探討現(xiàn)代建筑屋頂自然通風(fēng)的設(shè)計(jì)

【摘 要】建筑通風(fēng)的目的是提供人們呼吸用的新鮮空氣或在夏季降低室內(nèi)溫度。進(jìn)入21世紀(jì)后，建筑與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展是人們關(guān)注的一個(gè)重要問題，自然通風(fēng)的建筑可以降低空調(diào)耗電量，進(jìn)而降低生產(chǎn)這些電能的不可再生資源的消耗量和CO2向大氣的排放量;對(duì)人體而言，自然通風(fēng)可減少“空調(diào)病”和各種通過空氣傳播的疾病的發(fā)病率。本文探討對(duì)現(xiàn)代建筑屋頂進(jìn)行設(shè)計(jì)，以達(dá)到自然通風(fēng)之效果。

【關(guān)鍵詞】現(xiàn)代建筑屋頂；自然通風(fēng)；設(shè)計(jì)原理；建筑節(jié)能；可持續(xù)發(fā)展

一、建筑自然通風(fēng)概述

自然通風(fēng)是一種具有很大潛力的通風(fēng)方式，它具有節(jié)能、改善室內(nèi)熱舒適性和提高室內(nèi)空氣品質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，是人類歷史上長期賴以調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境的原始手段。在空調(diào)技術(shù)得以普及，機(jī)械通風(fēng)廣泛應(yīng)用的今天，迫于節(jié)約能源、保持良好的室內(nèi)空氣品質(zhì)的雙重壓力下，全球的科學(xué)家開始重新審視自然通風(fēng)技術(shù)。自然通風(fēng)在實(shí)現(xiàn)原理上有利用風(fēng)壓、利用熱壓、風(fēng)壓與熱壓相結(jié)合以及機(jī)械輔助通風(fēng)等幾種形式?，F(xiàn)代人類對(duì)自然通風(fēng)的利用已經(jīng)不同于以前開窗、開門通風(fēng)，而是綜合利用室內(nèi)外條件來實(shí)現(xiàn)。如根據(jù)建筑周圍環(huán)境、建筑布局、建筑構(gòu)造、太陽輻射、氣候、室內(nèi)熱源等，來組織和誘導(dǎo)自然通風(fēng)。在建筑構(gòu)造上，通過中庭、雙層幕墻、風(fēng)塔、門窗、屋頂?shù)葮?gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，來實(shí)現(xiàn)良好的自然通風(fēng)效。21世紀(jì)是環(huán)保的世紀(jì)，是可持續(xù)發(fā)展的世紀(jì)。降低建筑能耗，使建筑的人工環(huán)境與自然環(huán)境達(dá)到動(dòng)態(tài)的平衡，將是建筑在滿足了基本的使用功能和美學(xué)要求后應(yīng)追求的更高目標(biāo)。屋頂?shù)南嚓P(guān)構(gòu)造和設(shè)備配合建筑的其他圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)造的自然通風(fēng)的條件，使建筑在實(shí)現(xiàn)以上幾個(gè)目標(biāo)方面具有更大的潛力。

二、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(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。

三、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: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；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。沖出屋面的突a?？臻g除了做成煙囪外，還可以做成風(fēng)塔風(fēng)帽的形式甚至使其成為整個(gè)建筑造型的亮點(diǎn)。

四、屋頂在機(jī)械輔助自然通風(fēng)中的作用

對(duì)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。英國諾丁漢大學(xué)朱比麗分校的主體建筑具備兩套通風(fēng)措施:在室外氣候溫和的時(shí)候，氣流在凹進(jìn)的中庭入口的引導(dǎo)下，經(jīng)過大門口上部開啟的百葉進(jìn)入中庭內(nèi)，再由中庭另一端屋頂上的玻璃百葉排出，這時(shí)是完全自然通風(fēng)模式。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。

五、屋頂內(nèi)部的自然通風(fēng)

屋頂除了作為整個(gè)建筑自然通風(fēng)系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，利用天窗、煙囪、風(fēng)斗等構(gòu)造為氣流提供進(jìn)出口外，本身也可以成為一個(gè)獨(dú)立的通風(fēng)系統(tǒng)。這種通風(fēng)屋頂內(nèi)部一般有一個(gè)空氣間層，利用熱壓通風(fēng)的原理使氣流在空氣間層中流動(dòng)，以提高或降低屋頂內(nèi)表面的溫度，進(jìn)而影響到室內(nèi)空氣的溫度。在日本的OM陽光體系住宅中，室外空氣由屋頂下端被吸入空氣間層，并被安裝在屋頂上的玻璃集熱板加熱，受熱后上升到屋頂?shù)淖罡咛?。屋頂最高處設(shè)置了空氣處理裝置，包括空氣閥門、熱交換盤管和一個(gè)小型風(fēng)機(jī)。這個(gè)裝置既能將加熱過的空氣通過管道送到建筑的各個(gè)角落，又能將不需要加熱的空氣由排氣管排出。建筑師在室內(nèi)加建了一層包裹住整個(gè)屋頂及大部分外墻內(nèi)表面的薄膜，使薄膜和原有外圍護(hù)結(jié)構(gòu)間的空氣成為一道阻熱層，起到了保溫和熱緩沖的作用。在屋頂上分別設(shè)置了連通空氣阻熱層和室內(nèi)空氣的風(fēng)帽，使這個(gè)簡單的小建筑可自由地選擇機(jī)械通風(fēng)，通過室內(nèi)自然通風(fēng)或空氣阻熱層內(nèi)通風(fēng)中的某一種或多種通風(fēng)模式，來調(diào)節(jié)室內(nèi)氣候。

六、現(xiàn)代自然通風(fēng)的建筑形式的實(shí)例

諾曼\"福斯特的新德國議會(huì)大廈的修復(fù)工程充分利用了自然光和自然通風(fēng)，并結(jié)合共生和熱能再生系統(tǒng)，以最低的費(fèi)用、最少的能耗獲得最大的收益。議會(huì)大廈的圓穹頂是自然采光和自然通風(fēng)的節(jié)能策略之關(guān)鍵。圓穹頂?shù)暮诵氖且粋€(gè)圓錐形。圓頂將上層較熱的空氣抽出，同時(shí)，軸向風(fēng)扇和熱交換器從廢氣中獲得循環(huán)的能量。新鮮空氣由室外從西門廊的頂部進(jìn)入，以低速風(fēng)的形式穿過整個(gè)會(huì)議廳，在大廳中緩緩上升，在浮力和抽風(fēng)機(jī)作用下逸出穹頂上的開口。

清華大學(xué)伍舜德樓，在其南側(cè)又設(shè)一邊庭，內(nèi)植花木，既凈化空氣，又美化環(huán)境，在其南北頂部各置一條形天窗，可根據(jù)四季的不同，需要開啟和關(guān)閉，自然通風(fēng)，冬暖夏涼，節(jié)省能源，外置遮陽板，夏日遮陽降溫，西面入口置一實(shí)墻面，夏防西曬，冬擋寒風(fēng)。

歐洲最大的自然通風(fēng)建筑——斯特林設(shè)計(jì)的萊斯特大學(xué)工程館與德\"蒙特福特大學(xué)工程館。萊斯特大學(xué)工程館把機(jī)械空氣處理系統(tǒng)強(qiáng)行獨(dú)立出來，有意地將其作為技術(shù)形象的一部分。整個(gè)建筑明確講究實(shí)效、合乎功能邏輯，帶有機(jī)器時(shí)代的特點(diǎn)。

巴黎亞洲藝術(shù)博物館據(jù)展覽要求要需進(jìn)行改造，改造極為自然，利用自然采光，自然通風(fēng)；空間通透，上下空間自然連通，展室背景不封閉，有的以旋鼓樓體為展品背景，視覺空間散透，自然新穎；色調(diào)簡潔淡雅，自然舒適，突出展品。

由以上的對(duì)比可見，自然通風(fēng)的建筑并非以最終形式作為自己的設(shè)計(jì)成果，它更加關(guān)注的是生態(tài)意識(shí)在建筑設(shè)計(jì)中的貫徹，是與技術(shù)要求更好地配合、協(xié)調(diào)。它在建筑的最終形式上并未像現(xiàn)代主義建筑那樣具有明確的要求與標(biāo)志。它更注重的是適應(yīng)環(huán)境，這也是其設(shè)計(jì)宗旨的體現(xiàn)，它給生態(tài)建筑的創(chuàng)作帶來了更廣闊的空間。

結(jié)束語

現(xiàn)代建筑屋頂對(duì)建筑節(jié)能和可持續(xù)發(fā)展的作用也逐漸成為了大家關(guān)注的焦點(diǎn)之一城市化進(jìn)程的不斷發(fā)展，城市地面交通和建筑之間的日益融合，我們尋求人、建筑環(huán)境、自然之間的和諧統(tǒng)一，而自然通風(fēng)技術(shù)將再度成為城市生態(tài)建筑形式的主流。未來的建筑發(fā)展趨勢將是自然化和人性化的統(tǒng)一。參考文獻(xiàn)

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