自然通风若干实例浅谈

自然通风若干实例浅谈
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3 m／s～4 m／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6 m左右；双向自然通风的进深应小于房间净高的5倍，大致在12 m～15 m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（Alvar Aalto）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（Wmd Scoop）。

(图2．03)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(Hassan Fathy)，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。

在自然通风中，“形式服从于气候”。

气候与地域是紧密相连的两个概念。

气候是重要的环境因素，对于气候的关注在建筑中古已有之，作为人类“第三层皮肤”的建筑从产生之初就是为了庇护人类于各种气候条件下。

在影响建筑的诸多要素中，建筑材料、工艺技术、人们的生活方式、审美趣味等都随着社会经济和文化的发展而改变，惟有气候是一种相对稳定的因素比。

在印度这样一个气候特色十分鲜明的国家，作为极具代表性和影响力的建筑师，查尔斯·柯里亚(Charles Correa)针对气候的创作手法渗透到其建筑设计的方方面面。

他对建筑与气候关系的理解非常深刻，他认为，“因为气候在根本上影响着我们的建筑物和我们的城市。

首先是直接影响，建筑物外表是由阳光照射的角度、遮阳设施、能量节约问题等等决定的。

其次是间接影响，通过文化影响，因为气候对任何社会的礼节，礼仪以及生活方式等起着决定性的作用”。

柯里亚创作中“对空空间”(opento sky．space)的空间概念，便是来自于印度当地气候与传统建筑的深刻理解。

利用开敝空间，最大限度的增大通风量，以达到降温的作用。

“对空空间”一方面表现为庭院、阳台、屋顶平台及内廊等实体性的露天或半露天空间，另一方面在深层体现着印度人特有的利用室外、半室外空间的生活方式。

从柯里亚的作品——干城章嘉公寓(Kanchanjunga Apartment)，充分体现出这种从传统继承而来的创作策略和“形式服从气候”(Form Follows Climate)的建筑观念，正如他自己所说，“在本源的意义上，气候乃是神话之源。

因此，在印度河文化中，开敞空间的玄学属性乃是伴随着它们而来的炎热气候。

”
一、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。

图3 苏州传统街区肌理
二、自然通风技术的系统组成
其有进风口和出风口、通风路径、控制系统三部分。

自然通风的形成依靠进风口和出风口之间的压力差。

如前所述，通风口可以位于建筑的围护结构系统，包括墙体，屋顶，或者捕风塔，通风塔等。

窗户是最常见的通风口，窗户为建筑提供自然采光和室外景观，而它也承担了通风的作用。

恰当的通风口位置对于获得有效的自然通风非常重要。

进风口和出风口位置的改变对通风的路径都可能产生影响。

通风路径是空气运动的通道，设计不当，空气将在流通过程将被消耗掉，不能到达出风口。

当通风设计采用烟囱效应，通过通风烟囱来促进自然通风时，通风路径很多情况下就是单独设计的一部分建筑空间，是建筑实实在在的一部分，他们在垂直方向将建筑各个楼面层联系在一起。

一些建筑设计中要素往往可以用来作为这个“路径”，如：中庭、楼梯间、垂直的通风塔、双层表皮、屋顶。

①中庭：建筑中庭常用来组织建筑的交通流线并为建筑的低层房间提供必要的采光，同时，中庭还可以作为通风的路径，如安田（Yasuda）研究院（图4）安田（Yasuda）研究院是安田保险公司的培训中心。

建筑通过自然通风的椭圆形中庭组织培训、住宿、健身、会议等多个功能。

图4 左上：安田研究院标准层平面图；左下：安田研究院剖面图；右图：有植被的中庭
②楼梯间：作为垂直向交通空间，楼梯间在垂直方向将各楼层联系在一起，也可以作为烟囱效应的通风路径，实例如诺丁汉英国国内税务中心（图5）：建筑最吸引眼球的圆柱形玻璃通风塔，用作建筑的入口和楼梯间，利用玻璃通风塔吸收太阳的能量，提高塔内空气温度，加强烟囱效应，带动各楼层的空气循环，实现自然通风。

图5 上左：英国国内税务中心的墙身剖面图；上右：利用楼梯间自然通风示意图；下图：沿街透视图
③垂直的通风塔：垂直通风塔是专门设置的将各个楼层加以联系的通风路径，如英国沃特福德郡(Watford)的BRE未来办公大楼(Building Research Establishment)（图6）。

建筑南侧有五个通风烟囱，帮助在静止的空气条件下利用烟囱效应通风。

图6 上左：通风塔和遮阳的玻璃百叶窗细部；上右：通风塔和外侧玻璃百叶窗系统；
下左：首层平面图；下右：办公室横剖面通风分析
④双层表皮：双层表皮的通风路径则是它的空气间层，实例如德国柏林GSW总部扩建（图7）。

大楼西侧采用了双层表皮，内界面是距地60cm的连续可开启双层玻璃窗，外界面为贯穿整个里面的明框支撑式玻璃幕墙，中间为1m宽的空气层，内为2.9m（高）×0.6m（宽）×1.5mm（厚）的多孔铝制遮阳板。

双层表皮之间的空气层使整个建筑全年70%的时间可以实现完全间接的自然通风。

图7 上图：通风示意图下图：GSW总部外观
⑤屋顶：对于低层尤其是一层的建筑，屋顶可以作为通风的路径，比如在工业厂房屋顶
设置顶窗，再如林茨（Linz）的设计中心（Design Center）（图8）。

林茨的会议展览大厅是对“水晶宫”概念的全新诠释。

新鲜的空气从地板的小口和大厅四周的通风口进入室内，而室内空气根据热压原理升上屋顶。

屋顶设计了7m宽的凸起构件，利用文丘里效应加强烟囱效应。

图8 上图：设计中心剖面；中图：设计中心空气运动方式；下图：设计中心外观及内景
三、控制系统
控制系统有人工控制系统和自动控制系统两种。

在被动式设计方案中，最常见的人工控制系统就是手动调节的窗户。

另外，有一些有机械辅助的人工控制系统包括一个控制器和一个警示器，当室外环境变化时，警示器可以通过红绿灯的变化提醒人们开关窗户。

自动控制系统则包括传感器，传动装置，控制器。

其中，传感器监控的数据包括：①温度；②C02浓度；③污染气体；④风速和风向；⑤空气湿度；
⑥是否下雨。

此外，一些传感器可以结合通风系统监测烟尘，噪音等等；传动装置则是那些控制窗户开合的开关：控制器则是安装有控制软件的计算机。

英国考文垂大学莱彻斯特图书馆（图9）应用了一种自然通风即时控制系统，称为“建筑能源管理系统（Building Energy Management System，BEMS）”，它会根据感应器所提供的室内外气温、风的强度和C02浓度等信息来改变通风开12闸门的开闭状态，控制自然通风的使用。

四、更多实例
（1）公共建筑
①英国国内税务中心
迈克尔·霍普金斯设计的英国国内税务中心位于诺丁汉市的传统街区。

由于建筑本身呈院落式布局(共7个组团)，高度仅为3层～4层，加上受紧凑的城市格局的影响，建筑周边的风速较小，尚不能很好地满足自然通风的需求，因此，霍普金斯在控制建筑进深（13.6m）以利于自然采光、通风的基础上，设计了一组顶帽可以升降的圆柱形玻璃通风塔，用作建筑的入口和楼梯间。

玻璃通风塔可最大限度地吸收太阳的能量，提高塔内空气温度，从而进一步加强烟囱效应，带动各楼层的空气循环，实现自然通风。

冬季时可将顶帽降下以封闭排气口，这样通风塔便成为一个玻璃暖房，有利于节省采暖能耗。

税务中心的年设计能耗为110 2
kWh，实现了城市密集环境中的完全被动式制冷（图9、图10）。

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图9 英国国内税务中心（通风塔）
图10 左图：税务中心通风塔；右图：通风塔通风气流示意图
②德国议会大厦改建
德国议会大厦新建一个玻璃穹顶，不仅为建筑内部引入了自然采光，还包含着自然通风系统，建筑内部的空气因为烟囱效应被导入当中，但是大城市的空气污染和交通噪声是设计者不得不面对的现实。

为了避免汽车尾气等有害气体及尘埃进入建筑内部，大厦进气口设在檐口高度，并在风道中设置过滤器和声屏障，以最大限度地除尘、降噪，因而保证进入室内的是新鲜空气。

同时带动空气流动及遮阳设备的能源，由屋顶的太阳能光电板产生。

此外，建筑利用深层土壤蓄冷和蓄热，并使之与自然通风系统相结合，在夏季使空气预冷，在冬季使空气预热，同时产生理想的节能效果。

穹顶投入使用后，温度峰值降低了30%。

图11 上图：德国议会大厦设计外观；中图：穹顶外观；下图：穹顶内景
（2）高层建筑
①法兰克福商业银行
在法兰克福商业银行的设计过程中，针对塔楼中庭（60层）的自然通风状况，福斯特及其合作者进行了无数次计算机模拟和风洞试验。

与前面几位建筑师不同，福斯特最关注的不是风速够不够大，而是风速会不会太大。

计算和试验的结果正如建筑师所担心的那样，如果整个中庭从上到下不加分隔，那么在很多情况下中庭内部将产生无法忍受的紊流。

因而中庭每12层被玻璃天花分成一段，8层高的办公区与4层高的花园面向这个中庭，同时取得良好的自然景观和通风效果（图12）。

图12 上左：法兰克福商业银行外观上右：中庭玻璃天花下图：中庭玻璃天花俯视
②德国埃森RWE总部大厦
在德国埃森的RWE大厦中，建筑师英恩霍文及合作工程师发展了可“呼吸的外墙”来平衡热绝缘要求和只光照明、自然通风间的冲突。

双层幕墙的外层由1920 X3461mm的强化玻璃构成，内侧是两层玻璃，玻璃间有充氦气的隔热层。

在内外层之间深度为50cm的空腔中安装有百叶，由80ram宽的铝板制成，可以旋转。

百叶被外层的玻璃保护起来，免遭风雨的浸蚀，起到遮阳和热反射的作用。

当太阳辐射很强的时候，空腔内气体温度升高，热空气从每层顶部的开口排出带走热量，同时从底部自然地吸入新鲜空气。

每个幕墙单元都成为一个个能“呼吸”的肺。

而在冬季，当通气孔关闭时，这些空腔中的空气吸收并存储辐射热成为建筑的“棉袄”。

幕墙上安装有一种鱼嘴形的结构，允许新鲜空气从每层楼的底部进入这一空腔，而从顶部的开口排出“鱼嘴”达一精巧的设计创造了一个风压差，可以将外界进入的气流调整到适宜的速度，这在强风天气下尤其重要。

而在无风的天气里，“鱼嘴”内外的
压力差同样可以吸入相当的空气量。

在空腔内外的空气之间气压差促进空气流动，同时将热量从空腔内排放出去。

“鱼嘴”的具体尺度随建筑层数的增高而略有不同，以适应不同高度的气压。

在发生火灾时，火焰通过各层的窗户垂直或水平蔓延是很常见的，鱼嘴结构能在防止火焰蔓延的同时迅速排出烟尘。

强风会对建筑产生很大的影响，而且在高空，风力往往很强，高层部分的自然通风往往很难。

狂风可能吹袭聿内，形成紊流和噪音干扰，气压甚至能导致房门打开困难。

如果没有特殊措施，建筑高层开窗自然通风是不可能的。

埃森的风向主要为南风、西南风和西风，在120m高空风速平均为5m/s。

但采用双层幕墙系统以后，外界气流流经空气腔的阻隔和缓冲，可以通过内侧打开的窗户进入室内，创造接近于地面的自然通风效果。

大厦的运营管理系统由计算机控制，该系统根据外界气候变化控制着百叶的角度和通风机械、空调系统的动作。

当风速超过标准时计算机系统会发出警报，让人们关闭打开的窗户，而当每扇窗户被打开时计算机系统会立刻知晓并关闭相应房间的通风或空调设施。

每个办公室的门边都有一个控制板可以微调灯光以节约电能，也叮操纵遮阳板的角度。

中央控制系统控制着室内温度，但允许个人有 3℃的调节范围以提高舒适程度。

通过这些管理措施和双层玻璃幕墙的自然光照明、自然通风和热绝缘性能，使得建筑的能耗大大减少。

RWE 大厦总的能源消耗不到同等规模普通建筑的一半，辅助性质的机械通风和空调系统的能耗量比普通建筑减少了30%-35%；自然通风率达到70%，只是在极端恶劣的天气或者要求很高的局部场合才使用空调。

（图13）
图13 上图：RWE内景示意图；下图：设计外观。