現代建筑屋頂與自然通風

摘要：結合自然通風的基本原理和國外的一些建筑實例，分析了現代建筑屋頂在建筑各種自然通風系統中的作用，提出了屋頂應采取的相關構造措施，以節約建筑能耗，保護人類身心健康。

關鍵詞：現代建筑；屋頂；自然通風

中圖分類號：TU834. 3 文獻標識碼：A 文章編號：1006－3315（2008）06－125－01

建筑通風的目的是提供人們呼吸用的新鮮空氣或在夏季降低室內溫度。空調技術的產生與成熟，使人們可以在一個完全封閉的空間內創造出一個獨立的小氣候，使室內的溫度和濕度始終控制在相對舒適的范圍內。但空調并不是萬能的，它在現代建筑中的廣泛使用所帶來的負面影響已經引起了人們的警惕，并著手研究相應的解決措施。給建筑以適當的自然通風是減少使用空調負面影響的有效方法之一。自然通風的建筑可以降低空調耗電量，進而降低生產這些電能的不可再生資源的消耗量和CO2 向大氣的排放量;對人體而言，自然通風可減少“空調病”和各種通過空氣傳播的疾病的發病率。

一、自然通風的原理與模式

建筑的自然通風從動力來源上可分為完全自然通風和機械輔助自然通風兩種模式。完全自然通風是由來自室外風速形成的“壓差”和建筑表面的洞口間位置及溫度造成的“溫差”形成的室內外空氣流動。按照熱力學原理，建筑室內溫度有沿高度逐漸向上遞增的特點。該特點是建筑隨層高增加而使上下之間溫差加劇的主要原因，設計師也經常利用這一點，挖掘建筑自然通風的潛力。機械輔助自然通風是利用溫差造成的熱壓和機械動力相結合而形成的室內外空氣對流。與完全自然通風相比，雖然建筑內局部作為輔助動力的機械裝置要消耗一定的能源，但通過這種裝置重新組織氣流，甚至在局部“強迫”氣流改向，可以使自然通風達到更好的效果。在這兩種通風模式中，屋頂都是形成溫差，組織氣流的重要環節，在整個自然通風系統中起著重要作用

二、屋頂在完全自然通風中的作用

當室內存在貫穿整幢建筑的“豎井”空間時，就可利用其上下兩端的溫差來加速氣流，以帶動室內通風，其實質就是“溫差--熱壓--通風”的原理。作為建筑共享空間的中庭就可以勝任這個“豎井”的職能，一般來說，其所占空間比例以超過整幢建筑的1/ 3 為宜。這種中庭的屋頂一般都具備兩項性能:1) 它們能讓陽光射入中庭，將中庭內空氣加熱并產生上下溫差;2) 它們是全部或局部可開啟的，在需要通風時能讓氣流找到出口。赫爾佐格設計的德國林茨城的HOLZ 大街住宅區，每幢住宅樓的顯著特征是帶玻璃頂的共享中庭。這個中庭貫穿建筑五層并稍稍高出兩側房間的屋面。冬天，陽光透過玻璃屋頂直射進來，中庭屋頂的側窗關閉，使中庭成為一個巨大的“暖房”，到了夜晚，白天中庭儲存的熱量又可以向兩側的房間輻射;夏天，中庭屋頂的側窗開啟，將從門廳引進的自然風帶著熱量一并排出，使建筑在夜間能冷卻下來。當建筑體量小，內部的“豎井”空間高度不夠形成有效溫差時，也可以做成沖出屋面的豎向突兀空間。位于英國中部Solihull的一座辦公大樓，以突出屋面的“太陽能煙囪”的自然方式滿足辦公空間的照明與通風(見圖1) 。這些“太陽能煙囪”的北面為玻璃天窗，陽光由此灑向建筑的中心區域。天窗對面為自動控制的活動板，將其打開時，陽光從“煙囪”南側射入室內加熱頂部的空氣，在熱壓的驅動下，氣流由外墻的窗戶引入，上升后由“煙囪”排出。可作為“豎井”空間的，除了中庭外，還可以利用建筑的樓梯間。沖出屋面的突兀空間除了做成煙囪外，還可以做成風塔、風帽的形式。如何使那些突出屋面的部分在外觀上和屋頂協調，甚至使其成為整個建筑造型的亮點，對每個建筑師來說既是挑戰，更是機遇[ 2 ] 。

三、屋頂在機械輔助自然通風中的作用

對于很多地區的建筑來說，完全自然通風并不是每個季節都適宜的;有些建筑受特定條件的制約，也不具備低進高出的氣流走廊。這時的建筑自然通風就必須借助機械裝置的輔助，或者是根據不同時段、不同季節進行完全自然通風和機械通風的輪換。英國諾丁漢大學朱比麗分校的主體建筑具備兩套通風措施:在室外氣候溫和的時候，氣流在凹進的中庭入口的引導下，經過大門口上部開啟的百葉進入中庭內，再由中庭另一端屋頂上的玻璃百葉排出，這時是完全自然通風模式。在酷熱或嚴寒季節，建筑的門窗關閉，新鮮的空氣通過屋頂上風塔的機械抽風和熱回收裝置被引到風道中，然后進入各層樓板的夾層空間，進而在樓板低壓發散裝置的輔助下進入室內;而廢氣的排出是通過走道和樓梯間的抽風作用，最終又回到風塔上部，經過熱回收和蒸發冷卻裝置，最終由風斗排出，這時采用的就是機械輔助的自然通風模式。

四、屋頂內部的自然通風

屋頂除了作為整個建筑自然通風系統的一個組成部分，利用天窗、煙囪、風斗等構造為氣流提供進出口外，本身也可以成為一個獨立的通風系統。這種通風屋頂內部一般有一個空氣間層，利用熱壓通風的原理，使氣流在空氣間層中流動，以提高或降低屋頂內表面的溫度，進而影響到室內空氣的溫度。在日本的OM 陽光體系住宅中，室外空氣由屋頂下端被吸入空氣間層，并被安裝在屋頂上的玻璃集熱板加熱，受熱后上升到屋頂的最高處。屋頂最高處設置了空氣處理裝置，包括空氣閥門、熱交換盤管和一個小型風機。這個裝置既能將加熱過的空氣通過管道送到建筑的各個角落，又能將不需要加熱的空氣由排氣管排出 。在德國慕尼黑的一項將倉庫改造成設計工作室的工程中，原有外圍護結構的熱工性能無法滿足新的用途。建筑師赫爾佐格在室內加建了一層包裹住整個屋頂及大部分外墻內表面的薄膜，使薄膜和原有外圍護結構間的空氣成為一道阻熱層，起到了保溫和熱緩沖的作用。

利用熱壓進行自然通風的原理雖然簡單，但選擇具體構造或技術措施時還需要根據建筑的功能和地理位置考慮;僅有定性的設計還不夠，為了使通風起到實質性的制冷或采暖效果，需要對進出風口的氣流量、進出風口開關的時間、中庭屋頂的采光量、機械抽風裝置的運轉時間等參數進行定量的計算。這時往往需要借助風洞模型或計算機模擬實驗等方法才能得到精確的數值。21 世紀是環保的世紀，是可持續發展的世紀。降低建筑能耗，使建筑的人工環境與自然環境達到動態的平衡，將是建筑在滿足了基本的使用功能和美學要求后應追求的更高目標。屋頂的相關構造和設備配合建筑的其他圍護結構體系創造的自然通風的條件，使建筑在實現以上幾個目標方面具有更大的潛力。