談自然通風與建筑設計

馬 俊

(中國建筑西南設計研究院有限公司，四川 成都 610042)

0 引言

在科學技術飛速發展的21世紀，人類文明已經邁入高度發達的信息化社會，對電子產品及網絡的依賴也導致人類的行為活動更多的在室內進行，因而提供健康潔凈的空氣及舒適的室內環境始終是建筑設計中不可或缺的一部分。現代的辦公樓，酒店，大型商業等公共建筑往往采取全封閉式的玻璃幕墻系統，絕大部分空氣流通及溫度調節依靠機械通風等人工手段完成，而傳統的利用自然條件調節室內環境的技術已逐漸被人們所遺忘。在過去的幾十年里，隨著我國經濟發展突飛猛進，建筑的能耗已占到全社會總能源消耗的30%以上，其中建筑取暖、空調能耗約占建筑總能耗的60%。

在傳統能源日益匱乏的今天，如何節約能源，同時又能達到理想的建筑熱工要求，是建筑師不得不認真思考的問題，而利用傳統自然通風技術則是其中的一個突破點。

1 自然通風

1.1 自然通風的基本原理

通常認為，自然通風的作用具有三種不同的功能[1]:

1)健康通風，即保證室內空氣質量;

2)舒適的熱環境，即避免室內過于溫暖潮濕而引起的人體不適;

3)調溫通風，即調節室內溫度，使室內外達到溫度平衡。建筑中自然通風的實現通常需要借助風力及溫度，當兩者在室內外環境中存在差異時，即形成“風壓”和“熱壓”，這便是引起空氣流通的先決條件。

1.2 風壓條件下的自然通風

風壓通風的基本原理是當風吹向建筑物時，流動的空氣會在建筑四周產生不同的效果，建筑的迎風面因空氣受阻而產生正壓，氣流向上和兩側偏轉產生局部渦流區，形成負壓，室內外空氣在這個壓力差的作用下由高壓區向低壓區流動從而實現空氣流通(見圖1)。

利用風壓是實現自然通風最常用，也是最為有效的方式之一，風壓差值的大小與建筑的選址，建筑與風向的夾角，建筑的布局以及建筑周邊的環境等有直接關系。建設用地的地形與地表特征可極大的影響風對建筑的作用，地表的障礙物，例如植被，可顯著的降低風速，地形的起伏也有可能加強或減弱風速。此外，風速通常伴隨著海拔高度的增加而增長，所以高度較高的建筑一般可獲得更好的風壓，但在高層建筑密度較大地區，風速亦會受周邊建筑所影響。建筑的朝向和布局也是影響自然通風的重要因素。從平面上來講，建筑的朝向應與當地夏季主導風向保持一定角度，以獲取更佳的自然通風效果。建筑與主導風向的夾角，增大了外部風的阻力，可增加建筑有效的迎風面與背風面，從而更易形成類似“穿堂風”的效果。其次，建筑本身的布局也可影響通風的效果，例如“L”形布局的建筑相比板式建筑，可形成更多的漩渦區，而較多的負壓區域可進一步促進室內空氣流動(見圖2)。此外，建筑自身的高度對周邊建筑的風環境可產生較大影響。一般而言，較高體量的建筑宜置于主導風向的后方，這樣風力可均勻的分布在周邊的建筑當中，提高整體自然通風效果(見圖 3)[2]。

圖1 風壓通風的原理示意圖

圖2 不同建筑布局的通風效果

圖3 建筑高度對周邊建筑的風環境影響

應用風壓自然通風的一個經典案例是位于新喀里多尼亞，由左倫皮亞諾(Renzo Piano)設計的吉巴歐文化中心，該文化中心由十個蛋殼形的木結構單體組成，體量大小不一，沿海島的海岸線呈曲線排開，皮亞諾稱這些建筑單體為“籠子”。每個籠子都采取被動式通風系統作為主要的降溫和通風手段。為了獲得最大的通風效果，所有的建筑都位于海島地勢較高的地區，并面向來自南方的主導風向，甚至較高大的植物都沿建筑東西兩側布置成漏斗狀，從而引導氣流更多的吹向建筑物。當風力較小時，氣流通過建筑下方的開口進入室內，并從屋頂的排風口排出，形成空氣流通。當風力增強時，氣流穿過建筑頂部的格柵，并形成負壓區，從而更進一步促進室內空氣流通。皮亞諾通過簡單的建筑設計手法，不僅達到了自然通風的效果，而且形成了獨具地方特色的建筑風貌(見圖4)。

1.3 熱壓條件下的自然通風

自然通風的另一基本動力是利用建筑內部空氣的熱量差值，熱空氣相比冷空氣密度較小的物理特性，是熱壓通風得以實現的基本原理。讓熱空氣從建筑上方通風口排出，同時室外溫度較低的冷空氣從下方的通風口被吸入，整個過程也就是人們通常所說的“氣流煙囪效應”(Stack Effect)。熱壓通風的效果會受到建筑設計及室內外環境的影響，比如進出風口的豎向高度差，以及室內外空氣的溫差，往往這些差值越大，通風的效果也就越佳。在建筑設計中，建筑師可通過刻意設置貫穿建筑內部的中庭，樓梯間等類似空間，并在頂部和底部相應位置預留通風口以達到和促進熱壓通風的效果。相比風壓自然通風，熱壓通風不需要借助外部風力便可實現，兩者由于基本原理的差別，可在建筑設計中相輔相成，共同提高自然通風的效果。

圖4 Tjibaou文化中心通風效果

一個非常優秀的利用熱壓通風的案例是位于英國諾丁漢的稅務局總部大樓，由邁克霍普金斯及其合伙人事務所設計。他們為這棟大樓的暖通系統取名為“浮力通風系統”，這套系統的關鍵設施是位于建筑四角類似煙囪的筒狀空心樓梯間。這些“煙囪”的主要作用是盡可能多的吸取太陽能，以提高內部空氣的溫度，當溫度提高到一定程度時，受熱的空氣便開始向上移動并飄向室外，從而實現辦公室內的空氣流通和交換(見圖5)。

1.4 風壓與熱壓相結合的自然通風

風壓通風需借助外部風力，故受天氣，地形及外部環境等因素影響較大，其效果不穩定且不易控制。熱壓通風相對穩定，煙囪效應可通過建筑設計手段實現，可操控性較強。建筑師如果希望在設計中充分利用自然通風的效果，通常可借助兩者共同作用以達到目的。比如，在建筑進深較淺且面對來向風的部位，可較多的利用風壓通風，而建筑內部不易被風力所達的部位，則可考慮利用熱壓通風來達到效果。但需要注意的是，當兩者共同作用時，應保持空氣流動方向一致，否則可能會減弱自然通風的效果。

2 建筑設計與自然通風

2.1 建筑的布局考量

建筑師在考慮利用自然通風進行設計時，首先應判讀當地的風玫瑰，以了解常年的風力分布，并據此在總圖上進行適宜的布置。其基本原則是盡量使建筑的朝向與夏季主導風互成垂直的關系，然而需要注意的是，這種情況下布置的建筑，其背風面會形成較大的漩渦區，對處于靠后建筑的通風會有不利影響。所以，在總圖設計中，應結合實際情況，對建筑單體的面寬，高度，間距等指標進行分析，以合適的布局和體量獲得最佳的整體自然通風效果。其次是對項目用地的環境分析，如地勢是否有高差，其高差是處于迎風面還是背風面，地表是否有顯著的障礙物等因素都是需要納入考慮的范疇。對環境分析的結果是建筑設計的基本依據，建筑師可通過采取豎向設計，景觀設計以及單體設計等方面，減弱不利因素，為實現自然通風改善條件。

2.2 建筑外墻的開口

建筑外圍結構的開口可直接影響和控制自然通風的效果，其開口的位置，尺寸及朝向可通過具體分析進行優化。根據相關實驗表明，當出風口面積大于進風口面積10%左右時，室內風速可達到最佳的狀態。不同方位的開口位置決定著室內空氣流動的路線，進風口與出風口之間的高差，可改變氣流在室內流動的方向，在風力較弱時也可促進室內通風。另一方面，開口的形式也是影響通風的一個重要因素。目前大量的公共建筑如辦公樓，酒店等，均采用玻璃幕墻系統作為外部圍護結構，出于安全及防雨的考慮，玻璃幕墻的開窗往往采用只能開啟一定角度的下懸窗。但這種開窗方式極大的影響了自然通風效果，使外部風力難以進入室內，從而進一步的增加了建筑對機械通風的依賴。相比之下，平開窗一般可較好的引入風力，而通風百葉在引入風力的同時，還可對風力引入的角度進行控制，以獲取更好的效果。

2.3 建筑內部空間的布置

消費者在選購住宅時，多傾向于選擇南北通透的板式建筑，其優勢正是因為板式建筑進深較小，利于采光和通風。而且如果與之對應的平面布局規整、通透，建筑內部空氣流動的阻力就越小，通風也就越流暢，易形成所謂的“穿堂風”。反之，雖然同為板式建筑，內廊式的公寓或酒店，因其平面的隔斷，通風效果就明顯不如住宅。而對于進深較大，利用風壓通風有困難的建筑，可通過設置采光中庭等開放式豎向空間，利用熱壓通風的原理，促進室內空氣循環。此外，還可通過拔風井和無動力排氣風帽，借助外部風力對風帽作用時產生的吸力，從室內抽取空氣向外排風。

2.4 新技術手段的運用

隨著節能環保技術的大力推廣和發展，一些利用自然通風的新技術手段也逐漸被建筑師所采用。其中，雙層玻璃幕墻是近年來低能耗建筑所廣泛采用的新興技術。雙層幕墻與傳統幕墻相比，其最大特點是，兩層玻璃幕之間留有一定寬度的通風換氣層，該換氣層上下貫通，并在底部和頂部設有通風百葉(見圖6)。在夏季，當換氣層內的空氣被加熱時，熱空氣向上流動，從頂部的百葉排出。同時，外界溫度較低的空氣從底部的百葉被吸入，形成換氣層內的自然通風，以達到自然冷卻的效果。而在冬季，上下兩端的百葉通過調節進風量，保持換氣層內的熱量，從而降低室內熱量損耗。除此之外，諸如設置太陽能風塔，利用煙囪效應進行自然通風的手段也不失為對傳統拔風井的創新。

圖5 英國諾丁漢稅務局總部通風系統[3]

圖6 某辦公樓采用的雙層玻璃幕墻系統

3 結語

建筑為人們提供了工作、生活、學習等幾乎一切活動所需的空間場所，通風作為建筑最基本的需求和功能，對建筑師而言是一項持續的課題。

隨著建筑材料和建造工藝的進步，傳統建筑普遍采用的自然通風，已經大量的被機械通風所取代。但是隨之而來的高能耗，與當今社會倡導的可持續發展趨勢相悖，更與我國的國情不相符。因此，我們在從事建筑設計的工作中，應當有意識的因地制宜，結合當地的氣候特征、地形地貌，將傳統技術與現代手段相結合，制定出綜合全面、低碳環保的建筑方案。讓可持續發展，建設節約型社會的總體目標，通過建筑設計進一步得到體現，為國家長足的經濟發展做出貢獻。

[1] 吉沃尼·B.人·氣候·建筑[M].北京:中國建筑工業出版社，1982.

[2] Narenda.K.Bansal.被動式建筑設計:自然氣候調節手冊[M].Elsevier Science出版社，1994.

[3] [英]Alistair Gardner.建設稅務局[J].建筑評論，1995:18-22.

[4] [英]馬丁·P·L.建筑的采暖與空氣調節[M].北京:建筑出版社，1979.

[5] [英]理查德·尼克斯.采暖，通風與空氣調節[M].北京:交界出版社，2002.