自然通風在哈爾濱建筑設計中的應用

宋麗萍，王瑩，張海玉，汪喜江

（哈爾濱市氣象局，黑龍江哈爾濱 150080）

自然通風在哈爾濱建筑設計中的應用

宋麗萍，王瑩，張海玉，汪喜江

（哈爾濱市氣象局，黑龍江哈爾濱 150080）

本文介紹了自然通風技術的原理和應用方式，并提出了自然通風在哈爾濱建筑住宅設計中的應用，旨在引起在地域建筑設計中對自然通風傳統(tǒng)適宜技術的重視。

自然通風；原理和應用；建筑設計

1 引言

風環(huán)境是建筑環(huán)境設計的一項主要內容，在自然環(huán)境日益受到重視的今天，自然通風與人體舒適度的聯(lián)系與建筑節(jié)能的關系顯得尤為重要，并且逐步被反映到建筑設計的實踐中來，尤其是在住宅建筑設計中。

自然通風作為生態(tài)建筑技術中一個非常重要的組成部分，是一種經濟實用的通風模式，在改善室內空氣品質、滿足室內舒適要求的同時，實現(xiàn)節(jié)能的目的[1]。

在節(jié)約能耗和提高室內環(huán)境質量的目標影響下，自然通風作為一項古老的生態(tài)技術，重新受到人們的重視。通常認為它具有3大主要作用[2]：（1）提供新鮮空氣，稀釋排除室內污染物，有利于健康；（2）生理降溫，滿足人們親近自然的心理要求；（3）釋放建筑結構中蓄存的熱量，利于節(jié)能。采用自然通風取代或部分取代空調系統(tǒng)，成為生態(tài)建筑研究的重要課題[3,4]。

2 自然通風的原理及應用

2.1 自然通風機理

當壓力差存在時，空氣會從壓力高的區(qū)域流向壓力低的區(qū)域，從而形成通風或滲透。通常意義上的自然通風指的是通過有目的的開口，產生空氣流動。這種流動的最直接的兩個因素就是開口兩側壓差和不同開口的特性，壓力是動力，而開口的特性則決定了流動的風阻。根據(jù)作用力類型，自然通風可分為風壓單獨作用、熱壓單獨作用、風壓與熱壓共同作用。

2.2 風壓通風

當有風從左邊吹向建筑時，建筑的迎風面將受到空氣的推動作用形成正壓區(qū)，推動空氣從該側進人建筑；而建筑的背風面，由于受到空氣繞流影響形成負壓區(qū)，吸引建筑內空氣從該側的出口流出，這樣就形成了持續(xù)不斷的空氣流，為風壓作用下的自然通風。

建筑物外圍護結構上某一點處的風壓值可用下式表示:

式中,Pw為建筑物外圍護結構上某一點處的風壓值/ Pa;vw為室外空氣流速/（m/s）;ρω為室外空氣密度/（kg/m3）;CP-風壓系數(shù)（或K，亦稱空氣動力系數(shù)），反映建筑物形狀、開口位置、風向等影響因素的綜合作用。

實際上室外來流風速在高度方向上并非定值，由于地面粗糙度的影響，風速沿地面高度方向是逐漸增大的。來流風速隨高度變化的規(guī)律可以用指數(shù)函數(shù)描述:

式中h0-參考高度處風速及對應高度，一般指氣象資料給出的風速值和氣象臺的測量高度，h0=10 m；α-地面粗糙系數(shù)，海面:0.1～0.125;開闊平原:0.125～0.167；森林或街道：0.25;城市中心:0.33。

通過建筑物某一開口的自然通風量可用下式計算:

式中Lw-風壓通風量，m3/s;Cd-流量系數(shù),為開口的阻力特性;F-開口面積，m2;ΔPW-開口兩側風壓差，Pa。

把公式（1）和公式（2）代入公式（3）中，經整理后得出風壓通風量見公式（4）：

2.3 熱壓通風

當室內存在熱源時，室內空氣將被加熱，密度降低，并且向上浮動，造成建筑內上部空氣壓力比建筑外大，導致室內空氣向外流動，同時在建筑下部，不斷有空氣流入，以填補上部流出的空氣所讓出的空間，這樣形成的持續(xù)不斷的空氣流就是熱壓作用下的自然通風。

當風壓作用比熱壓作用弱，例如室外風速很小而室內外溫差很大時，可只考慮熱壓作用。當室內、外空氣溫度不同時，空氣密度也不相同，這種差異會造成室內外靜壓梯度不同，由這種差異造成的空氣靜壓差就是熱壓。

2.4 風壓和熱壓共同作用下的自然通風

在實際建筑中的自然通風是風壓和熱壓共同作用的結果，只是各自的作用有強有弱。由于受到天氣、室外風向和建筑物形狀、周圍環(huán)境等因素的影響，風壓與熱壓共同作用時并不是簡單的線性疊加。因此要充分考慮各種因素，使風壓和熱壓作用相互補充，密切配合使用，實現(xiàn)建筑物的有效自然通風。

3 自然通風在哈爾濱建筑設計中的應用

影響自然通風的因素對于建筑本身而言，有建筑物的高度、進深、長度和迎風方位；對于建筑群體而言，有建筑的間距、排列組合方式和建筑群體的迎風方位；對于住宅區(qū)規(guī)劃而言，有住宅區(qū)的合理選址以及住宅區(qū)道路、綠地的合理布局等。為達到最佳的通風效果，以下就幾方面加以說明。

3.1 哈爾濱建筑物朝向設計

哈爾濱屬于大陸季風性氣候，四季主導風向為南風（見圖1），冬季盛行偏西或偏北風，夏季盛行偏南或東南風，年平均風速為3.2 m/s（見圖2）。

由于建筑物迎風面最大的壓力是在與風向垂直的面上，因此，在哈爾濱地區(qū)，在選擇建筑物朝向時，應該盡量使哈爾濱建筑的法線與夏季主導風向一致，然而對于建筑群體使建筑物主立面朝向南風向（見圖3），而側立面對著西北風。因為南向是太陽輻射量最多的方向，故無論從改善夏季自然通風、調節(jié)房間熱環(huán)境來講，選擇南向都是最好的選擇。

圖1 哈爾濱1971～2000年風向玫瑰圖

圖2 哈爾濱市區(qū)氣象站30 a（1978-2007年）風速年變化直方圖

圖3 與夏季主導風向垂直平行并列的建筑物

3.2 哈爾濱建筑物間距建筑群的布局的設計

住宅主要朝向（一般為南向或偏南向）前后與其它住宅之間，應有一定的間隔距離。而這個距離通常是由建筑日照要求決定的，所以稱其為日照間距，這是因為房屋前后的日照間距，通常大于它們在室外使用、綠化、通風、防火或其它方面要求的間距。

在建筑設計中，實現(xiàn)建筑群的布局對自然通風的影響效果很大。建筑物南北向日照間距較小時，前排建筑遮擋后排建筑，風壓小，通風效果差；反之，建筑日照較大時，后排建筑的風壓較強，自然通風效果較好[7]。在考慮防止單體建筑的太陽過度輻射的同時，應該盡量使建筑的法線與夏季主導風向一致然而對于建筑群體，若風沿著法線吹向建筑，會在背風面形成很大的漩渦區(qū)，對后排建筑的通風不利。在建筑設計中要綜合考慮這兩方面的利弊,根據(jù)風向投射角（見圖4）風向與房屋外墻面法線的夾角對室內風速的影響來決定合理的建筑間距,同時也可以結合建筑群體布局的改變以達到縮小間距的目的。

圖4 風向投射角度θ的定義圖示

風吹向建筑后，在其背風面形成渦流區(qū)，渦流區(qū)在地面的投影又稱風影（wind shadow）。在風影區(qū)內，風力弱且風向不穩(wěn)定，如果某一建筑物位于風影區(qū)內，則該棟建筑物極難以利用風壓通風。因此，再考慮建筑群平面配置時也需考慮風影長度的影響，一般常見將建筑物整齊排列式改為交錯排列式，便是減少擋風的手法之一。風影長度主要受風攻角（即風向投射角）與建筑物高度影響，表1顯示了在不同風攻角作用下，其風影長度的變化：風攻角對建筑物風影長度之影響。由表1可見，當風攻角為零時（亦即風從正面吹向建筑物），建筑物的通風量最好，但是，此時的風影長度最大，建筑物后面產生的漩渦區(qū)也是最大的，則前后兩建筑物要避開擋風效果所需的間距最大，約為前棟建筑物高度的3.75倍；如風向為斜吹，則風影長度將大大減少，因此在考慮建筑群平面配置時，設法使盛行風向相對于建筑物為斜向，較易使后排建筑物位在風影范圍之外。但同時應注意風攻角的增大將降低室內平均風速，減少自然通風利用的價值。

表1 風向投射角與流場的影響

在實際設計工作中，房屋的間距，通常是結合日照間距衛(wèi)生要求和地區(qū)用地情況，作出對房屋間距L和前排房屋的高度H比值的規(guī)定，如L/H=0.8、1.2、1.5等等。哈爾濱屬于低緯度地區(qū)，日照間距要求可小些，為了達到日照間距日照衛(wèi)生要求，L/H常取1.2～1.5，即房屋前后的間距是房屋高度的1.2～1.5倍。哈爾濱城市用地很緊張，但一般要求不小于1，但實際情況中，許多僅有0.8甚至更少，這種住宅狀況是不利于人體健康的。

對于哈爾濱建筑的規(guī)劃設計而言，為了保持較高的土地容積率，還要確保建筑后排的房屋能有較好的通風和日照環(huán)境，在建造建筑物時，設法使建筑物與夏季盛行的南風向保持0～30°的夾角，這樣較易使后排建筑物位在風影范圍之外。若是建筑物的主立面正好朝向夏季主導風向-南風向的話，應盡量采用錯列式布置方式，這可以該少下風方向住宅的自然通風，效果比較顯著。住宅間距越大，則能使足夠的空氣射流能吹到后排住宅上，過小的住宅樓間距，對消防、綠化和道路交通均有不利的影響。

4 小結

伴隨著城市經濟的發(fā)展，對于哈爾濱這樣的城市而言，建造符合生態(tài)環(huán)境要求的建筑物成為了城市規(guī)劃建設必須要考慮的問題，在節(jié)約能耗和提高室內環(huán)境質量的目標影響下，采用自然通風成為生態(tài)建筑研究的重要課題。在城市規(guī)劃和建筑設計中，必須重視哈爾濱地域性氣候特色，在春秋季的溫度是很適宜自然通風的。自然通風技術在城市建筑中應用，不僅僅是建筑設計本身的問題，更重要的是建筑環(huán)境的設計與控制問題[8]，在設計中要為建筑自身的自然通風創(chuàng)造良好的條件。城市化進程的不斷發(fā)展，城市地面交通和建筑之間的日益融合，自然通風技術將成為城市生態(tài)建筑形式的主流。

[1]喻李奎,陽麗娜,周軍莉，等.自然通風潛力分析研究進展［J］.制冷空調，2004,25（4）:18～22.

[2]王鵬，譚剛.生態(tài)建筑中的自然通風［J］.世界建筑，2000，（4）:62～65.

[3]張金萍，李安桂.自然通風的研究應用現(xiàn)狀和問題探討［J］暖通空調，2005，35（8）：32-38.

[4]Proceedings of the 4th International Conference on IAQ, Ventilation&Energy Conservation in Buildings,City University of Hong Kong,2001，53-58.

[5]李紅祥.風壓作用卜自然通風阻力特性研究.湖南大學碩士學位論文，2004.

[6]劉加平.建筑物理（第三版）［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2000，13-18.

[7]陳紅，趙冉.自然通風在住宅建筑設計中的運用［J］.建筑設計研究，2008，26（7）：42-44.

[8]王晶晶，黃繼紅.自然通風技術在現(xiàn)代城市建筑中的應用探討［J］.上海節(jié)能，2005,（5）：3-6.

1002－252X（2010）04－0034－03

2010－8－6

宋麗萍（1981-），女，黑龍江省綏濱縣人，東北林業(yè)大學，研究生，工程師.