公共建筑空間設計中自然通風的運用及軟件模擬

劉聰 朱嫻 單玥

摘要：本文以冬冷夏熱地區(qū)為研究對象，對其分區(qū)內(nèi)的公共建筑空間的自然通風進行設計，利用Ecotect的Weather Tool軟件，結(jié)合上海地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)，確定上海地區(qū)的風頻率情況，為建筑的自然通風策略提供依據(jù)，這對各時節(jié)的風環(huán)境調(diào)節(jié)亦具有適用性和啟示性。

關(guān)鍵詞：公共建筑;空間設計;自然通風

在生產(chǎn)與科技發(fā)展以及對人與自然和諧相處認知加深的基礎上，人們對建筑的要求已經(jīng)從最基本的遮風擋雨變成了節(jié)約能源、減少能耗，同時還要提供一種人、建筑與環(huán)境和諧共處、永續(xù)發(fā)展的生活空間。在傳統(tǒng)建筑的超大能耗、我國資源日益缺乏的情況下，社會對建筑的節(jié)能要求日益提高[1]。土地荒漠化、極端天氣頻現(xiàn)、全球變暖、資源枯竭等危機加劇，節(jié)能設計成為建筑設計的必然方向。

新鮮空氣的供應是保證室內(nèi)人體正常生活與健康的基礎，從傳統(tǒng)靜態(tài)的建筑設計角度來看，室外新風進入室內(nèi)需消耗大量的采暖空調(diào)費用，這給建筑節(jié)能帶來了負面效應。但如果從動態(tài)節(jié)能設計角度，運用自然通風改善建筑風環(huán)境，非常有利于建筑能耗的降低。春秋季，室外氣候適宜，通常室內(nèi)不需要采暖或空調(diào)，此時可盡量打開外窗，以保持室內(nèi)的空氣流通。夏季室外晝夜溫差比較大，室內(nèi)外存在雙向換熱的問題，在涼爽的夜晚，通過開啟門窗，引入室外自然冷風，可以帶走建筑結(jié)構(gòu)在白天蓄存的熱量，從而有效降低室內(nèi)溫度，減少空調(diào)的運行時間，甚至不用空調(diào)。公共建筑功能要素多、空間布局相對復雜，通過空間組織設計實現(xiàn)有效自然通風遠比單純地使用新風換氣更有意義。

自然通風是建筑適應氣候、調(diào)節(jié)氣候的重要設計策略之一，驅(qū)動力包括風壓和熱壓。城市環(huán)境中建筑自然通風受諸多條件的約束，如高樓林立導致建筑迎風面風壓不足、豎向流動空間缺失致使熱壓通風不足、高層建筑惡性風流干擾自然風環(huán)境等。因此，現(xiàn)實中自然通風的設計需要衡量多種因素，如不同熱工分區(qū)下氣候?qū)ψ匀煌L的影響，不同驅(qū)動力下自然通風的實現(xiàn)，以及不同季節(jié)氣象因素的制約，是一種平衡多種要素的空間綜合組織設計。Autodesk Ecotect Analysis（節(jié)能技術(shù)分析）作為可持續(xù)設計及分析工具，建立模型后以三維表現(xiàn)方式模擬風環(huán)境因素對建筑的影響，可有效指導建筑設計階段的整體環(huán)境分析與已建成建筑的各項節(jié)能分析，得到最優(yōu)的形態(tài)布局。

1 項目概況

該公共建筑位于上海市浦東新區(qū)書堂路，共6層，總建筑面積為9340.18㎡，占地面積為2227.95㎡，容積率為1.16，建筑密度為27.6%，綠化率為32.5%，主要功能為養(yǎng)老。由于養(yǎng)老建筑對陽光、通風等要求較高，自然通風手段的引入有利于改善居住環(huán)境，促進老年人的身心健康。

2 氣候數(shù)據(jù)

上海位于太平洋西岸，地處東經(jīng)120°51′至122°12′，北緯30°40′至31°53′，屬亞熱帶季風性氣候。年平均氣溫17.1℃，七月氣溫最高，月平均溫度為28.6℃;一月最低，月平均溫度為4.8℃。雨熱同期，日照雨量充足，四季分明，春秋較短，冬夏較長。梅雨季一般為六月中旬至七月上旬，其中七月雨量最大，高溫一般出現(xiàn)在六月至九月。夏季濕熱，盛行東南風;冬季干燥，盛行西北風;春秋季節(jié)涼濕，盛行東北風。

將上海的氣候條件數(shù)據(jù)輸入Ecotect（節(jié)能技術(shù)）的Weather Tool（天氣工具）（見圖1），生成圖2風環(huán)境的基礎數(shù)據(jù)圖。圖2中圓內(nèi)顏色的深淺代表了風頻，顏色越亮風頻越高，圓坐標代表風向，縱坐標代表風速。從圖中可以看出上海地區(qū)全年風的頻率及各朝向上的風速相對較均勻。只是縱觀12個月份來看，夏季多為微風，主導風向為東南（北）方向，冬季風速較大，大風天集中在一、二月，風向主要為西北（南）方向。

實際方案設計初期將圖1和圖2中的基礎氣象數(shù)據(jù)作為影響因素參考，如果該區(qū)域氣候條件差異較大，就會對建筑布局產(chǎn)生顯著影響。但就上海而言，風環(huán)境差異并不明顯，對建筑布局的影響相對較小，初期通過軟件模擬的方式分析項目自身小環(huán)境，歸納采取不同空間設計手段對建筑風環(huán)境的影響，調(diào)整建筑布局。

3 基于局部氣候環(huán)境對建筑風環(huán)境的設計

以上海養(yǎng)老建筑方案設計為例，上海為冬冷夏熱代表區(qū)域，夏季需要良好的通風條件，冬季則需要較好的保溫條件，通過Weather Tool得出各個時節(jié)的風環(huán)境情況，以此指導建筑布局與形態(tài)。本建筑優(yōu)化通風方案見圖3所示，具體自然通風措施有三條。

3.1 基于煙囪效應的空間通風調(diào)整

煙囪效應通過進風口和出風口的高度差，空氣受熱時密度減小上升，室外冷空氣從下方進入，利用熱壓作用加強空間內(nèi)部氣流交換。這種建筑自然通風形式主要用于如樓梯間、天窗配合通風豎井等豎向貫通空間。

建筑剖面設計的通風調(diào)整見圖4和圖5所示。圖4中結(jié)合天窗設置通風豎井，調(diào)節(jié)樓層間的熱壓通風[2]，圖5結(jié)合樓梯間設置通風豎井。上海夏季以東南風為主，加高西向窗臺后，出風口高于進風口，室內(nèi)氣流上升方向與豎井通風走向一致，能有效增強豎井通風效果。

3.2 基于文丘里效應的坡屋頂設計

文丘里效應是伯努利原理的具體表現(xiàn)，高速流動氣體附近的壓強減小，從而產(chǎn)生吸附作用。建筑中常見的坡屋頂相當于半個文丘里管，氣流通過的管道由粗變細，加快流速，然后逐漸擴大，坡屋面將迎風立面分離的氣流導向屋脊處并使其加速形成負壓（見圖6）。屋脊開口處的負壓在建筑頂部產(chǎn)生，因而可以配合熱壓通風的豎向熱浮力，形成風壓與熱壓協(xié)同的被動式自然通風，提高通風效率。文丘里效應改變了風壓正壓驅(qū)動室內(nèi)空氣流動的習慣認知，在迎風面風壓不足時，可以在建筑屋頂處形成負壓驅(qū)動力，協(xié)同熱浮力排出室內(nèi)廢熱空氣。

圖7結(jié)合導風板調(diào)整坡屋頂通風，將活動豎向百葉設置在建筑東立面充當導風板，當太陽高度角和風向變化時，及時改變豎向百葉角度，以增加進風口風量，強化坡屋頂通風效果。

3.3 基于風壓和熱壓作用的中庭設計

建筑中庭利用風壓和熱壓基本原理進行自然通風。當建筑物正面迎風時，會在迎風面出現(xiàn)風的正壓區(qū)，氣流則繞過建筑物側(cè)面及背面產(chǎn)生負壓區(qū)，正壓最大處在迎風面中心，負壓最大處在該建筑屋脊和屋角。建筑迎風面和背風面的壓力差產(chǎn)生自然通風，建筑布局、形式以及與風的夾角等都會對壓力差的大小產(chǎn)生影響。為增加室內(nèi)天然采光，公共建筑立面多為大面積玻璃幕墻，大量的太陽輻射熱不斷提高室內(nèi)溫度[3]，僅通過上述的風壓通風并不能將這部分熱量帶走。此時，通過中庭的合理引入（見圖8），在熱壓作用下產(chǎn)生豎向內(nèi)部氣流交換，彌補風壓作用不足，發(fā)揮通風換熱的作用。中庭設計能改善建筑內(nèi)部的熱環(huán)境，有利于人們的身心健康，同時也滿足了人和自然親近的需求，提高了居住環(huán)境的舒適度。

4 自然通風設計的舒適度評估

焓濕圖反映室內(nèi)的絕對濕度以及相對濕度情況，通過焓濕圖能分析室內(nèi)的環(huán)境情況以及和舒適區(qū)域的差距。圖9顯示的是自然通風策略作用下的熱舒適區(qū)域，弧線代表相對濕度（%），白色線框為采用自然通風技術(shù)后的舒適區(qū)域，黑色淺框為自然通風區(qū)域。我們發(fā)現(xiàn)采取了自然通風（黑色淺框區(qū)域）后可以滿足全年大部分的舒適區(qū)域，其中上海大部分地區(qū)氣候條件可達到。因此在上海地區(qū)實施自然通風策略改善了夏季氣候的濕熱狀況，提高了建筑物的舒適度。

圖10中的深色區(qū)域代表使用自然通風手段之后的焓濕，淺色區(qū)域代表使用之前的降溫潛力。因為上海夏季有較長梅雨季，其中七月雨量最大、濕度大，自然通風可以在很大程度上提高室內(nèi)熱舒適度。結(jié)合圖9、圖10可以看出，圖9中白色線框和黑色線框重合度較高，說明自然通風措施效果較好，熱舒適度區(qū)域大;相應的圖10中自然通風效果各月百分比較高，技術(shù)效果明顯。這是符合實際情況的，上海位于太平洋西岸，屬于亞熱帶季風性氣候，冬季濕冷，夏季悶熱，室內(nèi)熱舒適度體驗極差，可通過除去多余濕度改變原始氣候條件，因此，自然通風的實施有利于建筑物熱環(huán)境改善。

5 結(jié)語

好的建筑是藝術(shù)和技術(shù)、感性思維與理性邏輯的完美結(jié)合，受多種因素的平衡和制約。文中風環(huán)境分析只是環(huán)境影響因素之一，建筑師需要以人為本，運用各種分析手段優(yōu)化設計，得出最優(yōu)的建筑設計方案。

參考文獻：

[1] 黃慰祖.民用建筑中綠色建筑節(jié)能設計的應用分析[J].中國住宅設施，2019（08）：34-35.

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[3] 李積權(quán).氣候方位與建筑表皮節(jié)能——建筑表皮的氣候資源利用技術(shù)策略研究[J]. 建筑科學，2008，24（12）：7-11.

作者簡介：劉聰（1986—），女，江蘇宿遷人，博士，講師，系本文通訊作者，研究方向：綠色建筑。

朱嫻（1999—），女，江蘇蘇州人，本科在讀，研究方向：綠色建筑。

單玥（2000—），女，江蘇泰州人，本科在讀，研究方向：綠色建筑。