由山西窯洞引發(fā)的關(guān)于建筑通風(fēng)設(shè)計的思考

摘要：以山西傳統(tǒng)窯洞為研究對象，通過文獻(xiàn)數(shù)據(jù)分析和實地調(diào)研兩種方式，提出了山西傳統(tǒng)窯洞建筑的通風(fēng)設(shè)計策略。旨在將自然通風(fēng)的綠色生態(tài)方式由傳統(tǒng)窯洞普及到現(xiàn)代建筑中去。

關(guān)鍵詞：山西窯洞;熱壓通風(fēng);通風(fēng);建筑設(shè)計

1.現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)

在我的印象中窯洞建筑是借助自然條件達(dá)到冬暖夏涼的室內(nèi)環(huán)境的建筑形式，在采光和通風(fēng)方面有它的局限性。但是事實卻不是這樣，雖然目前建筑技術(shù)、材料和形式都日趨多樣化，但很多居民仍選擇居住在窯洞中，這就表明窯洞建筑也在不斷改進(jìn)。在保持其原有經(jīng)濟(jì)性、區(qū)域性、簡易性、舒適性、生態(tài)性的前提下，窯洞建筑在采光和通風(fēng)上也有了一些新的技術(shù)。我們在窯洞里待了一段時間，發(fā)現(xiàn)并沒有發(fā)生通風(fēng)方面的問題，并沒有覺得很不舒適。我們推測是現(xiàn)代窯洞在通風(fēng)上采取了一定的措施加強了室內(nèi)空氣的流通。查閱相關(guān)資料了解到一些關(guān)于新型窯洞加強通風(fēng)的措施，推測可能是用了熱壓來加強室內(nèi)通風(fēng)。使部分空氣在陽光的加熱下膨脹，產(chǎn)生一定的壓強，對空氣有外力的作用，促使空氣流通，得到通風(fēng)。

2.理論

現(xiàn)代窯洞建筑采取了熱壓來加強室內(nèi)通風(fēng)。使部分空氣在陽光的加熱下膨脹，產(chǎn)生一定的壓強，對空氣有外力的作用，促使空氣流通，得到通風(fēng)。

3.原理闡述

3.1國內(nèi)窯洞發(fā)展現(xiàn)狀

目前國內(nèi)的窯洞建筑按形式可劃為傳統(tǒng)窯洞和新型窯洞兩類。傳統(tǒng)窯洞建造工藝簡單，主要借助自然條件達(dá)到冬暖夏涼的室內(nèi)環(huán)境。其主要形式有靠崖式、下沉式和獨立式。最常見的是靠山式窯洞，約占總數(shù)的70%以上。

3.2傳統(tǒng)窯洞的優(yōu)點

①良好的節(jié)能性：窯洞頂部一般有至少1.5m厚的覆土，夏季的熱氣和冬季的冷氣都不易滲透，因此制冷和采暖的耗能與費用會相對較低。

②就地取材，造價低廉，施工簡便：靠崖式窯洞窯是運用“減法”建造，直接在崖壁上挖掘而成，既節(jié)省了材料費用，又降低了工程造價。

③節(jié)省耕地：陜北地區(qū)耕地十分有限，近年來隨著西部大開發(fā)的推進(jìn)，耕地被侵占的現(xiàn)象日益嚴(yán)重，而靠崖式窯洞是在崖壁上創(chuàng)造居住空間，不會占用耕地。

④窯洞四壁由生土包圍，具有很好的防火、防漏和防噪效果，而且經(jīng)久耐用。

3.3傳統(tǒng)窯洞的缺點

①通風(fēng)不佳：靠崖式窯洞只能在一側(cè)設(shè)置門窗，其他三面及屋頂均是封閉的，因此只能在門窗處形成小范圍的空氣循環(huán)，通風(fēng)狀況極其不好。夏季時室內(nèi)空氣不能及時更新，極易滋生細(xì)菌;而冬季時由于灶臺的使用，室內(nèi)部分空氣從煙囪排出，造成室外冷空氣從門窗縫隙出滲入，降低室內(nèi)熱舒適度。

②采光有限：只能單側(cè)采光，采光量有限，只有在陽光充足時才能獲得部分陽光，造成室內(nèi)后部長時間無陽光照射。

③陰雨天氣易受潮：窯洞是以生土為建筑材料，易受水份影響，尤其遇上連續(xù)陰雨，生土的含水量增加，無法及時蒸發(fā)就會滲入室內(nèi);而且由于通風(fēng)不佳，空氣無法快速循環(huán)更新，造成室內(nèi)空氣濕度過大，令人不適。

3.4新型窯洞的通風(fēng)措施

①利用太陽能煙囪加強室內(nèi)自然通風(fēng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐纳罘绞剑募緯r在傳統(tǒng)窯洞原有的煙囪上端附加玻璃罩，組合成太陽能煙囪，利用陽光加熱煙囪上端空氣，增大煙囪內(nèi)空氣溫差，利用熱壓通風(fēng)來加強空氣流動;研究測試表明：當(dāng)煙囪的長寬比約為12∶1，出風(fēng)口向下傾斜4°時，通風(fēng)效果最佳。冬季時將玻璃罩取下，煙囪正常使用，操作簡單、使用方便。

②利用附加陽光間加強室內(nèi)自然通風(fēng)在傳統(tǒng)窯洞原有山墻外側(cè)增置陽光間，夏季時通過植物及可調(diào)百葉，阻擋直射陽光。冬季則利用陽光間對入室新風(fēng)進(jìn)行預(yù)熱，同時還可以為居民提供一個休憩娛樂和暫存物品的空間，造價較低，實用性強。

③利用水井和地面土層調(diào)節(jié)入室空氣溫度。結(jié)合當(dāng)?shù)氐淖匀粭l件，在地下增設(shè)室內(nèi)與水井的連通管道，利用水井和地面土層對入室新風(fēng)進(jìn)行預(yù)熱和冷卻，減小新風(fēng)與室內(nèi)空氣的溫差，提高室內(nèi)舒適度。

3.5運行原理

①夏季運行原理

夏季，太陽能煙囪底部的吸熱板吸收太陽能，使煙囪內(nèi)空氣溫度升高，熱空氣上升形成負(fù)壓區(qū)，室內(nèi)上空熱空氣通過煙囪上端出風(fēng)口（D）進(jìn)入煙囪，同時新鮮空氣通過水井與地面土層冷卻后由室內(nèi)地面新風(fēng)入口（F）進(jìn)入室內(nèi)，如此促進(jìn)室內(nèi)空氣循環(huán)，同時起到降溫作用。在日照較為強烈時，調(diào)節(jié)陽光間百葉角度，結(jié)合庭院中的落葉喬木，阻擋直射光線。與此同時，陽光間頂部出風(fēng)口（A）開啟，利用熱壓原理帶動陽光間內(nèi)空氣的流通（圖1）。

圖1""夏季運行原理示意圖

②冬季運行原理

冬季，傳統(tǒng)窯洞主要依靠取暖灶臺來提高室內(nèi)熱舒適度。此時將太陽能煙囪取下，由于陽光間庭院喬木樹葉脫落，調(diào)節(jié)陽光間天窗百葉角度，保證充足的陽光射入，對其內(nèi)部空氣進(jìn)行加熱;同時將其外側(cè)風(fēng)口關(guān)閉，窯洞山墻面風(fēng)口打開（C）。煤炭燃燒時產(chǎn)生熱量，使煙囪內(nèi)空氣溫度升高，熱空氣上升形成負(fù)壓區(qū)，室內(nèi)底部冷空氣通過灶臺底部進(jìn)風(fēng)口（G）進(jìn)入煙囪，新鮮空氣通過水井和地面土層第一次預(yù)熱后由陽光間內(nèi)地面新風(fēng)入口（E）進(jìn)入其內(nèi)，經(jīng)陽光間第二次預(yù)熱后通過山墻上部進(jìn)風(fēng)口（C）進(jìn)入室內(nèi)，如此促進(jìn)室內(nèi)空氣循環(huán)，改善室內(nèi)的空氣質(zhì)量（圖2）。

圖2""冬季運行原理示意圖

4.驗證

為了證明現(xiàn)代窯洞的通風(fēng)措施是通過控制熱壓來實現(xiàn)的，我們找到了一類與窯洞相類似的建筑形式——覆土建筑。覆土建筑就是有土覆蓋的建筑空間，是地下空間的一種。覆土建筑在南北方都有分布，無論是西北地區(qū)還是長江中下游地區(qū)都有覆土建筑的身影。高濕度是造成夏季濕熱與冬季濕冷的最主要因素，而且位于土下的覆土建筑如果處理不好，土壤中的濕度會加劇這種潮濕的感覺，室內(nèi)甚至?xí)Y(jié)露。自然通風(fēng)是可以想到的最簡單的方法。不同的地形地勢會產(chǎn)生不同的氣流和空氣溫度。

但是由于地形的影響，一般將建筑置于斜坡的迎風(fēng)面，相對位置較高的山脊附近（圖3）。如果是平坦地，整個區(qū)域會有相似的氣候條件，利用地形構(gòu)成自然通風(fēng)不太容易辦到，一般多采用捕風(fēng)器或強制機械通風(fēng)系統(tǒng)（圖4）。

圖3""地形地勢影響氣流

圖4""平地上的捕風(fēng)器

氣壓差與風(fēng)是解決覆土建筑室內(nèi)高濕度引起的種種問題的主要辦法。在有條件利用自然通風(fēng)的前提下，應(yīng)盡量使建筑的進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口順應(yīng)主導(dǎo)風(fēng)向，加強氣壓差，增大通風(fēng)效果（圖5）。另外種植植物應(yīng)引導(dǎo)氣流而不能阻礙氣流流動（圖6）。

圖5""順應(yīng)主導(dǎo)風(fēng)向的開口布置

圖6""種植植物引導(dǎo)氣流

用細(xì)高的熱壓通風(fēng)豎井進(jìn)行自然通風(fēng)最為有效。風(fēng)道的開口方向直接決定了能引入多少自然風(fēng)，因此風(fēng)道頂端垂直面的開口可以有兩個、三個或四個風(fēng)面或做成捕風(fēng)器的形式，隨風(fēng)向改變可旋轉(zhuǎn)的系統(tǒng)（圖7）。一般說來，風(fēng)道豎井越高，捕風(fēng)效果越好。

也就是說，像窯洞覆土建筑這種依托于土壤的建筑通風(fēng)一般有兩種措施：其一是利用氣壓差的自然通風(fēng);其二是利用熱壓通風(fēng)。考慮到當(dāng)?shù)貧夂虻南拗疲S土高原冬季的風(fēng)不僅具有干冷和風(fēng)力強大的特點，而且常常夾帶著沙塵，因此要求建筑要具有良好的防風(fēng)性能。靠山的窯居通常建于東南向的陽坡之上，很好的回避了黃土高原冬季寒冷的西北風(fēng)的侵襲，下沉式窯居開敞的出入口通常背風(fēng)設(shè)置，下沉的庭院內(nèi)向型封閉的院落形成一個相對穩(wěn)定的小氣候，是躲避冬季強烈西北寒風(fēng)侵襲的最好選擇;獨立式窯洞建筑物的入口、門窗、庭院背風(fēng)設(shè)置;而北面迎風(fēng)面盡量為實墻，即使開窗，窗戶面積也應(yīng)盡可能減小，冬季進(jìn)行封堵。也就是說在西北地區(qū)的氣候條件限制下，想要通過氣壓差形成自然通風(fēng)會面對很多其他的問題，一般很少采用，所以得出結(jié)論現(xiàn)代窯洞采用的是熱壓通風(fēng)。

圖7""風(fēng)道和可旋轉(zhuǎn)的捕風(fēng)器

5.一般化

從新型窯洞的熱壓通風(fēng)，我們可以將此種方法普及到一般建筑中去，例如2010年上海世博會日本館中的循環(huán)呼吸柱。建筑內(nèi)部貫穿其中的6根呼吸柱是建筑與環(huán)境交流融合的核心。在建筑底部直通室外空間的下部區(qū)域設(shè)置地?zé)嵯洌募臼彝庋谉岬目諝饨?jīng)過地?zé)嵯渥匀唤禍乩鋮s，再通過呼吸柱的底部導(dǎo)入室內(nèi)，并利用其拔風(fēng)效果上升向室內(nèi)送風(fēng)，直接降低了夏季室內(nèi)的溫度和空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)負(fù)荷，展廳內(nèi)聚集熱空氣，則利用溫升作用通過呼吸柱頂端的開口直接向室外排出，形成循環(huán)氣流，營造出室內(nèi)舒適的溫濕環(huán)境和適宜的氣流組織。

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