建筑自然通風(fēng)設(shè)計(jì)及屋頂?shù)膽?yīng)用

孫彩鳳;魏久明

摘要:結(jié)合自然通風(fēng)的基本原理和一些實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),分析了現(xiàn)代建筑自然通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的若干限制條件。

Abstract:Based on the basic principles and the practical experiences of the natural ventilation, the thesis analyzes the design and restrictions of the construction of natural ventilation.

關(guān)鍵詞:現(xiàn)代建筑;自然通風(fēng);原理;條件;因素

Key words:modern construction;natural ventilation;principles;condition;factors

中圖分類號:TU22 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1006-4311(2010)04-0192-01

1 自然通風(fēng)的原理與模式

建筑的自然通風(fēng)從動(dòng)力來源上可分為完全自然通風(fēng)和機(jī)械輔助自然通風(fēng)兩種模式。完全自然通風(fēng)是由來自室外風(fēng)速形成的“壓差”和建筑表面的洞口間位置及溫度造成的“溫差”形成的室內(nèi)外空氣流動(dòng)。按照熱力學(xué)原理,建筑室內(nèi)溫度有沿高度逐漸向上遞增的特點(diǎn)。該特點(diǎn)是建筑隨層高增加而使上下之間溫差加劇的主要原因,設(shè)計(jì)師也經(jīng)常利用這一點(diǎn),挖掘建筑自然通風(fēng)的潛力。機(jī)械輔助自然通風(fēng)是利用溫差造成的熱壓和機(jī)械動(dòng)力相結(jié)合而形成的室內(nèi)外空氣對流。與完全自然通風(fēng)相比,雖然建筑內(nèi)局部作為輔助動(dòng)力的機(jī)械裝置要消耗一定的能源,但通過這種裝置重新組織氣流,甚至在局部“強(qiáng)迫”氣流改向,可以使自然通風(fēng)達(dá)到更好的效果。在這兩種通風(fēng)模式中,屋頂都是形成溫差,組織氣流的重要環(huán)節(jié),在整個(gè)自然通風(fēng)系統(tǒng)中起著重要作用

2 自然通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的限制性條件

2.1 室內(nèi)得熱量的限制。應(yīng)用自然通風(fēng)的前提是室外空氣溫度比室內(nèi)低,通過室內(nèi)空氣的通風(fēng)換氣,將室外風(fēng)引入室內(nèi),降低室內(nèi)空氣的溫度。很顯然,室內(nèi)、外空氣溫差越大,通風(fēng)降溫的效果越好。對于一般的依靠空調(diào)系統(tǒng)降溫的建筑而言,應(yīng)用自然通風(fēng)系統(tǒng)可以在適當(dāng)時(shí)間降低空調(diào)運(yùn)行負(fù)荷,典型的如空調(diào)系統(tǒng)在過渡季節(jié)的全新風(fēng)運(yùn)行。對于完全依靠自然通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)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(gè)重要因素,得熱量越大,通過降溫達(dá)到室內(nèi)舒適要求的可能性越小?，F(xiàn)在的研究結(jié)果表明,完全依靠自然通風(fēng)降溫的建筑,其室內(nèi)的得熱量最好不要超過40W/m2。

2.2 建筑環(huán)境的要求。應(yīng)用自然通風(fēng)降溫措施后,建筑室內(nèi)環(huán)境在很大程度上依靠室外環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié),除了空氣的溫、濕度參數(shù)外,室內(nèi)的空氣品質(zhì)和噪音控制也將被室外環(huán)境所破壞。根據(jù)目前的一些標(biāo)準(zhǔn)要求,采用自然通風(fēng)的建筑,其建筑外的噪音不應(yīng)該超過70dB;尤其在窗戶開啟的時(shí)候,應(yīng)該保證室內(nèi)周邊地帶的噪音不超過55dB。同時(shí),自然通風(fēng)進(jìn)風(fēng)口的室外空氣質(zhì)量應(yīng)該滿足有關(guān)衛(wèi)生要求。

2.3 建筑條件的限制。應(yīng)用自然通風(fēng)的建筑,在建筑設(shè)計(jì)上應(yīng)該參考以上兩點(diǎn)要求,充分發(fā)揮自然通風(fēng)的優(yōu)勢。

(1)建筑位置。周圍是否有交通干道、鐵路等。一般認(rèn)為,建筑的立面應(yīng)該離開交通干道20米,以避免進(jìn)風(fēng)空氣的污染或噪音干擾;或者,在設(shè)計(jì)通風(fēng)系統(tǒng)時(shí),將靠近交通干道的地方作為通風(fēng)的排風(fēng)側(cè)。地區(qū)的主導(dǎo)風(fēng)向與風(fēng)速。根據(jù)當(dāng)?shù)氐闹鲗?dǎo)風(fēng)向與風(fēng)速確定自然通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì),特別注意建筑是否處于周圍污染空氣的下游。周圍環(huán)境。由于城市環(huán)境與鄉(xiāng)村環(huán)境不同,對建筑通風(fēng)系統(tǒng)的影響也不同,特別是建筑周圍的其它建筑或障礙物將影響建筑周圍的風(fēng)向和風(fēng)速、采光和噪音等。(2)建筑形狀。形狀建筑的寬度直接影響自然通風(fēng)的形式和效果。建筑寬度不超過10米的建筑可以使用單側(cè)通風(fēng)方法;寬度不超過15米的建筑可以使用雙側(cè)通風(fēng)方法;否則,將需要其它輔助措施,例如煙囪結(jié)構(gòu)或機(jī)械通風(fēng)與自然通風(fēng)的混合模式等。建筑朝向?yàn)榱顺浞掷蔑L(fēng)壓作用,系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)口應(yīng)該面對建筑周圍的主導(dǎo)風(fēng)向。(3)建筑內(nèi)部設(shè)計(jì)。比較大的層高有助于利用室內(nèi)熱負(fù)荷形成的熱壓加強(qiáng)自然通風(fēng)。室內(nèi)分隔的形式直接影響通風(fēng)氣流的組織和通風(fēng)量。建筑內(nèi)豎直通道或風(fēng)管可以利用豎直通道產(chǎn)生的煙囪效應(yīng)有效組織自然通風(fēng)。(4)室內(nèi)人員。室內(nèi)人員密度和設(shè)備、照明得熱的影響。對于建筑得熱超過40W/m2的建筑,可以根據(jù)建筑內(nèi)熱源的種類和分布情況,在適當(dāng)?shù)膮^(qū)域分別設(shè)置自然通風(fēng)系統(tǒng)和機(jī)械制冷系統(tǒng)。工作時(shí)間將影響其它輔助技術(shù)的選擇(如晚間通風(fēng)系統(tǒng))。

2.4 室外空氣濕度的影響。應(yīng)用自然通風(fēng)對降低室內(nèi)空氣溫度效果明顯,但對調(diào)節(jié)或控制室內(nèi)空氣的濕度,效果甚微。因此,自然通風(fēng)措施一般不能在非常潮濕的地區(qū)使用。

3 屋頂在完全自然通風(fēng)中的作用

當(dāng)室內(nèi)存在貫穿整幢建筑的“豎井”空間時(shí),就可利用其上下兩端的溫差來加速氣流,以帶動(dòng)室內(nèi)通風(fēng),其實(shí)質(zhì)就是“溫差——熱壓——通風(fēng)”的原理。作為建筑共享空間的中庭就可以勝任這個(gè)“豎井”的職能,一般來說,其所占空間比例以超過整幢建筑的1/3為宜。這種中庭的屋頂一般都具備兩項(xiàng)性能:(1)它們能讓陽光射入中庭,將中庭內(nèi)空氣加熱并產(chǎn)生上下溫差;(2)它們是全部或局部可開啟的,在需要通風(fēng)時(shí)能讓氣流找到出口。赫爾佐格設(shè)計(jì)的德國林茨城的HOLZ大街住宅區(qū),每幢住宅樓的顯著特征是帶玻璃頂?shù)墓蚕碇型ァ＿@個(gè)中庭貫穿建筑五層并稍稍高出兩側(cè)房間的屋面。冬天,陽光透過玻璃屋頂直射進(jìn)來,中庭屋頂?shù)膫?cè)窗關(guān)閉,使中庭成為一個(gè)巨大的“暖房”,到了夜晚,白天中庭儲(chǔ)存的熱量又可以向兩側(cè)的房間輻射;夏天,中庭屋頂?shù)膫?cè)窗開啟,將從門廳引進(jìn)的自然風(fēng)帶著熱量一并排出,使建筑在夜間能冷卻下來。當(dāng)建筑體量小,內(nèi)部的“豎井”空間高度不夠形成有效溫差時(shí),也可以做成沖出屋面的豎向突?？臻g。如何使那些突出屋面的部分在外觀上和屋頂協(xié)調(diào),甚至使其成為整個(gè)建筑造型的亮點(diǎn),對每個(gè)建筑師來說既是挑戰(zhàn),更是機(jī)遇。

4 屋頂在機(jī)械輔助自然通風(fēng)中的作用

對于很多地區(qū)的建筑來說,完全自然通風(fēng)并不是每個(gè)季節(jié)都適宜的;有些建筑受特定條件的制約,也不具備低進(jìn)高出的氣流走廊。這時(shí)的建筑自然通風(fēng)就必須借助機(jī)械裝置的輔助,或者是根據(jù)不同時(shí)段、不同季節(jié)進(jìn)行完全自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)的輪換。在酷熱或嚴(yán)寒季節(jié),建筑的門窗關(guān)閉,新鮮的空氣通過屋頂上風(fēng)塔的機(jī)械抽風(fēng)和熱回收裝置被引到風(fēng)道中,然后進(jìn)入各層樓板的夾層空間,進(jìn)而在樓板低壓發(fā)散裝置的輔助下進(jìn)入室內(nèi);而廢氣的排出是通過走道和樓梯間的抽風(fēng)作用,最終又回到風(fēng)塔上部,經(jīng)過熱回收和蒸發(fā)冷卻裝置,最終由風(fēng)斗排出,這時(shí)采用的就是機(jī)械輔助的自然通風(fēng)模式。太陽能集熱片被集成在中廳屋頂?shù)奈鼰釓?qiáng)化玻璃中,其吸收的熱能用于驅(qū)動(dòng)機(jī)械抽風(fēng)裝置。

總之,自然通風(fēng)技術(shù)作為一種與氣候相適宜的生態(tài)技術(shù),在實(shí)際運(yùn)用的過程中,應(yīng)該結(jié)合太陽能、建筑材料、自然采光、地下蓄冷蓄熱、自動(dòng)控制等技術(shù),并運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù),對實(shí)際的案例進(jìn)行分析,定量的對其進(jìn)行深入的研究。相信隨著生態(tài)、可持續(xù)發(fā)展理念的不斷發(fā)展,自然通風(fēng)這種廉價(jià)、健康的通風(fēng)方式將會(huì)越來越多地被利用。