生态建筑通风

自然通风在建筑中应用的案例分析摘要：自然通风是建筑节能的一种有效手段，对于降低能耗，提高室内舒适度都有着非常重要的作用。本文通过介绍自然通风的两种基本形式(风压通风和热压通风)的原理以及国内外自然通风建筑的实例，揭示自然通风技术在建筑中的应用。关键词：自然通风、风压、热压、传统建筑自然通风是当今建筑普遍采取的一项改善建筑热环境、节约空调能耗的技术，有两点至关重要的意义：1)实现有效被动式制冷；2)可以提供新鲜、清洁的自然空气，有利于人的生理和心理健康。实现自然通风主要有两个途径：利用风压和热压。利用风压来实现建筑自然通风，即平常所讲的“穿堂风”。首先要求建筑有较理想的外部风环境，平均风速一般不小于3m／s～4m／s。其次建筑应面向夏季夜间风向，房间进深较小：一般情况下，单向自然通风的进深应小于房间净高的2倍，大致在6m左右；双向自然通风的进深应小于房间净高的5倍，大致在12m～15m左右，以便易于形成穿堂风。由于自然风变化幅度较大，受周围环境影响，常在建筑周围形不成足够的风压，并且通常公共建筑进深大，如果同时处于不利朝向时，利用风压实现穿堂风常常不具备可能性。因而建筑师利用自然通风的另一种机理：通过建筑内部的热压差实现自然通风，即平常所讲的“烟囱效应”。热空气上升，从建筑上部风口排出，室外新鲜的冷空气从建筑底部或者建筑各层被吸入，从而实现通风的效果。对于高层建筑而言，由于风速随着高度增加而变大，因而实现自然通风比较容易。但是风速往往过大，窗户直接外开不仅存在安全隐患且风速过大不利于舒适度的改善。自然通风尚有着强烈的地域性和适应性。追求大同的国际式建筑文化，是现代派建筑大师们梦寐以求的理想。但是，进入20世纪60年代以来，这种无视地域，民族和文化差异性的国际式风格引起人们的普遍反感。人们认识到传统文化的重要性，它们不仅仅是那些具有地方特色的具体形式，它们还蕴含着人们的生活习惯和生活方式，建筑的发展不能以破坏传统为代价。芬兰建筑师阿尔托（AlvarAalto）的“人情化建筑”是早期探索建筑环境特色与建筑多元个性的典范，为后来建筑的发展提供了有益的启示。人作为建筑的主体，建筑必须要尊重人的传统，符合人的尺度，体现人的价值。在过去的几百年里，人们尊重自然，修建了许多复杂的建筑，如中东地区传统房屋上的捕风塔（WmdScoop）。1983年获国际建筑师协会将它的第一枚金质奖章授予埃及建筑师哈桑·法西(HassanFathy)，这是该会赠与建筑师的最高荣誉。哈桑·法西一生致力于为发展中国家的贫困人口的建筑活动及研究，探索符合本土特色的建筑。他主张，以较少的投入来创造一个以提高乡村地区经济和生活质量的本土化环境。他认为“人们常常根据环境条件的不同来选择他们的居住形式，有些根据炎热选择建筑的形式，还有些依据温暖的凉爽的气候选择建筑的形式。而埃及的所有工程项目都地处热带干旱地区。因此，他们必须根据凉爽设计并建造住房”。由于法赛负责的中心村大多是公共建筑，又处在沙漠的边缘，气候炎热，他在设计中遇到的最大困难就是为大型公共建筑解决内部降温的问题。在当时埃及的经济条件下，使用空调或者电扇简直是天方夜谭。只有采用一定的建筑构造技术，才能从根本上解决大型建筑内部空间的冷却问题。在干热气候的中东地区，建筑的室内外温差极大，都采用小窗与厚重的墙体达到保温的效果。室内主要的通风工作是由捕风塔来完成的，而并不是我们熟悉的窗户。捕风塔可以捕捉到高处清洁的气流，通过一系列特殊的设计，将气流引向室内；而房屋的中庭往往建的非常高，可以将室内的热空气通过顶部传导出去。无论房间的朝向如何，捕风塔都可以从最合适的角度为房屋内部提供新鲜空气。法西在埃及新巴里斯村市场的建设过程中，运用了这种捕风塔形式，让微风进入捕风塔，通过一个盛有水和木炭的装置，经湿润、净化和降温下沉至室内，湿热空气则从穹顶上的出气孔排除，这一巧妙的设计使室内气温较室外下降l0℃。这种源于伊斯兰传统建筑的捕风塔，采用烟囱原理，项部面向夏季主导风向开口，将高空的温度低、速流快的气流源源不断的引入室内。这样，炎热地区的建筑主要朝向不必面向主导风向，从而给建筑布局带来了较大的灵活性。1.传统建筑的通风智慧自然通风的首要优势在于它是一种新风系统，现代人在封闭的盒子里面生活、办公，往往开始怀念与自然的接触，这也恰恰是自然通风的一大优势——它是一种健康通风。各区域不同的生活方式和生活习惯影响建筑的成因及发展，反过来传统的建筑形式也恰恰反映了人们的生活。自然通风是符合人们生活习惯和生活传统的一种生活方式，国人具有一种院落情结，不由自主的向往那种“庭院深深深几许”的意境，而院落也是中国传统建筑最为显著的特征之一，各种功能、各个时期、各个地区的建筑都普遍地运用院落来组织空间，并常常以其来承载空间的意义。以住宅为例，北方的四合院中，以院落为核心的整体布局体现了传统中国社会伦理制度，同时院落也具有其生态的意义，它组织了各功能单元（堂屋和厢房）的采光和通风。（图1）图1北京四合院中的三进院落我国南方的天井民居，利用开放空间作为通风道来引导自然通风的应用更为有效。“天井”其实也是院落，只是较小。我国南方炎热多雨而且潮湿，因此住宅的防晒和通风尤为重要。天井民居以横长方形天井为核心，四面或左右后三面围以楼房，阳光射入较少。正房，即堂屋，面向天井，完全开敞。在这里，狭高的天井一般面积不大，南北短、东西长，起着拔风的作用，其产生通风的原理为：四周墙壁遮挡太阳辐射，使得天井在白天受到较少的太阳辐射，配合院内植被、水体的蒸腾作用和调节，院内的空气温度较低，冷却后的空气就流向温度较高的室内，房间产生热压通风；在有风压的情况下，天井处于负压区，加强拔风的作用。（图2）图2广东粤中民居以东莞南社民居古村为例。除天井以外，还有冷巷等其他利于自然通风的构造。冷巷是建筑排列组合形成的一个比较窄的巷道，或者是在建筑的一侧留出的一条小廊道。冷巷有两种：一种是室内连接各房间的通道，此巷道长期不受太阳辐射，空气流通又畅顺，生活余热最少而成为“室内冷巷”。另一种是外墙与周围墙之间或相邻两屋之间狭窄的露天通道，后者有人称之为“青云巷”，此巷高宽比大，受太阳照射的面积小，受晒时间短而长波辐射少、空气温度较低而成为“露天冷巷”。（南社民居属于后者）冷巷是截面面积较小的风道，其风速会增大，风压会降低，与冷巷接通的各房间较热空气就会被带出冷巷，较冷空气就会进入补充，达到通风效果。江南地区水系纵横，建筑表现受水系影响，群体建筑沿河或者沿道路建设，不严格遵守南北朝向，群体布局纵深方向不拘泥于轴线对称布局，而依据小尺度、小规模的室外天井校正建筑的空间序列关系，宅内水系与水道的贯通增加了水体对建筑的微气候的调节作用。以苏州为例，在高密度的传统街区中，一般采取平面满铺的方式，内部通过均匀布置天井实现自然通风。民居内，天井空间尺度较小，布局吸收北方院落户外活动方面及南方天井通风的优势，往往根据房间要求灵活变化。天井之间还有半室外的贯通廊道加以联系，可以更有效地组织自然通风。通过天井和类似灰空间的通风廊，建筑以一种内向的空间组织方式将自然纳入到建筑中来，这与现代建筑对待自然的方式截然相反。这种策略在当代依然有效，它可以有效增加地块容积率，提高土地利用率，尤其适用于高密度街区和大型建筑中。当在江南民居建筑中，甚至出现了热缓冲层空间，在正方北侧增加一道用以满足夏季通风要求的横廊。2.利用风压的自然通风当风吹向建筑物时，空气的直线运动受到阻碍而围绕着建筑向上方及两侧偏转，迎风侧的气压就高于大气压力形成正压区，而背风侧的气压则降低形成负压区，使整个建筑产生了压力差。压力差的大小与建筑形式、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是，迎风面的中心处正压最大，在屋角及屋脊处负压最大。我们通常所说的“穿堂风”就是典型的风压通风。风压通风的典型实例为伦佐·皮亚诺设计的芝贝欧(Tjibaou)文化中心。其位于澳大利亚东侧的南太平洋热带岛国，气候炎热潮湿，常年多风，为此通风降湿成为适应气候的核心技术。文化中心由10个“容器”(cases)棚屋状单元组成，棚屋一字排开，形成“村落”。贝壳状的棚屋背向夏季主导风向，在下风口产生强大的吸力(形成负压区)，在棚屋背面开口处形成正压区，从而使空气在建筑内部流动。针对不同风速和风向，设计者通过调节百叶的开合和不同方向上百叶的配合来控制室内气流，从而实现完全被动式的自然通风。芝贝欧文化中心位于南太平洋的热带岛国新喀里多尼亚，这里气候炎热潮湿，最大限度的利用自然通风来降温、降湿成为适应当地气候、注重生态环境的核心技术。但常年多风，且由于临近海边，海风成为自然通风的切入点和风荷载较大的问题。皮亚诺由此出发，设计了一套十分有效的被动通风系统，其原理是采用双层结构，背对夏季主导风向，使空气可以自由的弓形表面与垂直表面之间流通，建筑外壳上的开口用于吸纳海风、引导建筑所需要的空气对流。最初，“棚屋”呈封闭的圆锥状，木肋的尽端交汇于顶部，外观更接近于当地传统住宅。为了达到自然通风和减小风荷载的目的，经过严谨的计算流体力学的模拟气流分析和风洞试验（图3）皮亚对“容器”的形式不断加以改进，使之变得更加通透和开敞，最终形成现在的样子。而28m的竖向肋结构加高不仅仅符合热空气上升的热力学原理，这一形式的构筑也可以强迫建筑物内部的空气拔高，从而增强其通风效果。（图4）而本身在材料上选择木材成为主要材料位于建筑内外，充分运用了其吸湿性的良好特质成功的对高技派进行了软化，最终人工技术所表达“科技感”与当地文化得到了共生，无形的技术融合在建筑之间。图3建筑模拟气流分析图4通风状态示意3.利用热压的自然通风如果室内外（或者室内不同高度间）有空气温度差或者进排风口之间有高度差就会产生热压作用下的自然通风。其实，即使只有一个窗孔也仍然会形成自然通风，这时窗孔的上部排风，下部进风，相当于两个窗孔连在一起。我们平时所讲的“烟囱效应”就是利用热压的自然通风——“烟囱”或建筑物内的热空气密度小所以上升，从“烟囱”或建筑上部的风口排出，室外冷空气密度大所以从建筑底部被吸入，从而促成通风。一般来说，室内外空气温度差越大，进排风口之间高度差越大，热压作用越强,自然通风效果越好；反之亦然。由MichaelHopkins&Partners设计的英国PortcullisHouse（图5）是利用热压进行通风的案例。设计者详细研究了热量在建筑内部和外部的流动、建筑外部空气流状态、使用者的舒适度等，采用计算机模拟流体动力学模型，在进行风洞试验后，最终将尽可能多的功能整合在尽可能简单的建筑元素中。大厦自然通风系统的重要组成部分是14个结构精巧的风塔，风塔包括两个部分：生成正压的捕风孔，将新鲜空气吸入室内；利用进风口的涡流形成负压排风口，将室内空气通过陡峭的坡屋顶上的排风管道集中到风塔中排出。风塔的设计不仅大大减少了室内排风扇的数量，而且也可以在一年的大部分时间中保证室内充足的自然通风，避免了机械通风的能耗。图5保利大厦4.参考文献[1]王战友.自然通风技术在建筑中的应用探析[J].建筑节能,2007,07:20-23.[2]金晓东,刘闽敏.公共建筑自然通风设计若干实例探讨[J].山西建筑,2010,14:178-179.[3]陈飞.生态意义的理解与表达——从吉巴欧文化艺术中心看待生态建筑的创作[J].建筑师,2005,06:78-82.[4]马笑漪.海天之恋──TJIBAOU文化中心,新卡里多尼亚[J].世界建筑,1999,03:62-66.[5]尼宁.生态建筑设计原理及设计方法研究[D].北京工业大学,2003.