廈門地區住宅建筑設計中的自然通風優化策略探討

■ 吳佳南 Wu Jianan 柴成榮 Cai Chengrong

0 引言

在中國，由能源消耗造成的環境問題日益突出。目前中國已經成為僅次于美國的世界第二大能源消耗國。據有關部門預計，中國在未來10年內將超過美國，成為世界上最大的CO2排放國，而在這些排放量中，建筑耗能排放就占到總排放比例的25%以上。目前我國的建筑耗能已與工業耗能、交通耗能并列，成為我國能源消耗的三大“耗能大戶”，尤其是建筑耗能伴隨著建筑總量的不斷攀升和居住舒適度的提升，呈急劇上揚趨勢。而在建筑耗能中，住宅建筑的耗能約占總建筑耗能比例的60%，可見住宅建筑的能耗是相當大的。如何減少住宅建筑的耗能及提高住宅建筑的節能率，就成為目前最為嚴峻而需要研究的問題之一。我國在建筑節能方面已做了很多努力，也取得了一定的成就，但是我們遺憾地看到，作為建筑設計一線的大部分設計院，在建筑的節能設計中，更多的是從單純的建筑技術上入手，缺乏從具體氣候環境來進行生態建筑設計的理念，從而導致某些被動式節能措施得不到有效的應用，比如自然通風、遮陽等。從國內外建筑節能的經驗得出，節能不能單靠技術的開發研究來解決，而更應該在經濟、功能和環境之間尋找節能的平衡點，切實地從地區的特殊地域情況出發，尋找適宜的被動式節能手段，并與建筑設計有效整合，實現最佳節能效果。

1 自然通風對廈門地區建筑節能的重要作用

廈門市地處福建省東南部沿海，處于國家夏熱冬暖地區的南區。該地區風力資源比較豐富，夏季平均風速均在2.5m/s左右（表1），如果能有效地運用這一資源，進行廈門地區的居住建筑自然通風節能，這勢必將對廈門地區的節能做出極大的貢獻。

有研究人員用計算機能耗模擬軟件（Dest）對廈門地區夏季居住建筑的各種節能措施進行了分析，得出夏季空調制冷能耗水平（圖1）：在增加了自然通風過后，夏季室內空調制冷能耗降低了30%左右，可見自然通風能極大地降低夏季建筑能耗，改善室內熱環境。

綜合各種節能措施節能率比較（圖2）：每項節能措施都或多或少地降低夏熱冬暖地區的夏季空調能耗，其中影響最突出的是外窗節能措施、建筑遮陽與自然通風。我們可以發現自然通風對于降低夏季室內制冷能耗起到了很大作用，因此尤其要注重以往沒有引起足夠重視的自然通風措施在建筑設計過程中的應用。

表1 廈門市室外風環境狀況[1]

2 廈門地區住宅建筑設計中的各項自然通風優化策略

2.1 建筑總平面布局優化策略

在廈門這個夏熱冬暖地區中，合適的建筑總體布局與建筑的自然通風效率密切相關。在具體的住宅設計中，盡可能地使建筑的朝向順應夏季主導風向，采用合適的建筑密度與點式建筑布局，為住宅的自然通風創造條件。尤其在布置中最好能結合具體主導風向方位逐級錯落布局，這樣能有利于場地內的夏季通風和阻擋冬季冷風。在住宅建筑設計方案中，盡可能引進計算機輔助設計軟件，如引進Ecotect(生態建筑大師)軟件進行廈門地區建筑的最佳朝向模擬分析(圖3，圖中可以看出最佳朝向是南偏東10°)，以及一些CFD軟件對場地內的風環境進行計算機模擬（圖4，圓圈處表示存在較大的風壓差），針對模擬的結果進行建筑布局的局部調整來改善風環境，對不適宜調整建筑布局的地方，可以通過場地的植物配置引導風向來改善局部的風環境。

2.2 建筑單體平面優化策略

建筑單體平面舒展布局比緊湊平面能夠更好地獲得自然穿堂通風，房間進深淺（一般以14m為宜），更有利于自然穿堂風的形成，因此，應該優化布置各個大進深房間的位置（圖5），要有意識地將墻設計成各種可移動的隔斷，便于形成穿堂風；要積極設置天井庭院，房屋內部的庭院可以作為冷源或熱源來加強通風。在圖6中，當房屋前后都圍有院墻時，南側小院內的空氣由于受到陽光照射而上升，從而將北側小院內較涼的空氣通過南北窗戶引進南院來，起到房間通風的效果。

廈門市夏季室外平均風速一般為2.5m/s，略低于實現風壓自然通風的風速要求（一般不小于3～4 m/s），但是廈門市夏季室外風速還是有大部分時段的風速＞2.5 m/s，應積極通過單體平面布局的優化改進來充分利用該時段的風速，以實現風壓自然通風。

2.3 建筑單體剖面優化策略

在剖面設計中，可以利用煙囪效應在樓梯、公共空間等部分設置上下貫通的吹拔進行“拔風”。為了取得最佳效果，煙囪通風的開口應布置在靠近地板和頂棚處。出風口可以兼作高側窗，圖7表示了幾種煙囪通風的房間剖面布置。此外，將吹拔設計成“文丘里管”漸縮斷面（圖8），也可強化通風效果。因為隨著截面的變小，斷面內自下而上的空氣流速增大，從而加大了管內與周圍房間的空氣壓差，有利于“抽風”。還有一種是現在比較流行的稱為“太陽能煙囪”（圖9）的做法，就是利用收集的太陽能加熱煙囪中的空氣，這樣也能增大進風口與出風口之間的空氣溫差，增強通風效果。

除了吹撥增強自然通風效果外，還可以在首層設計時進行架空，此類策略針對廈門夏季氣候炎熱的特點，能極大地改善建筑小區內部的風環境，消除部分靜風區。

2.4 建筑單體立面優化策略

在建筑單體立面設計優化上，通用的優化策略是在建筑的迎風面與背風面都開大窗戶，或者在立面上設計通風洞口，以獲得穿堂風。又或者在屋頂開孔，可以對整個建筑起到通風作用，可以采用各種形式的開孔，比如監視孔、炮塔、老虎窗、屋頂小塔樓、屋脊通風孔以及山墻通風孔等。

不同的屋頂形式，其自然通風效果不同（圖10）。據研究，坡度＜45°的屋頂，前后坡風壓差小，自然通風效果不明顯；坡度越大，前后壓差越明顯，自然通風也愈好。但坡度大的屋頂耗材量大、施工難度也大，所以要結合實際情況，選擇合適的屋頂形式。

在建筑立面上還可以應用立體綠化（圖11），加強夏季的自然通風效果。在一些多層和高層住宅設計中，可在外墻上隔斷設計種植臺、花架等與墻面設計整合的綠化設施，有條件的，可以在構架上設置自動噴淋設施，仿照“雙層表皮”原理，形成一道綠色屏障。構架的應用不僅可改善緊貼墻壁種植爬藤類植物所帶來的破壞墻體而導致滲漏的缺陷，而且構架與墻面之間的空氣潮濕層則形成通風井，加強了自然通風效果，同時帶走了墻面上的熱量。

在建筑立面上設置一定規則的導風板（圖12），使室外風流經導風板引入室內，也能夠增加建筑通風的正壓功能。在設計中，可以選用一些不銹鋼、高強塑料、玻璃鋼等耐久材料做的導風板，除了導風的功能，還可以對其進行裝飾化，給建筑帶來美感。

優化設計立面上的遮陽構件設施，遮陽的目的是遮擋直射陽光、降低室內溫度，同時還可為墻面遮蔭和減少輻射熱、造成空氣壓力差，加速室內空氣流通，以增強通風換氣效果。在閩南民居遮陽處理中，有很多手法，如凹門遮陽，小陽臺式遮陽，檐、廊遮陽，門窗遮陽，騎樓遮陽等，可以拿來借鑒，以設計出兼顧遮陽與通風雙重要求的遮陽設施。

3 結語

自然通風在建筑節能中的作用效果是顯而易見的，在國外，這項技術的研究和發展已相當成熟，國外的很多建筑設計師都有意識地在建筑方案設計階段就開始應用這一技術手法，自然通風設計已經和建筑設計融為一體。很多自然通風技術本身就是建筑藝術的一部分，通過廉價的風資源來實現建筑的節能，取得良好的經濟與社會效果。而在國內，自然通風設計技術才剛剛起步，許多關于這方面的理論研究還處于初步探索階段，大部分地區僅僅是創新示范案例。從國內的情況來看，在具體建筑設計中主要還是通過在單體建筑平面上的開窗位置調整來進行設計優化，還沒有從其他有效的途徑進行創新優化設計。對于本文的論述，筆者希望能引起建筑設計一線設計人員思想上的重視，在建筑方案設計中有意識地將自然通風節能思想運用到設計中，推動自然通風被動式技術與建筑設計的進一步融合，實現建筑節能效益最大化，為廈門低碳城市的建設做出貢獻。

[1] 中國氣象局氣象信息中心氣象資料室.中國建筑熱環境分析專用氣象數據集.中國建筑工業出版社，2005（4）.

[2] 蔡立宏.基于計算機模擬的夏熱冬暖地區建筑節能關鍵技術分析.中國建筑學會建筑師分會建筑技術專業委員會第二次代表大會暨全國建筑技術學科第十一次學術研討會，2006（3）.

[3] 劉加平，譚良斌，何泉.建筑創作中的節能設計.中國建筑工業出版社，2009（3）.

[4] 王崇杰，薛一冰等著.生態學生公寓.中國建筑工業出版社，2007（6）.