公共建筑自然通風(fēng)設(shè)計(jì)若干實(shí)例探討

金曉東 劉閩敏

自然通風(fēng)是當(dāng)今建筑普遍采取的一項(xiàng)改善建筑熱環(huán)境、節(jié)約空調(diào)能耗的技術(shù)，有兩點(diǎn)至關(guān)重要的意義:1)實(shí)現(xiàn)有效被動(dòng)式制冷;2)可以提供新鮮、清潔的自然空氣，有利于人的生理和心理健康。

實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)主要有兩個(gè)途徑:利用風(fēng)壓和熱壓。利用風(fēng)壓來實(shí)現(xiàn)建筑自然通風(fēng)，即平常所講的“穿堂風(fēng)”。首先要求建筑有較理想的外部風(fēng)環(huán)境，平均風(fēng)速一般不小于 3 m/s～4 m/s。其次建筑應(yīng)面向夏季夜間風(fēng)向，房間進(jìn)深較小:一般情況下，單向自然通風(fēng)的進(jìn)深應(yīng)小于房間凈高的2倍，大致在6 m左右;雙向自然通風(fēng)的進(jìn)深應(yīng)小于房間凈高的5倍，大致在12 m～15 m左右，以便易于形成穿堂風(fēng)。由于自然風(fēng)變化幅度較大，受周圍環(huán)境影響，常在建筑周圍形不成足夠的風(fēng)壓，并且通常公共建筑進(jìn)深大，如果同時(shí)處于不利朝向時(shí)，利用風(fēng)壓實(shí)現(xiàn)穿堂風(fēng)常常不具備可能性。因而建筑師利用自然通風(fēng)的另一種機(jī)理:通過建筑內(nèi)部的熱壓差實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)，即平常所講的“煙囪效應(yīng)”。熱空氣上升，從建筑上部風(fēng)口排出，室外新鮮的冷空氣從建筑底部或者建筑各層被吸入，從而實(shí)現(xiàn)通風(fēng)的效果。對(duì)于高層建筑而言，由于風(fēng)速隨著高度增加而變大，因而實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)比較容易。但是風(fēng)速往往過大，窗戶直接外開不僅存在安全隱患且風(fēng)速過大不利于舒適度的改善。

1 多層建筑

1.1 英國(guó)國(guó)內(nèi)稅務(wù)中心

邁克爾?霍普金斯設(shè)計(jì)的英國(guó)國(guó)內(nèi)稅務(wù)中心位于諾丁漢市的傳統(tǒng)街區(qū)。由于建筑本身呈院落式布局(共7個(gè)組團(tuán))，高度僅為3層～4層，加上受緊湊的城市格局的影響，建筑周邊的風(fēng)速較小，尚不能很好地滿足自然通風(fēng)的需求，因此，霍普金斯在控制建筑進(jìn)深(13.6 m)以利于自然采光、通風(fēng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一組頂帽可以升降的圓柱形玻璃通風(fēng)塔，用作建筑的入口和樓梯間。玻璃通風(fēng)塔可最大限度地吸收太陽(yáng)的能量，提高塔內(nèi)空氣溫度，從而進(jìn)一步加強(qiáng)煙囪效應(yīng)，帶動(dòng)各樓層的空氣循環(huán)，實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)。冬季時(shí)可將頂帽降下以封閉排氣口，這樣通風(fēng)塔便成為一個(gè)玻璃暖房，有利于節(jié)省采暖能耗。稅務(wù)中心的年設(shè)計(jì)能耗為110 kWh/m2，實(shí)現(xiàn)了城市密集環(huán)境中的完全被動(dòng)式制冷，如圖1，圖2所示。

1.2 英國(guó)考文垂大學(xué)圖書館

如圖3所示，該4層高的建筑建成于2000年，總面積超過1萬(wàn)m2，50 m×50 m見方的大進(jìn)深。從周邊到中央中庭最大距離達(dá)到25 m，無(wú)法實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)，因而建筑平面被分為4部分，分別設(shè)置了4個(gè)天井送風(fēng)。冬季冷空氣在進(jìn)入室內(nèi)之前，通過天井底部的預(yù)熱盤管加熱，然后通過預(yù)埋在樓板中的供熱裝置加熱至18℃。廢氣則通過周邊的6個(gè)煙囪和中央采光天井排放?？刂葡到y(tǒng)通過感應(yīng)器提供的室內(nèi)外狀態(tài)的參數(shù)來改變通風(fēng)口的開合狀態(tài)，控制氣流的流動(dòng)。建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用兩層磚砌成，與預(yù)制樓板一道構(gòu)成良好的蓄熱體，可以延緩日照等因素對(duì)室內(nèi)溫度的影響，使室溫更穩(wěn)定。夏季蓄熱體白天吸收大量熱量，使得室溫不至于過高;夜間利用室外溫度較低的冷空氣對(duì)蓄熱材料進(jìn)行充分的通風(fēng)降溫，改善夜間室內(nèi)溫度，有效發(fā)揮蓄熱材料的潛力。根據(jù)室內(nèi)溫度實(shí)測(cè)報(bào)告，當(dāng)室外溫度在27℃～34℃之間變化時(shí)，該建筑室內(nèi)溫度保持在20.2℃～24.4℃之間，達(dá)到了良好穩(wěn)定的室內(nèi)環(huán)境。

對(duì)于某些大型體育館、展覽館、商業(yè)設(shè)施等，由于通風(fēng)路徑較長(zhǎng)，空氣流動(dòng)阻力較大，單純依靠自然的熱壓往往不足以實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)。且對(duì)于空氣和噪聲污染比較嚴(yán)重的大城市，直接自然通風(fēng)會(huì)將室外污濁的空氣和噪聲帶入室內(nèi)，不利于人體健康，在以上情況下，常常采用機(jī)械輔助手段，與熱壓相配合，實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)。該系統(tǒng)有一套完整的空氣循環(huán)通道，輔以符合生態(tài)思想的空氣處理手段(土壤預(yù)冷、預(yù)熱、深井水換熱等)，并借助一定的機(jī)械方式來加速室內(nèi)通風(fēng)。

1.3 德國(guó)議會(huì)大廈改建

如圖4所示，德國(guó)議會(huì)大廈新建一個(gè)玻璃穹頂，不僅為建筑內(nèi)部引入了自然采光，還包含著自然通風(fēng)系統(tǒng)，建筑內(nèi)部的空氣因?yàn)闊焽栊?yīng)被導(dǎo)入當(dāng)中，但是大城市的空氣污染和交通噪聲是設(shè)計(jì)者不得不面對(duì)的現(xiàn)實(shí)。為了避免汽車尾氣等有害氣體及塵埃進(jìn)入建筑內(nèi)部，大廈進(jìn)氣口設(shè)在檐口高度，并在風(fēng)道中設(shè)置過濾器和聲屏障，以最大限度地除塵、降噪，因而保證進(jìn)入室內(nèi)的是新鮮空氣。同時(shí)帶動(dòng)空氣流動(dòng)及遮陽(yáng)設(shè)備的能源，由屋頂?shù)奶?yáng)能光電板產(chǎn)生。此外，建筑利用深層土壤蓄冷和蓄熱，并使之與自然通風(fēng)系統(tǒng)相結(jié)合，在夏季使空氣預(yù)冷，在冬季使空氣預(yù)熱，同時(shí)產(chǎn)生理想的節(jié)能效果。穹頂投入使用后，溫度峰值降低了30%。

2 高層建筑

2.1 法蘭克福商業(yè)銀行

在法蘭克福商業(yè)銀行的設(shè)計(jì)過程中，針對(duì)塔樓中庭(60層)的自然通風(fēng)狀況，福斯特及其合作者進(jìn)行了無(wú)數(shù)次計(jì)算機(jī)模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)。與前面幾位建筑師不同，福斯特最關(guān)注的不是風(fēng)速夠不夠大，而是風(fēng)速會(huì)不會(huì)太大。計(jì)算和試驗(yàn)的結(jié)果正如建筑師所擔(dān)心的那樣，如果整個(gè)中庭從上到下不加分隔，那么在很多情況下中庭內(nèi)部將產(chǎn)生無(wú)法忍受的紊流。因而中庭每12層被玻璃天花分成一段，8層高的辦公區(qū)與4層高的花園面向這個(gè)中庭，同時(shí)取得良好的自然景觀和通風(fēng)效果。

2.2 德國(guó)哥茲總部辦公樓

雙層通風(fēng)玻璃幕墻是當(dāng)今生態(tài)建筑中所普遍采用的一項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，它主要針對(duì)以往玻璃幕墻能耗高，室內(nèi)空氣質(zhì)量差等問題利用雙層(或三層)玻璃作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，玻璃之間留有一定寬度的通風(fēng)道并配有可調(diào)節(jié)的百葉。在冬季，雙層玻璃之間形成一個(gè)陽(yáng)光溫室，增加了建筑內(nèi)表面的溫度有利于節(jié)約采暖。在夏季，利用煙囪效應(yīng)對(duì)通風(fēng)道進(jìn)行通風(fēng)，使玻璃之間的熱空氣不斷地被排走，達(dá)到降溫的目的，對(duì)于高層建筑來說，直接開窗通風(fēng)容易造成紊流，不易控制。而雙層圍護(hù)結(jié)構(gòu)能夠很好地解決這一問題。此外，雙層圍護(hù)結(jié)構(gòu)在玻璃材料的特性(如低輻射)，除塵、降噪等方面都大大優(yōu)于直接開窗通風(fēng)。

3 結(jié)語(yǔ)

自然通風(fēng)是一項(xiàng)古老的技術(shù)，在許多鄉(xiāng)土建筑中都閃現(xiàn)著它的影子。隨著生態(tài)觀念的深入人心及對(duì)自然通風(fēng)對(duì)健康作用的深入認(rèn)識(shí)，實(shí)現(xiàn)的自然通風(fēng)新技術(shù)已經(jīng)開始在現(xiàn)代建筑中越來越廣泛的應(yīng)用。通過上述實(shí)例分析，可以得知對(duì)大進(jìn)深公共建筑及高層建筑采取良好的技術(shù)設(shè)計(jì)，完全能夠達(dá)到實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)，改善建筑室內(nèi)外熱環(huán)境，提高舒適度，盡量少用采暖制冷設(shè)備以節(jié)約能源的目標(biāo)。

[1] 顏宏亮.建筑特種構(gòu)造[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，2002.

[2] 宋德萱.節(jié)能建筑設(shè)計(jì)與技術(shù)[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，2003.

[3] 付祥釗.夏熱冬冷地區(qū)建筑節(jié)能技術(shù)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.

[4] C.Alan Short.面向不同氣候條件下低能耗、高效、大進(jìn)深公共建筑的設(shè)計(jì)類型學(xué)[J].世界建筑，2004(8):12-14.