補充進來，進一步增強通風(fēng)效果，提高舒適度（圖6）。

2.7 遮陽通風(fēng)模塊構(gòu)件的組合使用

針對單側(cè)通風(fēng)房間可以從遮陽和通風(fēng)兩個方面組合設(shè)計模塊構(gòu)件。其中，通風(fēng)模塊式整體通風(fēng)、采光部分，模塊中安裝按照隔音、隔熱、采光等要求選擇適當性能的建筑玻璃或五金配件；遮陽模塊則根據(jù)不同朝向選擇合適遮陽形式，遮陽構(gòu)件在窗口處設(shè)置通風(fēng)口，以利于帶走窗口上沿的余熱。遮陽通風(fēng)組合的模塊可詳細分為透明開啟模塊（用于通風(fēng)）、透明不開啟模塊（可外置遮擋卷簾）、不透明導(dǎo)風(fēng)構(gòu)件（設(shè)置于窗上下開口，一般以可調(diào)百葉為主）、不透明非開啟模塊（根據(jù)立面效果和實際室內(nèi)功能需要調(diào)節(jié)）、通風(fēng)水平遮陽板（例如穿孔板構(gòu)件）等組合成類似組合式幕墻的體系，來實現(xiàn)自然通風(fēng)與遮陽的統(tǒng)一。

在一個單側(cè)通風(fēng)房間的正常洞口處設(shè)計透明開啟模塊，其中透明開啟模塊在近人書寫尺度上有小范圍懸窗（圖7），考慮雨季的防雨和通風(fēng)，類似季風(fēng)窗原理，以及其他透明部分設(shè)置遮陽簾的情況下依舊可以局部通風(fēng)。透明開啟部位局部上下方設(shè)置通風(fēng)防雨百葉，利用局部的熱壓通風(fēng)原理，下入上排來改善局部通風(fēng)環(huán)境。其中上部的通風(fēng)百葉設(shè)計成鍍膜翻板式百葉，在通風(fēng)的前提下還可以加強室內(nèi)漫反射，起到室內(nèi)補充光源的效果，減少了室內(nèi)照明的使用。根據(jù)不同朝向選擇設(shè)置遮陽形式，其中垂直式遮陽擋板，形成垂直遮陽的同時形成凹凸關(guān)系進行導(dǎo)風(fēng)；水平遮陽板（穿孔或者百葉形式）在夏季遮陽的同時，利用透風(fēng)空隙帶走積聚于窗口處的熱量，進一步優(yōu)化室內(nèi)熱舒適環(huán)境。同時也有通過Design Builder軟件與傳統(tǒng)玻璃幕墻界面進行能耗對比驗證的模型數(shù)據(jù)（圖8），用來驗證模塊構(gòu)件組合使用的可行性。

3 結(jié)語

通過對夏熱冬暖地區(qū)通風(fēng)最不利的單側(cè)通風(fēng)房間的研究，找尋出的幾種策略僅僅是設(shè)計優(yōu)化的一個方面，更多的決定因素在于設(shè)計前期的布局、朝向的考慮，重要的是要并行設(shè)計、協(xié)同設(shè)計、多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化等先進設(shè)計理念支持下的各類設(shè)計人員協(xié)同工作。整體的組織結(jié)構(gòu)優(yōu)于局部要素，通過合理利用自然通風(fēng)和遮陽措施帶走室內(nèi)余熱，減少空調(diào)運行時間來達到建筑節(jié)能的目的。同時也為室內(nèi)環(huán)境提供足夠的新風(fēng)量來改善室內(nèi)空氣品質(zhì)。