基于節(jié)能理念的建筑自然通風(fēng)設(shè)計(jì)探究

唐曉華

（廣西觀筑建筑設(shè)計(jì)顧問(wèn)有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530021）

1 問(wèn)題分析

當(dāng)前，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，建筑能耗增長(zhǎng)迅猛。建筑能耗一般包括采暖、空調(diào)、熱水供應(yīng)、照明、炊事、家用電器等方面的能耗，其中采暖、空調(diào)能耗約占60%～70%。據(jù)1998年估算的數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)建筑用商品能源消耗已占全國(guó)商品能源消費(fèi)總量的 27.6%，接近發(fā)達(dá)國(guó)家的 30%～40%。我國(guó)是能源相對(duì)貧乏的國(guó)家，建筑節(jié)能迫在眉睫，而據(jù)專家估算，約2/3～3/4的建筑能耗可通過(guò)合理的措施節(jié)省下來(lái)，相對(duì)自然通風(fēng)和機(jī)械輔助式自然通風(fēng)兩種模式，自然通風(fēng)便是一項(xiàng)成熟而低廉的技術(shù)措施，在建筑設(shè)計(jì)中應(yīng)充分、合理地加以使用。本文在建筑節(jié)能的基礎(chǔ)上，從建筑設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，探討在設(shè)計(jì)中如何合理地利用自然通風(fēng)。

2 自然通風(fēng)技術(shù)的節(jié)能優(yōu)勢(shì)

與同緯度許多發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)冬天氣候更冷，夏天氣候更熱，南方空氣濕度高，近幾年愈演愈烈的“電荒”更宣告了今后我國(guó)總體能源偏緊的不爭(zhēng)事實(shí)。除了南方沿海生產(chǎn)用電的大量增長(zhǎng)，電荒的主要原因來(lái)源于空調(diào)和北方燃?xì)夤┡?，?003年為例，全國(guó)當(dāng)年用電量為1.89萬(wàn)億千瓦，空調(diào)能耗就占到了15%，且北方冬天采暖耗能比夏季空調(diào)能耗高一個(gè)數(shù)量級(jí)。我國(guó)能源有限，而發(fā)展又是必需的，因此唯有節(jié)能才是自救良方。采用自然通風(fēng)方式的根本目的是取代（或部分取代）空調(diào)制冷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)有效被動(dòng)式制冷，當(dāng)室外空氣溫濕度較低時(shí)，自然通風(fēng)可以在不消耗不可再生能源的情況下降低室內(nèi)溫度，帶走潮濕氣體，達(dá)到人體熱舒適，即使室外空氣溫濕度超過(guò)舒適區(qū)，需要消耗能源進(jìn)行降溫降濕處理，也可以利用自然通風(fēng)輸送處理后的新風(fēng)，而省去風(fēng)機(jī)能耗，且無(wú)噪聲。這種方式有利于減少能耗、降低污染，符合可持續(xù)發(fā)展的思想，是當(dāng)今建筑普遍采取的一項(xiàng)改革建筑熱環(huán)境、節(jié)約空調(diào)能耗的技術(shù)措施。

3 自然通風(fēng)的原理與模式

建筑的自然通風(fēng)從動(dòng)力來(lái)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(lái)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(duì)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(guò)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。

4 建筑自然通風(fēng)設(shè)計(jì)理念

4.1 建筑結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1.1 利用風(fēng)壓實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)

在外部風(fēng)環(huán)境良好的地區(qū)，風(fēng)壓可作為實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)的主要手段。風(fēng)壓通風(fēng)即“穿堂風(fēng)”，是指風(fēng)從建筑迎風(fēng)面的進(jìn)風(fēng)口吹入室內(nèi)，穿過(guò)房間，從背風(fēng)面的出風(fēng)口流出。進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口之間的風(fēng)壓差越大，房屋內(nèi)部空氣流動(dòng)阻力越小，通風(fēng)越流暢。合理的建筑規(guī)劃可以充分利用“穿堂風(fēng)”來(lái)調(diào)節(jié)建筑物的溫度。

4.1.2 利用熱壓實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)

受到周圍建筑布局或高大植被影響的建筑物可以利用建筑內(nèi)部空氣的熱壓差，即“煙囪效應(yīng)”來(lái)實(shí)現(xiàn)建筑的自然通風(fēng)。根據(jù)熱空氣上升的原理，在建筑上部設(shè)排風(fēng)口將污濁的熱空氣從室內(nèi)排出，而室外新鮮的冷空氣則從建筑底部被吸入，達(dá)到自然通風(fēng)的目的。在建筑設(shè)計(jì)中，可利用建筑物的樓梯間、中庭等豎向空腔滿足進(jìn)排風(fēng)口的高差要求，而室內(nèi)外溫差和進(jìn)、出風(fēng)口的高差越大，熱壓作用越明顯。

4.1.3 風(fēng)壓與熱壓相結(jié)合實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)

在建筑的自然通風(fēng)設(shè)計(jì)中，風(fēng)壓通風(fēng)與熱壓通風(fēng)往往是互為補(bǔ)充、密不可分的。一般來(lái)說(shuō)，在建筑進(jìn)深較小的部位多利用風(fēng)壓來(lái)直接通風(fēng)，而進(jìn)深較大的部位則多利用熱壓來(lái)達(dá)到通風(fēng)效果。

4.1.4 機(jī)械輔助式自然通風(fēng)

在一些大型建筑中，由于通風(fēng)路徑較長(zhǎng)，流動(dòng)阻力較大，單純依靠自然風(fēng)壓與熱壓往往不足以實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)。而對(duì)于空氣污染和噪聲污染比較嚴(yán)重的城市，直接的自然通風(fēng)還會(huì)將室外污濁的空氣和噪聲帶入室內(nèi)，不利于人體健康。在這種情況下，常常采用一種機(jī)械輔助式的自然通風(fēng)系統(tǒng)。機(jī)械輔助式自然通風(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(duì)流，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（如土壤預(yù)冷、預(yù)熱、深井水換熱等），并借助一定的機(jī)械方式加速室內(nèi)通風(fēng)。

4.2 建筑構(gòu)件上的優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.2.1 建筑物門窗洞口的優(yōu)化設(shè)計(jì)

建筑物的門窗洞口的設(shè)置以及門窗洞口的尺寸、窗戶的型式和開啟方式，窗墻面積比等的合理設(shè)計(jì)，直接影響著建筑物內(nèi)部的空氣流動(dòng)以及通風(fēng)效果。根據(jù)測(cè)定，當(dāng)開口寬度為開間寬度的 1/3～2/3，開口大小為地板總面積的 15%～25%時(shí)，通風(fēng)效果最佳。開口的相對(duì)位置對(duì)氣流路線起著決定作用。進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口宜相對(duì)錯(cuò)開布置，這樣可以使氣流在室內(nèi)改變方向，使室內(nèi)氣流更均勻，通風(fēng)效果更好。

4.2.2 通風(fēng)隔熱屋面的應(yīng)用

通風(fēng)隔熱屋面通常有以下兩種方式：①在結(jié)構(gòu)層上部設(shè)置架空隔熱層。這種做法把通風(fēng)層設(shè)置在屋面結(jié)構(gòu)層上，利用中間的空氣間層帶走熱量，達(dá)到屋面降溫的目的，另外，架空板還保護(hù)了屋面防水層；②利用坡屋頂自身結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)層中間設(shè)置通風(fēng)隔熱層，也可得到較好的隔熱效果。

4.2.3 雙層玻璃幕墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

雙層（或三層）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)，被譽(yù)為“會(huì)呼吸的皮膚”，它由內(nèi)外兩道幕墻組成。其通風(fēng)原理是在兩層玻璃幕墻之間留一個(gè)空腔，空腔的兩端有可以控制的進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口。在冬季，關(guān)閉進(jìn)出風(fēng)口，雙層玻璃之間形成一個(gè)“陽(yáng)光溫室”，提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面的溫度；夏季，打開進(jìn)出風(fēng)口，利用“煙囪效應(yīng)”在空腔內(nèi)部實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)，使玻璃之間的熱空氣不斷的被排走，達(dá)到降溫的目的。為了更好地實(shí)現(xiàn)隔熱，通道內(nèi)一般設(shè)置有可調(diào)節(jié)的深色百葉。雙層玻璃幕墻在保持外形輕盈的同時(shí)，能夠很好地解決高層建筑中過(guò)高的風(fēng)壓和熱壓帶來(lái)的風(fēng)速過(guò)大造成的紊流不易控制的問(wèn)題，能解決夜間開窗通風(fēng)而無(wú)需擔(dān)心安全問(wèn)題，又可加強(qiáng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能，并能降低室內(nèi)的噪音。在節(jié)能上，雙層通風(fēng)幕墻由于換氣層的作用比單層幕墻在采暖時(shí)節(jié)約能源42%～52%，在制冷時(shí)節(jié)約能源38%～60%，是建筑節(jié)能的一個(gè)新方向。

4.3 多種其它能源的合理應(yīng)用

4.3.1 太陽(yáng)能強(qiáng)化自然通風(fēng)

在設(shè)計(jì)中，可充分利用太陽(yáng)能這一可持續(xù)能源轉(zhuǎn)化為動(dòng)力進(jìn)行通風(fēng)。太陽(yáng)能強(qiáng)化自然通風(fēng)的建筑結(jié)構(gòu)主要有：屋面太陽(yáng)能煙囪、Trombe墻和太陽(yáng)能空氣集熱器。以上3種結(jié)構(gòu)可以單獨(dú)設(shè)置，但為了在夏季達(dá)到更好的冷卻效果，通常將這些做法與其他建筑結(jié)構(gòu)組合成一個(gè)有組織的自然通風(fēng)系統(tǒng)。

4.3.2 夜間自然通風(fēng)的利用

蓄熱材料作為建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)，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，更均勻，即白天不會(huì)因?yàn)樘?yáng)照射而溫度過(guò)高，夜晚不會(huì)因迅速冷卻而溫度過(guò)低。蓄熱材料在白天吸收大量熱量，使得室溫不至于過(guò)高，同時(shí)夜間使室內(nèi)溫度居高不下。因此在夏季夜晚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，是改善夜間室內(nèi)溫度、發(fā)揮蓄熱材料潛力的有效手段。

4.3.3 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用

集中式的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)以建筑群和小區(qū)為單位，放在小區(qū)的上風(fēng)處；分散式可在多風(fēng)偏僻地區(qū)安裝獨(dú)立風(fēng)車，自成體系為建筑能源。這種風(fēng)能利用系統(tǒng)大都是將電力送入電網(wǎng)，建筑物再?gòu)碾娋W(wǎng)獲取電力。在偏遠(yuǎn)地區(qū)有條件的建筑中可設(shè)風(fēng)/光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，綜合利用風(fēng)能和太陽(yáng)能，無(wú)需架設(shè)遠(yuǎn)距離的電網(wǎng)來(lái)獲取電力。

5 結(jié)束語(yǔ)

總之，隨著能源消耗和環(huán)境問(wèn)題的日趨突出及人們節(jié)能意識(shí)的逐步加強(qiáng)，利用自然通風(fēng)改善建筑室內(nèi)環(huán)境越來(lái)越受到重視。特別是在屬于亞熱帶氣候的嶺南地區(qū)，炎熱、潮濕、多雨的氣候特點(diǎn)決定了嶺南建筑在自然條件中所要解決的主要矛盾是通風(fēng)防熱，而自然通風(fēng)作為一種廉價(jià)高效的設(shè)計(jì)手段，不但能實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能，還能創(chuàng)造健康的人居環(huán)境，是可持續(xù)發(fā)展的設(shè)計(jì)理念的具體體現(xiàn)，具有很深的推廣意義。