自然通風在現代住宅建筑設計中的應用

摘要：建筑的自然通風十分重要，有效的自然通風能在解決房間光線問題的同時，能有效減少能源浪費，降低造價成本，而且，自然通風可以有效地為建筑的使用者提供健康和舒適的空間環境，增強使用人員的身心健康。因此，自然通風作為一項重要的被動式設計方法被廣泛應用于生態建筑和綠色建筑設計中。文章簡要介紹了自然通風的原理及在現代建筑設計中的應用。

關鍵詞：建筑；自然通風；設計

良好的通風可以把新鮮空氣帶入室內，帶走進入室內的熱量，還可以促進人體的汗液蒸發降溫，使人感到舒適。目前大多數建筑物溫度控制及通風設施都是依賴于空調及機械通風設備?？照{的使用讓人們可以主動地控制居住環境，而不是被動地適應自然，也使人們漸漸淡化了對自然通風的重視。然而隨著社會的進步和建筑業的發展，人們對建筑的實用性、經濟性、節能性及舒適性等都提出了較高的要求。自然通風技術作為一項改善建筑熱環境、節約空調能耗的生態建筑技術，被廣泛應用于建筑建設之中，以降低建筑能耗，改善室內熱環境質量，尤其在住宅建筑中起著舉足輕重的作用。在這樣的背景下，把自然通風這項建筑生態技術重新引回現代住宅建筑中，有著比以往更為重要的意義。

一、建筑設計中的自然通風原理

（一）風壓作用下的自然通風

根據流體力學原理，當風吹向房屋時，迎風面墻壁空氣流動受阻，風速降低，使風的動能變為靜壓，作用在建筑物的迎風面上，因而使迎風面上所受到的壓力大于大氣壓，從而在迎風面形成正壓區。風受到迎風面阻擋后，從建筑物的屋頂及兩側快速繞流過去。繞流作用增加的風速使建筑物屋頂、兩側及背風面受到的壓力小于大氣壓，形成負壓區，從而實現自然通風（見圖1）。建筑物四周的風壓分布不同，迎風面和背風面的壓力差也隨之不同，它與建筑物的幾何形狀和建筑與風向的夾角等因素有關。一般來說，迎風面幾何中心正壓最大，屋脊與犀角處負壓最大。人們常說的穿堂風就是利用風壓來實現建筑的通風換氣。

圖1 風壓作用下的自然通風

（二）熱壓作用下的自然通風

自然通風的另一基本動力是建筑物內部的熱壓。熱壓是由于室內和室外空氣的溫度差而形成空氣密度差，進而產生壓差造成熱氣向上冷氣向下的空氣流動現象。在建筑設計中，利用熱壓原理將進氣口和排氣口問的落差加大，可以有效改善室內自然通風的效果，然后再結合建筑的削面設計來組織室內通風。從而實現自然通風（見圖2）。一般利用熱壓原理形成的室內自然通風被稱作“煙囪效應”，即室內外溫差越大，上下進出風口之間的高差越大，則產生的熱壓就越大。對于高溫車間利用熱壓進行通風是防暑降溫最有效的措施，它不消耗電能又可獲得巨大的換氣量。

圖2 熱壓作用下的自然通風

（三）利用熱壓與風壓實現自然通風

建筑中的自然通風往往是熱壓與風壓共同作用的結果，只是各自作用的程度不同，對建筑物整體自然通風的貢獻不同熱壓作用相對穩定，煙囪效應拔風的產生條件較容易實現；而風壓作用常常受到大氣環流、地方風、建筑形狀、周圍環境等因素的影響，具有不穩定性。所以當風壓與熱壓同時作用的時候，還可能出現減弱通風效果的情況。當風向與熱壓作用的流線方向相同時，會相互促進；反之，則會相互阻礙，從而影響自然通風的效果。利用風壓和熱壓進行自然通風往往是相互補充的，在實際情況中他們是共同作用的。一般來說，在建筑進深較小的部位多利用風壓來直接通風，而在進深較大的部位則多利用熱壓來達到通風效果。

（四）機械輔助式自然通風

在一些大型建筑中，由于通風路徑較長，流動阻力較大，單純依靠自然風壓與熱壓往往不足以實現自然通風。而對于空氣污染和噪聲污染比較嚴重的城市，直接的自然通風還會將室外污濁的空氣和噪聲帶入室內，不利于人體健康。在這種情況下，常常采用一種機械輔助式的自然通風系統。

二、應用自然通風需考慮的因素

（一）室內的熱量

為了減小屋內的氣溫，使用自然通風有一個必要的條件，就是外界的溫度要比室內的低一些，確保外界的流入屋內。非常明顯，當里面和外界的溫度差非常大的話，降溫取得的功效就會更加的顯著。對于完全依靠自然通風系統進行降溫的建筑，其使用效果則取決于很多因素，建筑的得熱量是其中的一個重要因素，熱量越大，通過降溫達到室內舒適要求的可能性越小。

（二）室內空氣濕度

應用自然通風對降低室內空氣溫度效果明顯，但對調節或控制室內空氣的濕度，效果甚微。因此，自然通風措施一般不能在非常潮濕的地區使用。但對于室外環境中空氣溫、濕度比較溫和適宜的地區（如英國），該技術被廣泛應用而且非常成熟。

（三）建筑環境的要求

采用自然通風之后，室內的環境大部分都得靠外在的條件來調整，除空氣自身的濕度以及溫度等要素之外，建筑中的空氣的質量以及聲音的控制也會受到外在環境的影響。根據目前的一些標準要求，采用自然通風的建筑，其建筑外的噪音應小于70dB。在一些大中型城市，自然通風環境噪音水平和空氣污染物濃度是目前城市環境治理中的難點，從而成為自然通風技術在城市建筑中應用的主要障礙。

（四）建筑方位

為了防止發生噪音以及空氣污染等問題，通常規定，物體的立面要和交通主線之間有20m左右的間隔。地區的主導風向與風速根據當地的主導風向與風速確定自然通風系統的設計，特別注意建筑是否處于周圍污染空氣的下游。因為城市和農村的環境本身有著非常大的差異，其對通風體系帶來的作用也是有著顯著地區別的，尤其是建筑附近的一些物體會對其附近風向以及光線等產生一定的作用。

（五）建筑形狀及朝向

通常建筑自身的寬數會對自然通風有一定的影響。通常其寬度小于10m時可用一側通風的措施。當該數值小于15m的時候可用雙向的措施。如果不這樣的話，就要使用別的一些方法進行搭配，例如煙囪結構或機械通風與自然通風的混合模式等。系統的進風口應該面對建筑周圍的主導風向，以便充分利用風壓作用。

三、自然通風在住宅建筑設計中的運用

（一）建筑群布局的合理設計

現代住宅小區是高層住宅與多層住宅混合搭配建造的形式，住宅布局及群體組合是否合理，直接關系到小區室外風環境質量的好壞。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。

（二）建筑室內空間的布置

在設計套型的平面風路時，盡量讓進出風口對位，如客廳和餐廳的門窗位置，減少氣流迂回路程，減小阻力。由于廚房廁所在夏季是熱、濕源，為了直接排走濕熱空氣，防止倒流，通風路徑應與室內活動空間分離。可在臥室和其他適當位置設活動門、活動格柵或者高側窗，夏季打開形成風路，冬季關閉，減少通風，可以在滿足一定的私密性的同時保證風路的暢通。為了避免風吹進房間后，斜向成為“交角風”跑掉，盡量避免在進風口窗戶的側墻上設計開口。為了保證風路暢通，套型平面風路設計應避免出現銳角的轉折，在平面轉折處，宜圓角處理、放大空間或設導流構件。點式住宅中，尤其是一梯8～10戶的住宅，多數住戶較難組織有效的穿堂風，室內通風的條件會比較差，這種情況下就要盡可能多的利用天井、過廳、樓梯間等空間增加室內開VI面積。留出適當的出風口，為室內形成對流創造條件，組織自然通風。進入室內的風會與室內墻體、家具等物體發生摩擦，從而減小風的勢能使風速越來越小，直至消失，因此，平面沿風路進深應小于14m。

（三）建筑窗設計

①窗戶的方位。建筑物的自然通風受窗戶與風向之間的位置關系影響最為直接，當窗戶朝向與主導風向偏斜45°角左右時，可在室內引起空氣紊流沿著房間四周作環行運動，從而增加了側墻及墻角處的氣流量，提高通風效果。因此，在建筑設計中，房間進風窗宜與建筑所在地主導風呈45°角為宜。②窗戶位置。在水平方向上的窗戶，加大進、出口間距離可有效增加洞口間的風壓差，在室內會形成紊流，空氣沿房間四周墻面作環形流動，可避免室內形成通風死角，有效改善室內自然通風狀況。同時，窗口的高度也是影響室內流場分布和氣流速度的重要因素，一般高窗能夠促進氣流流動，同時采光效果較好；而低窗雖然通風效果不好，但是能夠使地瞬反射的太陽光線比較均勻。因此在建筑設計中可以根據實際需要來設計窗的高度。③窗的大小。建筑設計中窗的大小最基本的是應該滿足通風、日照、視野等的需要。一般在氣候比較干熱的地區適合小窗，以此來達到遮陽的目的，為了便于更好的通風，在氣候濕熱的地區則要使用大窗。④窗戶選型及開啟方式。目前我國大多建筑的窗戶在采光而積不斷加大的同時，可開啟窗面積在逐步減小，這對室內通風產生不利影響。因此，基于改善建筑通風效率的原因，在建筑設計中，并必須對外窗選型及開啟方式加以關注。如單側向外開啟的平開窗，可引導室外風進入室內；外推旋轉窗可改變進入室內風的方向；推拉窗的引風、導風效果不明顯而且開啟面積小。因此，為了有效地改善建筑室內通風效果，盡量選用具有良好導風性能的窗如平開窗、上旋窗等。

（四）屋頂的自然通風

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溫度。另外，屋頂的形狀會影響室外風壓，從而影響自然通風效果，在設計中可采用翼形屋頂以便形成高壓區和低壓區。

（五）“煙囪”空間的利用

“煙囪”由垂直豎井和幾個風口組成，在房間的排風口末端安裝太陽能空氣加熱器以對從風塔頂部進入的空氣產生抽吸作用。該系統類似于風管供風系統。風塔由垂直豎井和風斗組成。在通風不暢的地區，可以利用高出屋面的風斗，把上部的氣流引入建筑內部，來加速建筑內部的空氣流通。風斗的開口應該朝向主導風向。在主導風向不固定的地區，則可以設計多個朝向的風斗，或者設計成可以隨風向轉動。

結束語

總之，自然通風已經成為生態建筑中的一項重要內容，越來越受到人們的重視。建筑設計者應該綜合考慮自然通風的原理及應用自然通風需考慮的因素，從總體布局，室內空間的布置，窗、屋面等方面的設計，有效地利用自然通風解決住宅中熱舒適性和空氣質量問題，以提升建筑品質、價值，滿足人們的舒適與健康，實現健康舒適的建筑。

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