论建筑设计中的自然通风

论建筑设计中的自然通风

李　涛　韦　佳

(东南大学建筑学院　南京　210096)

摘　要:在能源消耗与日俱增和世界资源日益匮乏的今天,风力资源的利用,越来越得到人们的关注。依据自然通风的原理,通过分析国内外著名生态建筑中所采用的自然通风技术,比较了其各具特色的通风技术,着重论述了建筑物中设置中庭与风塔对于加强通风效果的作用。然后结合国情,提出了一些对于风能利用方面的、具有可操作性的通风处理方法,目的是针对建筑设计实践中的自然通风问题起到实际指导意义。

关键词:自然通风　风压　热压　中庭　风塔

NATURAL VENTI LATION IN ARCHITECTURAL DESIGN

Li Tao　Wei Jia

(Architectural College of S outheast University　Nanjing　210096)

Abstract:As present energy consumption multiplies daily and world resources are gradually deficient,wind power resources step by step gain public attention1According to natural ventilation principle,analyses the use of technologies is analyzed and their qualities are compared,which are used for outstanding domestic and foreign ecological architectures1It is also discussed the set up of atrium and wind ventilator in buildings with regard to strengthen ventilation effects1Link to domestic conditions,at last some operable ventilation-management methods based on wind energy utility’s aspect are proposed,aiming at giving practical guide to natural ventilation problems in architectural designs1

K eyw ords:natural ventilation wind-induced pressurization thermal pressure

风,是人类古老的朋友。远古时期,先民们就在生活实践中摸索出各种方法来充分利用风能使生活环境变得更为舒适,同时又避免风的不利影响。长久以来,人们积累了丰富的经验,不同地理和气候条件都有自己的一套相应的通风措施,利用风来使室内变得凉爽和舒适。从中国传统勘舆中的“藏风聚气”到古代中东地区招风塔和招风斗,都充分体现了各国人民在利用自然风方面的聪明才智。然而,令人惋惜的是自工业革命后,随着科技的日新月异,这方面的许多传统技术逐渐被人们抛之脑后。直到能源消耗与日俱增、世界资源日益匮乏的今天,生态技术在建筑设计中的应用越来越受到重视,人们才开始重新研究如何利用风来取得降低能耗的效果,同时更大限度地为人们提供健康舒适的室内环境。

1　自然通风

建筑内部的通风条件是决定人们健康、舒畅的重要因素之一。它通过空气更新和气流的生理作用对人体的生物感受起到直接的影响作用,并通过对室内气温、湿度及内表面温度的影响而起到间接的影响作用[1]。通常认为,自然通风的作用具有三种不同的功能[2]:第一,健康通风,即保证室内空气质量IAQ;第二,热舒适通风,即增加体内散热,以及防止由皮肤潮湿引起的不舒适以改善热舒适条件;第三,降温通风,即当室内气温高于室外的气温时,使建筑构件降温。据测定,室内外温差大时,开窗10～15分钟可完全换气一次;温差小时,大约半小时可交换一次。

自然通风最基本的动力为风压和热压。通常的作法为利用建筑物外表面的风压,利用室内的热压,以及风压与热压相结合。

111　利用风压实现自然通风

第一作者:李　涛　女　1979年出生　硕士研究生

收稿日期:2005-11-20

所谓风压,是指空气流受到阻挡时产生的静压。当风吹向建筑物正面时候,受到建筑物表面的阻挡而在迎风面上静压增高,产生正压区,气流再向上偏转,同时绕过建筑物各侧面及背面,在这些面上产生

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Industrial Construction Vol.36,Supplement,2006 工业建筑　2006年第36卷增刊

局部涡流,静压降低,形成负压差,风压就是利用建筑迎风面和背风面的压力差,室内外空气在这个压力差的作用下由压力高的一侧向压力低的一侧流动。而这个压力差与建筑形式、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时,迎风面中心处正压最大,在屋角及屋脊处负压最大。在迎风面上的风压为自由风速动压力的015～018倍,而在背风面上,负压为自由风速动压力的013～014倍[6]。

风对建筑物产生的作用力可以分解成一个水平的阻力和一个垂直的升力,对风压的利用往往是利用水平方向阻力来设计和组织通风的。垂直方向的力会产生伯努力效应(Bernoulli Effect)。例如进风面的斜屋顶,会形成巨大的抽吸力,这种形式的屋顶起到兜风的作用。如位于巴基斯坦的传统建筑屋顶的招风斗(见图1、图2),设置的越高,风速越大,建筑物的影响就越小,兜风效果越显著,同时形成了典型的民族地方特色[4]。

图1　巴基斯坦传统民居外观[4]

图2　巴基斯坦传统屋顶通风原理[4]

风压引起的另一个效应就是文丘里效应(Ven2 turi Effect)。气流流动时,会因为空间的收缩而引起加速,于是收缩段形成负压区

。德国著名建筑师

托马斯1赫尔佐格Thomas Herzog设计的汉诺威

2000年世博会26号馆是充分运用文丘里效应创造

自然通风的典范之作。通过建筑师和工程师的密切

合作,对热气流自然运动的仔细研究,以取得最大限

度的自然通风,使得如此巨大的室内空间中机械通

风被减到最小。其夏季降温措施为:1)立面上的开

口引入自然风;2)距离地板4m的玻璃通风管道将

冷空气散发到展厅中;3)空气吸收室内人群和机械

设备等的热量后变热上升;4)热空气从锯齿形屋顶

的开口自然排出。空气的回流被可调节的翼片所阻

挡,翼片安装在屋脊上,可根据外界风的方向调整。

5)其冬季供暖措施为事先加热后的空气直接通过管

道送入室内;6)热空气上升排出。波形屋顶的尖峰

具有很强的造型感,其原型是传统工业建筑中常用

的北向天窗(见图3)。在应用生态策略以节约能

源、提供舒适性的同时还创造了极富表现力的建筑

形象[5]。

图3　托马斯1赫尔佐格设计的汉诺威2000年世博会26号馆剖面通风示意[5]

112　利用热压实现自然通风

烟囱使室内的烟不用机械方式而有组织的排出

室外,大大改善了室内空气质量,这就是常说的“烟

囱效应”(Chimney Effect)。所谓热压通风,就是利

用该原理,根据建筑内部由于空气密度不同,热空气

趋向于上升,而冷空气则趋向于下降的特点,促进自

然通风。热压作用于进风和出风的风口高度差,以

及室内外空气温度差存在着密切的关系:高度差愈

大,温度差愈大,则热压通风效果愈明显。应用烟囱

效应拔风的优秀范例有很多,传统的如蒙古包的“天

窗”拔风。应用烟囱效应的现代建筑包括德国RWE

大厦、英国新国会大厦、英国Demontfort大学的

Queen’s Building等。

同时,热压通风还存在一种“漏斗效应”。根据

热力学第二定律,热量由高温传向低温一侧,那么在

漏斗空间中的热量传导也符合从下部传向上部的规

律,即漏斗作用将会对热空气的上升起到推波助澜

的效果,有效的加剧热量的上升扩散[5]。尼肯・塞

克(Nikken Sekkei)设计的日本Matsushita电子公司

的信息传播中心大厦中,建筑沿南北方向进深层层

退台,内部配置了一个梯形状倾斜的中庭(见图4)。

新鲜空气通过中庭下部的窗户进入过滤器后,再散

发到室内。从窗户下吸入的冷空气可以冷却整个结

构体系,以减少整个建筑空调系统的负荷。办公空89工业建筑　2006年第36卷增刊