被动式生态建筑中庭的自然通风设计策略

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干热地区的气候特征看似与寒冷地区截然相 反 ,但实际上非常相似 ,一个是绝对的“冷 ”,一个 是绝对的“热 ”,两个地区都只需要侧重一个方面 来进行设计 ,干热地区的建筑呈现出的是一种保温 文化 。中东 、撒哈拉沙漠等干旱炎热地区室外气温 可以高达 50℃以上 ,该地区的建筑往往都采用厚 实的墙体和小窗 ,室内外温差可以达到 25℃,过量 的通风一样有害无益 ,因此干热地区中庭的通风和 寒冷地区一样都需要减少通风量 。
图 1 被动太阳能供热方法
பைடு நூலகம்
2010年第 4期 (总第 333期 )
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晴天的情况下 ,中庭内热空气上升聚集在屋顶 的玻璃集热器中 ,在集热器中进一步被太阳辐射加 热 ,再利用屋顶中的小鼓风机导入石床储存热量 , 晚上热量通过热风或地板传到中庭内部 ,升高中庭 内的温度 ,提高热舒适性 [ 2 ] 。 任何被动式生态策略往往都是作为一个整体 出现在生态设计中 ,自然通风也是如此 。自然空气 从室外进入室内到从室内排出去整个是一个连续 的过程 ,中庭把原本隔离的建筑各个楼层连接为一 个整体 ,对于整体通风策略的实施很有帮助 。中庭 空间的出现 ,减小了建筑平面进深 ,这一点不仅给 自然采光带来了好处 ,也同样给建筑自然通风带来 了好处 。
自然通风是一项古老的技术 ,在许多乡土建筑 中都有绝妙的应用 。在各地传统民居中 ,因地制 宜 、结合不同气候创造的各式各样的自然通风方 式 ,结合不同气候区的特点得出合理的通风策略 。 21111 寒冷地区的通风策略
北方的寒冷地区 ,建筑设计侧重于保温性与气
密性 ,过量的通风将会导致建筑大量失热 ,其通风 量只需满足必要性换气量即可 ,这一地区通风呈现 的一种“封闭性的通风 ”。该地区建筑通常利用热 空气上升或者“烟囱效应 ”来进行热压通风 ,当中 庭空间较为高大 ,“烟囱效应 ”较为明显 ,精心设计 的玻璃中庭由于加大了温差和压差 ,可以使空气流 动更为频繁 。寒冷地区通风方式主要为热压通风 , 必要时应采用机械辅助的混合式通风 。不过寒冷 地区同时还需要加强得热 ,因此中庭往往被设计成 高宽比较小的形态以便利用“温室效应 ”采暖 ,从 而降低其“烟囱效应 ”的效果 ,这个矛盾往往需要 在具体设计中去精心推敲从而取得平衡 。 21112 干热地区的通风策略
被动式生态建筑设计中 ,太阳能和风能都得到 了充分的利用 。被动式太阳能建筑就是不用或少 用机械动力 ,控制太阳能在恰当的时间进入建筑并 储存 、分配以备需要 。被动式太阳能设计分直接得 热和间接得热 ,利用太阳热能的储存方法有多种形 式 ,如显热储热 、相变储热 、电能储存等 ,显热储存 太阳能是最简单 、最经济的方法 。图 1所示为被动 太阳能供热方法示意图 。
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墙形成复合空间或空气间层 ,并与上下贯通的中庭 相连 ,形成自然通风系统 ,兼有保温隔热作用 。伦 佐 ·皮亚诺设计的 Tjibaou文化中心是利用风压实 现自然通风的另一典范之作 ,它位于常年多风 、气 候炎热潮湿的澳大利亚东侧的南太平洋 。经过精 心推敲的建筑形态通过在下风处形成强大负压 ,加 上百叶的开合和不同方向百叶的配合来控制室内 气流 ,实现完全被动式的自然通风和降温降湿 [ 6 ] 。 21114 温和地区的通风策略
与寒冷地区不同的是 ,干热地区中庭需要排除 大部分太阳辐射 ,因此中庭在此地区不需要发挥 “温室效应 ”作用 ,可以将高宽比设计得更大 ,合理 组织热压进行自然通风 ,从而充分利用烟囱效应进 行拔风 。干热地区的中庭要注重隔热 ,避免过量通 风 ,同时要采用增湿策略 。由于空气干燥 ,湿度很 小 ,需要在中庭内增加水体的设计并结合通风来进 行蒸发制冷和增加湿度 ,同时充分利用夜间自然通 风来降温 。哈桑 ·法斯在埃及设计了一栋带有中 庭的民居 (见图 2) ,中庭中央的喷泉能为室内降温 和增加湿度 。 印度的建筑大师柯里亚提出的“形式追随气 候 ”的设计方法论就是为了适应印度各地区的干 热或湿热气候 。 Torrent Pharm aceuticals研究实验 室是 由 印 度 建 筑 师 A bhikram 和 英 国 环 境 学 家 B rian Ford合作设计的项目 ,建筑师有很强的生态 建筑观念 。在当地的气候环境下 ,设计师提炼传 统建筑中的自然通风方法 ,排除机械手段 ,追求自 然通风 、降温 、自然采光 ,没有高科技 。针对印度
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夏天炎热的气候 ,设计者采用印度传统建筑中经 常使用的一种叫做“捕风者 ”的设施 ,加上一些现 代技术 ,演变成为“被动倒灌风蒸发冷却 ”( Passive Downdraught Evaporative Cooling) 的通风系统 : 进 入室内的空气首先被一系列高耸通风塔“捕捉 ”, 在其中蒸发降温 ,然后进入室内共享空间 ,再到周 围的实验室和办公室 ,最后从四周的管道排出 (室 外有风则从上层的管道 ,无风从下层的管道 ) 。事 实证明 ,这些措施对于室内温度 、通风控制非常有 效 [5]。
图 2 埃及某民居透风示意图
21113 湿热地区的通风策略 “封闭性通风 ”通风策略在寒冷地区和干热地
区非常适用 ,而对湿热地区却并不适用 。湿热地区 其实并非真正的高温 ,即使是在热带 ,最高气温年 平均值也不过 30℃,最低气温平均也有 24℃左右 , 室内外温差也很小 ,建筑最大的难题是高温高湿 , 保温材料派不上用场 ,热压通风的效果也不明显 。 在这类地区主要的通风方式是风压通风 ,该区域建 筑呈现出一种“开放式的通风文化 ”,民居多为大 屋顶 ,架空的干栏式 ,再配合深深的挑檐用来遮阳 和诱导通风 。中庭空间则需要结合建筑的风压通 风来进行设计 ,如果设计得当 ,也一样可以发挥其 烟囱效应 。湿热地区的中庭不需使用保温隔热材 料 ,重点在于遮阳并诱导通风 ,以除湿为主要目的 , 降温则主要通过气流吹过人体产生蒸发制冷的效 果。
1 中庭的被动式生态设计
“被动式设计 ”是由英文 Passive Design翻译而 来 。虽然理想的室内气候环境需依靠设备调控等 主动方法 ,但建筑的被动式设计不容忽视 [ 1 ] 。被动 式设计就是应用自然界的阳光 、风力 、气温 、湿度的 自然原理 ,尽量不依赖常规能源的消耗 ,以规划 、设 计 、环境配置的建筑手法来改善和创造舒适的居住 环境 ,有利于建筑节能和保证室内空气品质 。被动 式设计基本内容包括了建筑设计从前期方案到后 期施工以及运行的全过程 ,如常规建筑设计中的布
温和地区气候凉爽 ,舒适度最高 ,适合使用热 压通风 。中庭空间在这里可以充分利用其高差优 势发挥“烟囱效应 ”来辅助自然通风 。位于英国的 莱彻斯特的德蒙特福特大学的机械与制造学院 Queens Building (见图 3)就是一个利用中庭进行热 压通风的经典范例 。这座建筑利用贯通 3 层的狭 窄中庭并配合一些通风烟囱 ,充分发挥了烟囱效应 的优势 ,使得这座建筑成为第一个以热压自然通风 取代空调系统的案例 ,它低耗能而且对环境影响很 小 [7]。
2 中庭的自然通风设计策略
自然通风是重要的生态建筑观念 ,从概念上来 说 ,采用自然通风不等于对室内的温度环境不做控 制 ,不等于室内夏天就会炎热 ,而是需要积极地用 人工引导空气的流动 ,手段不只是通常的南北朝 向 、引导穿堂风 ,还有更多其他的处理办法以及专 门的建筑构件 。
在生态学的观念下 ,结合各区域气候特点 ,利 用自然条件和人工构筑 ,积极地顺应和组织自然风 的流动 ,利用自然风压 、热压 、机械辅助等手段实现 建筑的自然通风 ,如果要使用能源则尽量从太阳 能 、风能 、地热资源等获取 [ 4 ] 。 211 中庭的区域性通风策略
因系列生态高层建筑而闻名的马来西亚建筑 师杨经文结合东南亚的气候条件 ,在高层建筑中的 建筑表面进行绿化 ,设置不同深度的凹入空间 ,使 人在高层也能步入室外接触自然 。“两层皮 ”的外
图 3 Queen s Bu ild ing通风示意图
温和地区是最适合使用自然通风的地区 ,中庭 应结合风压与热压两种方式 ,充分发挥出中庭的 “烟囱效应 ”。 212 中庭的季节性通风策略
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被动式生态建筑中庭的自然通风设计策略
谢华慧 1, 2 ,朱 琳 3
(11广州市建筑材料工业研究所有限公司 ,广东 广州 510663; 21广州市建筑材料及构件检测技术与评价重点实验室 ,广东 广州 510663;
引言
20世纪 60 年代 ,建筑师保罗 ·索勒里 ( Paolo Soleri)创建了城市建筑生态学理论 ,首次把生态学 ( Ecology) 和 建 筑 学 ( A rchitecture ) 合 为 一 体 , 即 A rcology,意为生态建筑学 ,并在《生态建筑学 :人类 理想中的城市 》中提到了生态建筑学的理论 。“生 态建筑 ”概念的提出 ,体现了人们对室内空气品质 的关注 ,并强调采用节能和环保的方式实现理想通 风 。中庭空间的运用 ,有效降低了建筑进深 ,是室 内外空气自然气候的交换场所 ,但是较大的体积和 采用大量玻璃 ,带来巨大的能耗 ,许多建筑师对此 进行了很多有益的探索 ,使其在不同地区的建筑整 体节能 、气候控制和环境净化等方面发挥积极作 用。
31广东省建筑设计研究院 ,广东 广州 510000)
摘要 :分析中庭设计存在的问题 ,将被动式生态设计与中庭结合 ,归纳总结了寒冷气候区 、温和气候 区 、干热气候区 、湿热气候区等 4种典型气候类型对中庭被动式生态自然通风设计的影响 ,提出有效 的通风策略和中庭自然通风的季节性调控技术 。另外 ,还提出自然通风控制技术和构造策略 ,提供了 一些新的视角 ,赋予中庭空间新的意义 ,为生态建筑中庭的自然通风设计提供参考 。 关键词 :中庭 ;自然通风 ;气候区 ;季节性调控 ;通风技术 中图分类号 : TU83413 文献标识码 : A 文章编号 : 1004 - 7948 (2010) 04 - 0056 - 05
在法兰克福商业银行中 ,福斯特尝试生态中庭 的设计 ,把生物气候的设计原则运用到公共建筑的 中庭 。马来西亚的杨经文从生物气候的角度进行 研究 ,并创造了具有热带地区特色的生态建筑 ,梅 纳拉商业办公大楼就是突出的实例 。另外 ,他在槟 榔屿银行大厦设计中 ,迎风面设置了呈喇嘛口形的 两道引风墙 ,通过可调控的闸门把气流导入室内 , 实现很好的自然通风效果 ,这些成功的案例都为以 后的中庭生态设计提供了范例 [ 3 ] 。
局 、朝向 、建筑形体 、平面剖面设计等方面 ,但是被 动式设计还存在它自身特别关注的方面 ,例如自然 采光 、自然通风 、围护结构和被动式供热 、制冷及热 能存储等 。这一概念的设计策略强调的是 :依据当 地的气候特征进行设计 ,遵循建筑环境控制技术的 基本原则 ,考虑建筑功能和形式的要求等 ,其目的 是尽量减少或者不使用制冷 、供热及采光设备 ,并 创造高质量的室内环境和室外环境 。
很多地区的气候都存在明显的季节性差异 ,比 如欧洲和美洲中纬度的温和地区 ,还有像中国广大 的中部和北部的夏热冬冷和寒冷地区都属于典型 的大陆性气候区 ,这些地区都存在分明的四季 ,通 常冬夏两季气候较为严酷 ,春秋两季则属于过渡性 季节 ,气候温和 。在不同季节 ,建筑自然通风的控 制策略都会发生相应的变化 ,不仅通风量会发生变
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