蘇南地區(qū)居住建筑夏季自然通風(fēng)實(shí)測(cè)分析與設(shè)計(jì)策略

張 群，車曉敏，劉加平，慧善康，吳小翔

（ 1. 西安建筑科技大學(xué)建筑學(xué)院，陜西 西安 710055；2. 陜西省西部綠色建筑協(xié)同創(chuàng)新中心，陜西 西安 710055；3.蘇州市建筑科學(xué)研究院有限公司企業(yè)院士工作站，江蘇 蘇州 215104）

隨著綠色建筑概念的推廣，在追求居住舒適性的同時(shí)，更加注重控制建筑運(yùn)行階段能耗與改善建筑的環(huán)境特性．夏熱冬冷地區(qū)，夏季室內(nèi)溫度與濕度較高，熱舒適性差，通過(guò)空調(diào)制冷雖然能夠有效滿足舒適性的物理指標(biāo)，但是在經(jīng)濟(jì)上不節(jié)約，而且長(zhǎng)時(shí)間滯留空調(diào)環(huán)境，也會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生不利影響[1]．自然通風(fēng)作為一種簡(jiǎn)單、有效的被動(dòng)式建筑設(shè)計(jì)手段，具有提高建筑舒適性、改善室內(nèi)空氣品質(zhì)、降低建筑運(yùn)行能耗等諸多優(yōu)點(diǎn)，成為兼顧經(jīng)濟(jì)與節(jié)能、健康與舒適的最佳選擇[2]．以蘇南地區(qū)蘇州市兩棟不同年代的低層居住建筑為例，對(duì)室內(nèi)外通風(fēng)及室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行實(shí)測(cè)與數(shù)據(jù)分析，從建筑平面布局、輔助空間設(shè)計(jì)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面探討改善居住建筑自然通風(fēng)的設(shè)計(jì)策略．

1 測(cè)試基本情況

測(cè)試對(duì)象與測(cè)點(diǎn)布置．本次測(cè)試分A與B兩個(gè)樣本，均位于太湖東畔、蘇州市吳中區(qū)新峰村．樣本A與B的主要朝向?yàn)槟舷?，東西向外墻無(wú)門窗洞口．其中，A是80年代建造的兩層磚混結(jié)構(gòu)民居建筑，主要有起居室、臥室、衛(wèi)生間、雜物間及樓梯間等，建筑面積132.0 m2、層高4.0 m、磚墻厚240 mm、（鋼筋）混凝土樓地面；B為清末建造的兩層木結(jié)構(gòu)民居建筑，主要有起居室、臥室、衛(wèi)生間、雜物間等，建筑面積142.0 m2、層高3.7 m、墻體由單層厚 40 mm的雙層木板組成，木質(zhì)樓地面（測(cè)試期間，樣本B客廳、臥室北側(cè)的木格柵均為關(guān)閉狀態(tài)）．本次測(cè)試只針對(duì)建筑一層進(jìn)行，測(cè)點(diǎn)布置在客廳及主要使用臥室．樣本A與B的平面圖與測(cè)點(diǎn)布置分別見(jiàn)圖1(a)和1(b)．為反映實(shí)際使用狀態(tài)、保證測(cè)試數(shù)據(jù)的有效性，測(cè)試期間不改變居民開(kāi)關(guān)門窗等生活習(xí)慣．

測(cè)試時(shí)間與內(nèi)容．測(cè)試時(shí)間為2014年8月17日8:30 ～ 18日17:30，期間均為陰天．記錄了包括風(fēng)速、空氣濕度、相對(duì)溫度、壁面溫度等數(shù)據(jù)．風(fēng)速每30 min采集一次、空氣溫濕度每10 min采集一次、圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度每30 min采集一次．為避免住戶夜間、下班后使用空調(diào)降溫、風(fēng)扇機(jī)械通風(fēng)及人員活動(dòng)對(duì)通風(fēng)測(cè)試的影響、提高有效性和準(zhǔn)確性，本文僅截取8月17日8:30 ～17:30無(wú)人在家逗留期間的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究．

測(cè)試儀器．Swema 3000微風(fēng)儀，分辨率1 h，精度±0.1%；Thermo Recorder TR-72U 雙通道溫度濕度自記儀，分辨率0.1℃、1%RH，精度為±0.5℃、±5%RH(25℃，50%RH)；Center 309 Date Logger Thermometer熱電偶，分辨率±(0.3% rdg)+1℃，精度±0.3% rdg +1℃（-200℃～1370℃）．

圖1 測(cè)試樣本平面及測(cè)試點(diǎn)分布圖Fig.1 The test samples plan and the distribution map of measuring places

2 實(shí)測(cè)結(jié)果及分析

圖2 室外風(fēng)速圖Fig.2 The outdoor anemograph of the test day

圖 2可知，測(cè)試期間室外風(fēng)速波動(dòng)范圍為0.31～1.95 m·s-1，平均值為 1.15 m·s-1．建筑室外風(fēng)環(huán)境的狀態(tài)與自然氣候、建筑選址與朝向、群體布局、建筑體型等存在一定關(guān)系．建筑物本身對(duì)風(fēng)的減弱或阻擋作用，對(duì)臨近建筑室內(nèi)、外的風(fēng)環(huán)境均有一定的影響．兩樣本的選址與朝向相同，處于相同的風(fēng)環(huán)境條件下，建筑自身的特征成為決定室內(nèi)自然通風(fēng)及熱舒適的主要因素．

圖3 樣本A與B室內(nèi)風(fēng)速逐時(shí)對(duì)比圖Fig.3 The difference on wind speed indoor of Sample A and B every half hour

圖3 顯示，樣本A客廳的風(fēng)速波動(dòng)范圍0.04～0.27 m·s-1，平均值0.12 m·s-1，樣本B客廳的風(fēng)速波動(dòng)范圍 0.06～0.15 m·s-1，平均值 0.10 m·s-1；樣本A臥室的風(fēng)速波動(dòng)范圍0.05～0.20 m·s-1，平均值0.11 m·s-1，樣本B臥室的風(fēng)速波動(dòng)范圍0.07～0.18 m·s-1，平均值0.08 m·s-1．綜合判斷，測(cè)試期間樣本A的室內(nèi)自然通風(fēng)狀況略好于樣本B．影響室內(nèi)自然通風(fēng)情況有諸多因素，如建筑體型、功能布局、層高、窗墻比、圍護(hù)結(jié)構(gòu)做法、門窗開(kāi)啟情況等等．樣本A與B因建設(shè)年代不同，因此平面布局、空間組織、圍護(hù)結(jié)構(gòu)等方面存在的差異是造成室內(nèi)風(fēng)速差異的主要因素．

圖4 樣本A與B室內(nèi)溫度、濕度逐時(shí)對(duì)比圖Fig.4 The difference on air temperature and humidity indoor of Sample A and B every half hour

圖4 (a)溫度比較顯示，樣本A的客廳、臥室溫度均高于B、最高差值3.5℃，說(shuō)明在相同的室外溫度條件下，較高的自然通風(fēng)速度會(huì)將夏季白天室外熱量帶入室內(nèi)；樣本A的早、中、晚溫差較小，值為 0.4℃，說(shuō)明磚混結(jié)構(gòu)材料的熱惰性指標(biāo)及熱容在起作用，室內(nèi)熱穩(wěn)定性比木結(jié)構(gòu)建筑好．

圖4(b)濕度比較顯示，樣本A室內(nèi)空氣相對(duì)濕度顯著低于B，且曲線變化穩(wěn)定．建筑在自然通風(fēng)狀態(tài)下，室內(nèi)空氣的相對(duì)濕度大小主要取決于室外相對(duì)濕度、室內(nèi)溫度、室內(nèi)人為加濕及建筑材料自身調(diào)蓄熱濕的性能．對(duì)于本次測(cè)試，樣本A與B室外氣候條件相同，且室內(nèi)無(wú)人為加濕，一方面說(shuō)明樣本A較高的室內(nèi)空氣溫度造成相對(duì)濕度的降低，另一方面也說(shuō)明磚混結(jié)構(gòu)材料與混凝土地面的隔潮性能較好．對(duì)于樣本B平直的曲線形態(tài)，說(shuō)明了木結(jié)構(gòu)建筑和木材自身的呼吸特點(diǎn)、木地板隔潮能力差，導(dǎo)致地下土壤水分通過(guò)毛細(xì)效應(yīng)、蒸發(fā)增加了室內(nèi)濕度，同時(shí)也說(shuō)明樣本B室內(nèi)已經(jīng)達(dá)到露點(diǎn)，開(kāi)始結(jié)露．

對(duì)于夏熱冬冷地區(qū)，夏季室內(nèi)較高的相對(duì)濕度會(huì)增加人體悶、濕感，熱舒適滿意度PMV變得更差，所以強(qiáng)化夏熱冬冷地區(qū)夏季建筑自然通風(fēng)對(duì)于降低相對(duì)濕度、防止壁面結(jié)露是非常必要、且有效的技術(shù)措施．

3 自然通風(fēng)設(shè)計(jì)策略

3.1 合理組織建筑平面

合理組織建筑平面布局，高效利用穿堂風(fēng)是有效的自然通風(fēng)設(shè)計(jì)方法．這種通風(fēng)方式主要由風(fēng)壓驅(qū)動(dòng)，即當(dāng)風(fēng)吹向建筑時(shí)，建筑迎風(fēng)面會(huì)產(chǎn)生正壓力，側(cè)面產(chǎn)生負(fù)壓力，在建筑兩側(cè)形成風(fēng)壓差．若建筑一側(cè)有門窗開(kāi)口，則稱為單側(cè)通風(fēng)，如圖5(a)所示；若建筑兩側(cè)均有門窗開(kāi)口，則稱為雙側(cè)通風(fēng)，即穿堂風(fēng)，如圖5(b)和5(c)所示．

圖5 室內(nèi)風(fēng)流向示意圖Fig.5 The schematic diagram of the indoor wind flow direction

單側(cè)通風(fēng)房間內(nèi)氣流交換是通過(guò)風(fēng)的湍流、外部洞口及外部氣流的共同作用來(lái)完成的，而室外天氣、風(fēng)向均為不確定因素，因此，單側(cè)通風(fēng)的驅(qū)動(dòng)力較?。┨蔑L(fēng)主要取決于進(jìn)出風(fēng)口之間的風(fēng)壓差的大小，在室外環(huán)境一定的情況下，風(fēng)道順暢、風(fēng)道長(zhǎng)短適宜、風(fēng)口位置對(duì)置均可提高穿堂風(fēng)效果．穿堂風(fēng)可分為兩種情況，一是對(duì)側(cè)門窗成角度對(duì)置，如圖 5(b)；二是對(duì)側(cè)門窗正對(duì)設(shè)置，如圖5(c)．綜合而言，因 5(c)風(fēng)道短、且路徑順暢，所以(c)的通風(fēng)效果要優(yōu)于(b)，而(b)、(c)均優(yōu)于(a)．控制好建筑層高與進(jìn)深的比例也可提高室內(nèi)通風(fēng)，一般而言，雙側(cè)通風(fēng)的建筑進(jìn)深宜小于建筑凈高的 5倍，單側(cè)通風(fēng)的建筑進(jìn)深宜小于建筑凈高的2.5倍．[3]所以，設(shè)計(jì)之初，根據(jù)主導(dǎo)風(fēng)向確定建筑朝向和平面組織，為創(chuàng)造良好的室內(nèi)自然通風(fēng)環(huán)境提供可能．

受海洋性氣候影響，蘇南地區(qū)夏季風(fēng)感較強(qiáng)．夏季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)，建筑朝向或主要房間朝向正南、南偏東均可獲得較好的室內(nèi)通風(fēng)效果．蘇南傳統(tǒng)院落居住建筑平面布局多沿縱向軸線布置，主軸線上依次布置門廳、轎廳、大廳、女廳和臥房等，這樣的布局對(duì)形成穿堂風(fēng)是有利的．若建筑朝向夏季主導(dǎo)風(fēng)向，則所有門窗洞口也都迎向了夏季主導(dǎo)風(fēng)向，形成了明顯的通風(fēng)通道，有效地加強(qiáng)了穿堂風(fēng)的通風(fēng)效果．測(cè)試樣本A與樣本B相比較，樣本B北向?yàn)槟靖駯?，均為關(guān)閉狀態(tài)，室內(nèi)為單側(cè)通風(fēng)，且樣本A平面布局簡(jiǎn)單規(guī)整、南北通透，層高較B高，形成順暢的風(fēng)道，加強(qiáng)了室內(nèi)通風(fēng)效果．

3.2 注重設(shè)計(jì)輔助空間

豎向通高空間，強(qiáng)化熱壓通風(fēng)效果．傳統(tǒng)民居中的天井具有熱壓通風(fēng)效果，而對(duì)于無(wú)天井民居，對(duì)其輔助空間的設(shè)計(jì)也可利用熱壓通風(fēng)原理來(lái)加強(qiáng)自然通風(fēng)效果．根據(jù)熱壓通風(fēng)原理，將樓梯間、天井等縱向通高空間作為出風(fēng)口，并在頂部設(shè)置開(kāi)口．室內(nèi)外空間貫通可提高熱壓通風(fēng)效果，所以樓梯間位置選擇應(yīng)考慮盡量帶動(dòng)周邊房間以改善建筑整體的通風(fēng)效果．

平面輔助性空間，形成風(fēng)壓通風(fēng)的“峽谷效應(yīng)”．輔助性空間使用頻率相對(duì)較低，居住者停留時(shí)間較短，且各房間內(nèi)門經(jīng)常處于關(guān)閉狀態(tài)，自然通風(fēng)狀態(tài)不佳，所以設(shè)計(jì)時(shí)可將其整體布局，形成統(tǒng)一空間，避免分散布局而影響建筑風(fēng)道的順暢性．輔助性空間在建筑平面中的位置設(shè)置比較靈活，可利用輔助性空間營(yíng)造良好的局部通風(fēng)廊道．因廊道處寬度驟然收窄，形成峽谷效應(yīng)，對(duì)風(fēng)有較大的加速作用（如圖6）．

圖6 “峽谷效應(yīng)”室內(nèi)風(fēng)流向示意圖Fig.6 The schematic diagram of the indoor wind flow direction on “canyon effect”

蘇南地區(qū)傳統(tǒng)民居平面多以廳堂為中心展開(kāi)平面布局，周圍輔以廊道，且門窗相互對(duì)應(yīng)，為自然通風(fēng)營(yíng)造良好的風(fēng)道．實(shí)測(cè)樣本A內(nèi)東西向的走廊位于樓梯間南側(cè)，走廊兩側(cè)門通常處于關(guān)閉狀態(tài)，且東西向外墻無(wú)開(kāi)窗．樣本B的過(guò)廳東西兩側(cè)盡端無(wú)窗戶．A與B均沒(méi)有形成完整的通風(fēng)系統(tǒng)，導(dǎo)致空氣流動(dòng)性不佳．若在走廊盡端設(shè)置通風(fēng)口、走廊長(zhǎng)軸與所在地區(qū)夏季主導(dǎo)風(fēng)向一致等做法，可提高室內(nèi)風(fēng)環(huán)境質(zhì)量．

3.3 高效利用圍護(hù)結(jié)構(gòu)

一個(gè)完整的通風(fēng)體系包括進(jìn)風(fēng)口、風(fēng)道與出風(fēng)口[4]，進(jìn)、出風(fēng)口的位置、大小也對(duì)建筑室內(nèi)通風(fēng)效果有很大的影響．建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)包括圍合建筑的墻體、門、窗、屋頂，相應(yīng)的門、窗、屋頂洞口即為通風(fēng)體系中的進(jìn)、出風(fēng)口．傳統(tǒng)建筑因受木結(jié)構(gòu)的限制，其開(kāi)窗尺寸通常較小，新建磚混結(jié)構(gòu)建筑可靈活的選擇門窗尺寸與形式．在環(huán)境因素相同的情況下，空間通風(fēng)量與窗墻比近似地成正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)總窗墻比一定時(shí)，前后開(kāi)孔面積越接近，通風(fēng)效果越好，當(dāng)它們相等時(shí)，通風(fēng)量為最大值[5]．

測(cè)試樣本B的南向和北向窗戶外均設(shè)置有木格柵構(gòu)造，北向全部關(guān)閉、南向僅開(kāi)啟兩扇，南向窗墻比為0.18，門洞口尺寸為1.4 m × 2.8 m．客廳、臥室平均風(fēng)速分別為0.11 m·s-1、0.08 m·s-1，均低于《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中提出的夏季室內(nèi)舒適空氣流速0.30 m·s-1的標(biāo)準(zhǔn)[6]．在總窗墻比一定的前提下，保證前后門窗開(kāi)孔面積相同，有利于提高室內(nèi)自然通風(fēng)效果．測(cè)試樣本A為磚混結(jié)構(gòu)，B為木結(jié)構(gòu)，結(jié)合圖 7可知，在陰天氣象工況條件的測(cè)試期間，樣本A室內(nèi)壁面溫度均高于樣本B，說(shuō)明磚混結(jié)構(gòu)材料的熱惰性與蓄熱性能較好，對(duì)于降低相對(duì)濕度、消減濕熱感起到了一定作用．因此，對(duì)于不同氣候區(qū)的居住建筑，可根據(jù)不同的節(jié)能設(shè)計(jì)需求合理選擇建筑材料．

圖7 樣本A、樣本B室內(nèi)壁面溫度逐時(shí)對(duì)比圖Fig.7 The difference on wall temperature indoor between Sample A and B every half hour

4 總結(jié)

對(duì)于夏熱冬冷地區(qū)，采用自然通風(fēng)手段調(diào)控室內(nèi)相對(duì)濕度、改善熱環(huán)境、降低環(huán)境控制能耗是一種直接、有效的被動(dòng)式節(jié)能措施．本文通過(guò)對(duì)蘇州地區(qū)兩棟居住建筑通風(fēng)狀況進(jìn)行實(shí)測(cè)，從平面形式、輔助空間、圍護(hù)結(jié)構(gòu)等方面研究了改善自然通風(fēng)的建筑設(shè)計(jì)策略，得出如下結(jié)論：(1) 根據(jù)夏季主導(dǎo)風(fēng)向，合理選址與組織平面，保證建筑及主要使用房間利用穿堂風(fēng)，并選擇門窗雙側(cè)對(duì)置的布置形式提高室內(nèi)空氣流通效果．(2) 合理布置樓梯間等縱向輔助空間，提高熱壓通風(fēng)；靈活組織輔助性空間形成“峽谷效應(yīng)”，強(qiáng)化風(fēng)壓通風(fēng)．(3) 圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料方面，磚混結(jié)構(gòu)材料比木材的蓄熱性好，可加強(qiáng)熱壓通風(fēng)效果，應(yīng)根據(jù)通風(fēng)設(shè)計(jì)需求合理選擇建筑材料構(gòu)成．

建筑方案設(shè)計(jì)階段應(yīng)從上述方面綜合考慮，提高夏季室內(nèi)自然通風(fēng)特性，滿足舒適性的居住需求，達(dá)到兼顧經(jīng)濟(jì)與節(jié)能、健康與舒適的目標(biāo)．

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