兼顾自然通风的建筑设计

摘要：经济的发展的同时带来了全球的能源危机与环境危机，人们越来越重视对可在生能源的利用，建筑能耗占全球能耗的一大部分越来越受到人们的关注。本文旨在以设定建筑模块为例，探求自然风与建筑设计相结合的设计方法。

关键词：CFD 自然通风 能源危机 风环境

全球的能源、环境危机：经过了第三次科技革命世界经济得到了迅速的发展同时给全球带来了不可逆转的能源、环境危机。主要表现在：1、环境遭到污染、自然资源消耗殆尽，2、空气与淡水遭到严重的污染，3、温室效应导致全球变暖并造成了全球的气候变迁。人们正遭受了环境污染带来的危害，走节能低碳可持续发展的道路与合理利用可再生资源迫在眉睫。

建筑行业在近期得到了迅速的发展，建筑能耗占据全球总能耗的一大部分，不但包括建设过程中所消耗的能源也包括了建筑使用过程中的能耗。自然界可再生资源非常丰富，与建筑相关的可再生资源主要包括：自然光、自然风、地下热能等。自然风是上述可再生资源的重要组成部分，具有其特殊的意义引起了建筑师广泛的注意。

自然通风的意义：建筑的自然通风是指在不依靠消耗能源的情况下，被动式的满足室内通风换气。其特殊意义有以下几点：1、节省了机械通风所消耗的能源。2、适用范围比较广泛。3、采用自然通风相比机械通风能增加人们的热舒适度。4、投入比较少，在设计前期只要能将建筑设计与当地的风环境结合起来进行设计不用很大的投入就能做到在建筑使用过程中运用自然风。

建筑设计与自然通风相结合设计的思路：

建筑设计与自然通风结合设计的关键点在于设计前期就要将自然通风这一条件考虑进来，让自然通风这一概念贯穿于建筑设计以及建筑使用的全过程中。这种思想必须与基地的热工学分区相结合，在不同的热工分区运用不同通风措施与其相结合。

通过文献的大量阅读笔者总结出其设计过程主要有这几个步骤组成：1、查阅基地的相关气候数据，主要包括：建筑所处的建筑热工分区及其对节能方面的要求、基地主导风向与平均风速。2、在上述资料的基础上对基地进行风环境的模拟与分析，并且与基地的其它限制条件确定建筑的朝向，建筑的朝向与基地主导风向应该有一定的夹角，有助于充分利用自然通风。3、建筑初期的模型放到基地内进行风环境模拟，查看通风效果，并且对模型进行调整，得出合理利用自然通风的最优建筑体块。4、在确定建筑体块的基础上通过计算机模拟出来的结果选取建筑开窗的朝向以及开窗的方位与开窗高度，这里主要注意的是窗户的朝向与高度应该与当地环境气候结合起来。北京地区属于冬冷夏热地区，冬季主导风向处尽量少开窗，夏季主导风向处尽量多开窗。5、对初步确定开窗位置的建筑模型进行室内风环境的模拟，对开窗区位、高度、大小进行调整争取能使建筑最大限度的利用自然通风。下面笔者将以在理想状态下设定的标准模块进行分析，与大家共同探求建筑合理利用自然通风的设计方法。

自然风模拟方法：自然风的模拟方法主要有三种：风洞实验、现场测量、计算机CFD的模拟。前两种方法需要做大量的实验并且投入大量的实验成本，计算机的模拟方法方便观察结果并且对模型的修改方便，故本文风环境的模拟方法为计算机CFD模拟。

标准模块自然通风的设计过程：

1、对基地气候环境资料的收集与整理，基地位于北京，属于夏热冬冷地区，要兼顾夏季排热冬季保温的要求。北京冬季主导风向为西北风，平均风速为2.7米每秒，夏季主导风向为东南风，平均风速为2.3米每秒。在此设定了以18mX12mX5m为单元模块进行风环境的设计。并且模拟的条件为基地内没有任何建筑遮挡的理想状态，经过多次对模型进行风环境的模拟得出了模块为南北朝向时建筑模块夏季接受到自然风面积最大并且最均匀。

2、模块开窗部位以及开窗高度的确定，将模块的模型导入软件分别以北京冬季、夏季风环境的数据进行模拟，冬季结果如下图所示：

由上图可知在冬季建筑的西北侧风速比较大并且随着高度的增加而增加，平均值约为2.1米每秒。

夏季模拟结果如下图所示：

由上图所知在夏季建筑的东南侧风速较大并且随着高度的增加而增加，平均值约为1.8米每秒。

北京冬季刮西北风，为了减少冷风进入室内带走热空气，所以在建筑的西北侧尽量少开窗，但是为了冬季与夏季的通风换气，还是需要一定数量的窗户。

北京夏季刮西南风，夏季室内温度比较高，需要大量的自然风进入室内带走热空气，故在建筑的东南面开启比较多的窗户。

对开窗高度的确定，有上图分析所得，无论冬季还是夏季风速都随着高度的增加而增加，夏季要求更多的自然风进入室内，所以夏季开窗的位置尽量高，由此可得开窗高度应该位于建筑东南侧并且高度在1.5米到4米之间。冬季为了保暖，要求进入室内的自然风尽量少，有上述分析可得冬季开窗位置在建筑的西北侧，并且高度位于0.2到1.5米之间。

3、通过上述分析的结果建立模型进行室内风环境的模拟并分析结果。如图3所示：

由图可知冬季室内风速比较小，平均为0.2米每秒，夏季室内风速比较大，平均风速约为1.5米每秒，符合室内风环境的评价标准，基本达到了前期设想的设计要求。

结论：通过上述对设定模块在北京地区的风环境设计的过程，探讨了建筑与风环境相结合设计的基本方法，其主旨思想是将合理利用自然通风这一概念贯穿于建筑设计的各个过程中。上面的案例只是理想状态的一种，在实际建筑基地中有非常多的设计限制，基地自然风也比较复杂，例如：基地原有建筑对自然风的遮挡、基地的热工分区条件的限制，只有将这些条件都考虑进去，需要对建筑模型进行反复调整并进行风环境的模拟，从而得出更好的结果，使自然通风与建筑设计更有机的结合起来，最大限度的利用自然通风。

参考文献：关滨蓉：建筑设计和风环境：建筑学报：1995.03

邱龄仪：风环境理念下的建筑设计：江苏建筑：2011.05

薛杰[法]. 可持续发展设计指南[M]. 北京：清华大学出版社，2006.5.