被动式生态建筑中庭的自然通风设计策略(1)

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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。
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 Q ueen 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 #。 2 2中庭的季节性通风策略
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。
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] 。 2 1中庭的区域性通风策略
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能Biblioteka Baidu
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2010年第 4期 ( 总第 333期 )
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 # ( P assive Downdraught E vaporat ive Coo ling ) 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] 。
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 ] 。
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
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 T jibaou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] 。 2 1 4 温和地区的通风策略
1 中庭的被动式生态设计
∀ 被动式设计 #是由英文 P assive 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
图 1 被动太阳能供热方法
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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] 。
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。 T orrent Pharm aceuticals研 究实验 室是 由 印 度 建 筑 师 Abh ikram 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
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。
图 2 埃及某民居透风示意图
2 1 3 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。
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。
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。
3 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: TU 834 3 文献标识码: A 文章编号: 1004- 7948( 2010) 04- 0056- 05
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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
( 1 广州市建筑材料工业研究所有限公司, 广东 广州 510663; 2 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;
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。 2 1 1 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。 2 1 2 干热地区的通风策略
引言
20世纪 60 年代, 建筑师保罗 索勒里 ( Paolo So leri)创建了城市建筑生态学理论, 首次把生态学 ( E co logy) 和 建 筑 学 ( A rch itecture ) 合 为 一 体, 即 A rco logy, 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。
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化, 通风方式也会有明显区别。 2 2 1 巴克雷卡德总部中庭的季节性通风
巴克雷卡德总部, 地处英国中部郊区, 属于温 带气候区, 气候宜人, 四季分明。其通风策略根据 季节分为 3种模式:
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