廈門地區(qū)住宅建筑設(shè)計中的自然通風(fēng)優(yōu)化策略探討

■ 吳佳南 Wu Jianan 柴成榮 Cai Chengrong

0 引言

在中國，由能源消耗造成的環(huán)境問題日益突出。目前中國已經(jīng)成為僅次于美國的世界第二大能源消耗國。據(jù)有關(guān)部門預(yù)計，中國在未來10年內(nèi)將超過美國，成為世界上最大的CO2排放國，而在這些排放量中，建筑耗能排放就占到總排放比例的25%以上。目前我國的建筑耗能已與工業(yè)耗能、交通耗能并列，成為我國能源消耗的三大“耗能大戶”，尤其是建筑耗能伴隨著建筑總量的不斷攀升和居住舒適度的提升，呈急劇上揚(yáng)趨勢。而在建筑耗能中，住宅建筑的耗能約占總建筑耗能比例的60%，可見住宅建筑的能耗是相當(dāng)大的。如何減少住宅建筑的耗能及提高住宅建筑的節(jié)能率，就成為目前最為嚴(yán)峻而需要研究的問題之一。我國在建筑節(jié)能方面已做了很多努力，也取得了一定的成就，但是我們遺憾地看到，作為建筑設(shè)計一線的大部分設(shè)計院，在建筑的節(jié)能設(shè)計中，更多的是從單純的建筑技術(shù)上入手，缺乏從具體氣候環(huán)境來進(jìn)行生態(tài)建筑設(shè)計的理念，從而導(dǎo)致某些被動式節(jié)能措施得不到有效的應(yīng)用，比如自然通風(fēng)、遮陽等。從國內(nèi)外建筑節(jié)能的經(jīng)驗得出，節(jié)能不能單靠技術(shù)的開發(fā)研究來解決，而更應(yīng)該在經(jīng)濟(jì)、功能和環(huán)境之間尋找節(jié)能的平衡點(diǎn)，切實地從地區(qū)的特殊地域情況出發(fā)，尋找適宜的被動式節(jié)能手段，并與建筑設(shè)計有效整合，實現(xiàn)最佳節(jié)能效果。

1 自然通風(fēng)對廈門地區(qū)建筑節(jié)能的重要作用

廈門市地處福建省東南部沿海，處于國家夏熱冬暖地區(qū)的南區(qū)。該地區(qū)風(fēng)力資源比較豐富，夏季平均風(fēng)速均在2.5m/s左右（表1），如果能有效地運(yùn)用這一資源，進(jìn)行廈門地區(qū)的居住建筑自然通風(fēng)節(jié)能，這勢必將對廈門地區(qū)的節(jié)能做出極大的貢獻(xiàn)。

有研究人員用計算機(jī)能耗模擬軟件（Dest）對廈門地區(qū)夏季居住建筑的各種節(jié)能措施進(jìn)行了分析，得出夏季空調(diào)制冷能耗水平（圖1）：在增加了自然通風(fēng)過后，夏季室內(nèi)空調(diào)制冷能耗降低了30%左右，可見自然通風(fēng)能極大地降低夏季建筑能耗，改善室內(nèi)熱環(huán)境。

綜合各種節(jié)能措施節(jié)能率比較（圖2）：每項節(jié)能措施都或多或少地降低夏熱冬暖地區(qū)的夏季空調(diào)能耗，其中影響最突出的是外窗節(jié)能措施、建筑遮陽與自然通風(fēng)。我們可以發(fā)現(xiàn)自然通風(fēng)對于降低夏季室內(nèi)制冷能耗起到了很大作用，因此尤其要注重以往沒有引起足夠重視的自然通風(fēng)措施在建筑設(shè)計過程中的應(yīng)用。

表1 廈門市室外風(fēng)環(huán)境狀況[1]

2 廈門地區(qū)住宅建筑設(shè)計中的各項自然通風(fēng)優(yōu)化策略

2.1 建筑總平面布局優(yōu)化策略

在廈門這個夏熱冬暖地區(qū)中，合適的建筑總體布局與建筑的自然通風(fēng)效率密切相關(guān)。在具體的住宅設(shè)計中，盡可能地使建筑的朝向順應(yīng)夏季主導(dǎo)風(fēng)向，采用合適的建筑密度與點(diǎn)式建筑布局，為住宅的自然通風(fēng)創(chuàng)造條件。尤其在布置中最好能結(jié)合具體主導(dǎo)風(fēng)向方位逐級錯落布局，這樣能有利于場地內(nèi)的夏季通風(fēng)和阻擋冬季冷風(fēng)。在住宅建筑設(shè)計方案中，盡可能引進(jìn)計算機(jī)輔助設(shè)計軟件，如引進(jìn)Ecotect(生態(tài)建筑大師)軟件進(jìn)行廈門地區(qū)建筑的最佳朝向模擬分析(圖3，圖中可以看出最佳朝向是南偏東10°)，以及一些CFD軟件對場地內(nèi)的風(fēng)環(huán)境進(jìn)行計算機(jī)模擬（圖4，圓圈處表示存在較大的風(fēng)壓差），針對模擬的結(jié)果進(jìn)行建筑布局的局部調(diào)整來改善風(fēng)環(huán)境，對不適宜調(diào)整建筑布局的地方，可以通過場地的植物配置引導(dǎo)風(fēng)向來改善局部的風(fēng)環(huán)境。

2.2 建筑單體平面優(yōu)化策略

建筑單體平面舒展布局比緊湊平面能夠更好地獲得自然穿堂通風(fēng)，房間進(jìn)深淺（一般以14m為宜），更有利于自然穿堂風(fēng)的形成，因此，應(yīng)該優(yōu)化布置各個大進(jìn)深房間的位置（圖5），要有意識地將墻設(shè)計成各種可移動的隔斷，便于形成穿堂風(fēng)；要積極設(shè)置天井庭院，房屋內(nèi)部的庭院可以作為冷源或熱源來加強(qiáng)通風(fēng)。在圖6中，當(dāng)房屋前后都圍有院墻時，南側(cè)小院內(nèi)的空氣由于受到陽光照射而上升，從而將北側(cè)小院內(nèi)較涼的空氣通過南北窗戶引進(jìn)南院來，起到房間通風(fēng)的效果。

廈門市夏季室外平均風(fēng)速一般為2.5m/s，略低于實現(xiàn)風(fēng)壓自然通風(fēng)的風(fēng)速要求（一般不小于3～4 m/s），但是廈門市夏季室外風(fēng)速還是有大部分時段的風(fēng)速＞2.5 m/s，應(yīng)積極通過單體平面布局的優(yōu)化改進(jìn)來充分利用該時段的風(fēng)速，以實現(xiàn)風(fēng)壓自然通風(fēng)。

2.3 建筑單體剖面優(yōu)化策略

在剖面設(shè)計中，可以利用煙囪效應(yīng)在樓梯、公共空間等部分設(shè)置上下貫通的吹拔進(jìn)行“拔風(fēng)”。為了取得最佳效果，煙囪通風(fēng)的開口應(yīng)布置在靠近地板和頂棚處。出風(fēng)口可以兼作高側(cè)窗，圖7表示了幾種煙囪通風(fēng)的房間剖面布置。此外，將吹拔設(shè)計成“文丘里管”漸縮斷面（圖8），也可強(qiáng)化通風(fēng)效果。因為隨著截面的變小，斷面內(nèi)自下而上的空氣流速增大，從而加大了管內(nèi)與周圍房間的空氣壓差，有利于“抽風(fēng)”。還有一種是現(xiàn)在比較流行的稱為“太陽能煙囪”（圖9）的做法，就是利用收集的太陽能加熱煙囪中的空氣，這樣也能增大進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口之間的空氣溫差，增強(qiáng)通風(fēng)效果。

除了吹撥增強(qiáng)自然通風(fēng)效果外，還可以在首層設(shè)計時進(jìn)行架空，此類策略針對廈門夏季氣候炎熱的特點(diǎn)，能極大地改善建筑小區(qū)內(nèi)部的風(fēng)環(huán)境，消除部分靜風(fēng)區(qū)。

2.4 建筑單體立面優(yōu)化策略

在建筑單體立面設(shè)計優(yōu)化上，通用的優(yōu)化策略是在建筑的迎風(fēng)面與背風(fēng)面都開大窗戶，或者在立面上設(shè)計通風(fēng)洞口，以獲得穿堂風(fēng)。又或者在屋頂開孔，可以對整個建筑起到通風(fēng)作用，可以采用各種形式的開孔，比如監(jiān)視孔、炮塔、老虎窗、屋頂小塔樓、屋脊通風(fēng)孔以及山墻通風(fēng)孔等。

不同的屋頂形式，其自然通風(fēng)效果不同（圖10）。據(jù)研究，坡度＜45°的屋頂，前后坡風(fēng)壓差小，自然通風(fēng)效果不明顯；坡度越大，前后壓差越明顯，自然通風(fēng)也愈好。但坡度大的屋頂耗材量大、施工難度也大，所以要結(jié)合實際情況，選擇合適的屋頂形式。

在建筑立面上還可以應(yīng)用立體綠化（圖11），加強(qiáng)夏季的自然通風(fēng)效果。在一些多層和高層住宅設(shè)計中，可在外墻上隔斷設(shè)計種植臺、花架等與墻面設(shè)計整合的綠化設(shè)施，有條件的，可以在構(gòu)架上設(shè)置自動噴淋設(shè)施，仿照“雙層表皮”原理，形成一道綠色屏障。構(gòu)架的應(yīng)用不僅可改善緊貼墻壁種植爬藤類植物所帶來的破壞墻體而導(dǎo)致滲漏的缺陷，而且構(gòu)架與墻面之間的空氣潮濕層則形成通風(fēng)井，加強(qiáng)了自然通風(fēng)效果，同時帶走了墻面上的熱量。

在建筑立面上設(shè)置一定規(guī)則的導(dǎo)風(fēng)板（圖12），使室外風(fēng)流經(jīng)導(dǎo)風(fēng)板引入室內(nèi)，也能夠增加建筑通風(fēng)的正壓功能。在設(shè)計中，可以選用一些不銹鋼、高強(qiáng)塑料、玻璃鋼等耐久材料做的導(dǎo)風(fēng)板，除了導(dǎo)風(fēng)的功能，還可以對其進(jìn)行裝飾化，給建筑帶來美感。

優(yōu)化設(shè)計立面上的遮陽構(gòu)件設(shè)施，遮陽的目的是遮擋直射陽光、降低室內(nèi)溫度，同時還可為墻面遮蔭和減少輻射熱、造成空氣壓力差，加速室內(nèi)空氣流通，以增強(qiáng)通風(fēng)換氣效果。在閩南民居遮陽處理中，有很多手法，如凹門遮陽，小陽臺式遮陽，檐、廊遮陽，門窗遮陽，騎樓遮陽等，可以拿來借鑒，以設(shè)計出兼顧遮陽與通風(fēng)雙重要求的遮陽設(shè)施。

3 結(jié)語

自然通風(fēng)在建筑節(jié)能中的作用效果是顯而易見的，在國外，這項技術(shù)的研究和發(fā)展已相當(dāng)成熟，國外的很多建筑設(shè)計師都有意識地在建筑方案設(shè)計階段就開始應(yīng)用這一技術(shù)手法，自然通風(fēng)設(shè)計已經(jīng)和建筑設(shè)計融為一體。很多自然通風(fēng)技術(shù)本身就是建筑藝術(shù)的一部分，通過廉價的風(fēng)資源來實現(xiàn)建筑的節(jié)能，取得良好的經(jīng)濟(jì)與社會效果。而在國內(nèi)，自然通風(fēng)設(shè)計技術(shù)才剛剛起步，許多關(guān)于這方面的理論研究還處于初步探索階段，大部分地區(qū)僅僅是創(chuàng)新示范案例。從國內(nèi)的情況來看，在具體建筑設(shè)計中主要還是通過在單體建筑平面上的開窗位置調(diào)整來進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，還沒有從其他有效的途徑進(jìn)行創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計。對于本文的論述，筆者希望能引起建筑設(shè)計一線設(shè)計人員思想上的重視，在建筑方案設(shè)計中有意識地將自然通風(fēng)節(jié)能思想運(yùn)用到設(shè)計中，推動自然通風(fēng)被動式技術(shù)與建筑設(shè)計的進(jìn)一步融合，實現(xiàn)建筑節(jié)能效益最大化，為廈門低碳城市的建設(shè)做出貢獻(xiàn)。

[1] 中國氣象局氣象信息中心氣象資料室.中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集.中國建筑工業(yè)出版社，2005（4）.

[2] 蔡立宏.基于計算機(jī)模擬的夏熱冬暖地區(qū)建筑節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)分析.中國建筑學(xué)會建筑師分會建筑技術(shù)專業(yè)委員會第二次代表大會暨全國建筑技術(shù)學(xué)科第十一次學(xué)術(shù)研討會，2006（3）.

[3] 劉加平，譚良斌，何泉.建筑創(chuàng)作中的節(jié)能設(shè)計.中國建筑工業(yè)出版社，2009（3）.

[4] 王崇杰，薛一冰等著.生態(tài)學(xué)生公寓.中國建筑工業(yè)出版社，2007（6）.