环保理念下的自然通风设计分析

【摘 要】建筑师应该可以自觉运用一些形态优化设计和被动式节能方法，例如自然通风、太阳能利用、植物绿化、自然采光等，来改善中庭的热环境，有效降低中庭建筑的整体能耗。低碳经济环境下绿色建筑设计必须关注日照、通风和采光等在被动式节能中的利用，文章分析了通过屋顶形态的设计来促进中庭自然通风的方法。

【关键词】绿色建筑；自然通风；屋顶设计

绿色建筑是一项系统工程，从时间上来说它涵盖建筑的设计、施工和运营的全过程；从专业上来说不仅是节约能源，还涉及场地保护、建筑材料的选择、室内环境质量等各个方面的制约因素。建筑节能是绿色建筑的重点，同时影响绿色建筑能量利用的大部分策略都发生在项目的方案设计阶段，与建筑师有着密切的关联。

1.实现自然通风的方法

风可以说是最富有变化的气候因素了，它虽然会随着气候区的不同以及季节的更替呈现出一些大致的规律，但是实际上由于受到场地条件、地形和天气变化等诸多因素的影响，可以说时刻都在变化，让人捉摸不定。因此，对于自然通风的理解和控制就显得非常重要。建筑通风是由于建筑物的开口处存在压力差而产生的空气流动。按照产生压力差的不同原因，中庭实现自然通风的方法有以下三种：

1.1风压通风

当风吹向建筑物正面时，在迎风面上，由于空气流动受阻，速度减小，使风的部分动能变成静压，亦即使建筑物迎风面上的压力大于大气压，形成正压区。在建筑物的背风面、屋顶和两侧，由于气流的曲饶，这些面上的压力小于大气压而形成负压区。如果在建筑物的正负压区都设有门窗口，气流就从正压区流向室内，再从室内流至负压区，形成室内空气的流动。这种现象是利用建筑物迎风面与背风面的风压差而形成的，常称为风压通风。

当室外有风且室外温度低于室内温度时，利用风压通风是一种有效的降温方法。利用风压通风，首先要求建筑有较理想的外部风环境，平均风速一般不小于3～4m/s；其次，建筑应面向夏季主导风向，以利于形成穿堂风。最后，要合理设计立面开口的位置和大小。因此，利用热压通风主要和建筑所处的外部环境、建筑主体的朝向与当地主导风向的关系，以及建筑外立面开口的位置和大小等因素有关。

1.2热压通风

空气受热后温度升高，密度减小；相反，若空气温度降低，则密度增大，这种热胀冷缩的现象是人们熟知的。这样，当室内气温高于室外气温时，室外空气因较重而通过建筑物下部的门窗口流人室内，并将较轻的室内空气从中庭上部的开口排出去。进入室内的空气被加热后，又变轻上升，被新流入的室外空气所代替而排出。因此，室内空气形成自下而上的流动。这种现象是因温度差而形成的，常称为热压通风，也就是前面讲的烟囱效应。对于室外环境风速不大的地区，烟囱效应产生的通风效果是改善室内热舒适的良好手段。

但加前所述，烟囱效应对中庭热环境的影响有正负两方面。在冬季，室内温度高于室外温度，在烟囱效应的作用下，冷空气从底层部分的门窗渗入，带走室内的热量，这将增加室内的热负荷。在夏季白天，当室外温度较高时，此时烟囱效应产生的室内空气的流动方向是向下的，烟囱效应不断将室外的热量带入室内，增加了冷负荷；但在夏季夜晚，当室内空气温度高于室外空气的温度时，烟囱效应则不断将室内的热量带出，降低了冷负荷。

1.3 风压与热压相结合

利用热压和风压来进行自然通风往往是互为补充、密不可分的。一般来说，建筑进深小的部位多利用风压来直接通风，而进深较大的部位多利用热压达到通风的效果。但热压和风压综合作用产生的自然通风非常复杂。许多中庭建筑以自然通风的三种基本方式为基础建立自然通风模式。一般可在单个建筑中采用两种或多种模式混合来满足不同的需要。

2.促进自然通风的屋顶设计手法

热压作用主要取决于室内外空气温差和进出口位置的高差，这两个条件缺一不可。与热压作用相关的重要概念是中和面，即只有处于中和面以下的窗洞，空气才由室外流入室内，并从中和面以上开启的洞口排出室外。进出风口高差越大的空间，热压通风越容易实现。因此，以下几种屋顶形态设计能促进热压通风：

2. 1 突出屋面，提供侧向通风

一般来说，需要采暖的中庭应尽量让阳光照人中庭内部，有必要在顶部空间提供一定的存储容积，以收集热空气。所以，进行自然通风的中庭顶部都会突出屋面，尤其是核心式和内廊式的中庭，一方面便于在突出部分的侧面开窗作为气流出口，另一方面可以利用扩大部分积存空气，使之受热，以利用热压强化中庭的烟囱效应，如图4所示，中庭屋顶高于相邻空间的屋面。同时，突出的中庭顶部存储空间还起着烟气控制的作用。根据自然通风中庭排烟的需要，为防止发生火灾时烟气倒灌，中庭部分的屋顶应高出临近的使用空间屋面，留下一定的贮烟空间。贮烟空间的有效高度为最顶层的楼面到中庭排烟口中心线的距离，对于自然通风的中庭来说，最小尺寸为1.7 m。

2.2 设置烟囱增加出风口的高度

中庭的出风口高度可以通过设置烟囱来增加。烟囱的主要功能是为了通风，同时还可以作为采光井、太阳吸收器等。烟囱可以是一个单独的烟囱，也可以是围绕建筑的几个小烟囱。在当今的绿色建筑设计中，经常使用采光井、通风烟囱和风塔等构件来帮助中庭进风和排风，烟囱还常常成为绿色建筑的标志性构筑物。

2.3 结合中庭设置一体化的通风渠道

把中庭作为生态交换空间，通过建筑结构层与中庭空间的一体化设计，建立整座建筑的通风渠道将有利于建筑的自然通风。

2.4 设置倾斜的开启天窗，加大顶部排风窗的开口面积

自然通风通常意义上指通过有目的地开1：3，产生空气流动。为了便于在屋顶设置内部热气的排出口，避免水平天窗因雨雪天气无法打开的困境，一般会考虑设置竖向或者倾斜的开启天窗。

另外，进风面的斜屋面可以形成吸力，起到兜风的作用，与中庭的通风井道配合，可形成自然的通风渠道。例如，上述的上海生态示范楼就采用了斜屋面。

对于把自然通风作为一项重要能源策略的绿色建筑来说，一些精心设计的控制系统会更及时地对天窗的开启需求做出调整。例如，前述弗雷德里克兰切斯特图书馆使用一种“建筑能源管理系统（BEMS）”，它会根据感应器所提供的室外气温、风强度、室内温度和CO，浓度等信息来改变人风口闸门的开闭状态，控制中庭的通风。

综上所述，被动式节能与中庭形态密切相关。当然，对于一些进深很大的中庭，由于通风路径较长，流动阻力较大，单纯依靠自然的风压、热压往往不足以实现自然通风。因此，当自然通风不能满足中庭通风的舒适度要求时，就要适当运用一些机械通风设备来辅助自然通风，使得中庭有一个良好舒适的通风环境。

参考文献：

[1]李成武宾馆饭店的厨房通风设计[J].暖通空调，1 997，27（4）：56―58

[2]李景军，邵中亚，李华民公共建筑厨房的通风设计探讨[J].广东土木与建筑，2006，6：18―20

作者简介：

孔祥艳，女，神华国能山东建设集团，工程师。

韩卫祥，男，山东鲁能亘富开发有限公司，工程师。