当代建筑运用烟囱效应原理的设计表达

摘要：文章首先对“烟囱效应”的工作原理进行分析，然后从季节和环境两个方面对“烟囱效应”的影响因素进行探究，最后结合建筑实例，对“烟囱效应”原理在当代建筑设计应用的基本模式进行总结，以期能够为同行带来一些启发。

关键词：当代建筑；烟囱效应；设计表达

一、“烟囱效应”原理分析

“烟囱效应”是建立在对流通风原理的基础之上，是风压和室内外热压同时作用产生的结果。若把建筑物中间位置当作中和面，其原理就可以表示为：中和面以下的空间从室外渗入空气，上部空间则将空气排出，形成完整的换气过程，具体可以参见图1。一般情况下，烟囱效应主要是以热压为主要作用方式，热压值与排风口高度以及空气密度差呈正相关，具体可以参见表1。建筑物的高度越大，或者室内温度高出室外温度的差值越大，烟囱效应产生的效果就越明显。如果能对其进行合理设计，就可以使室内实现有纪律的自然通风。

二、影响“烟囱效应”的因素

“烟囱效应”主要的通风形式是热压通风，温度差是造成通风的主要动力，利用热压通风的形式存在普遍适应性，一般都用于建筑室内通风设计。其中在建筑设计中，影响“烟囱效应”的因素主要包括季节和环境两个方面。

（一）季节因素

“烟囱效应”通常在冬季的效果比夏季好，因为在冬天室内外的温度差较大，室外的空气要比室内的重，此时，烟囱具有良好的通风效果。在输入新风的时候，还必须保持室内的温度。可以利用太阳能加热系统或者加热设备，适当地对新风进行预热，并在排风口处做好保温工作，以免室内的热量迅速流失。在夏季时期，室外空气的温度会比室内的高，室内空气就会从较低的窗户流出，温度相对较高的空气就会从上部进入，对其进行补充，不能有效降温，出现逆烟囱效应。为了有效解决这一问题，需要使用太阳能对其进行加热，进而驱动烟囱效应，使室内空气保持在一定的温度，实现良好的通风效果。

（二）环境因素

“烟囱效应”在建筑应用中具体的效果还需要综合考虑各种环境因素。然而在实际运用过程中，仅仅改变平面尺寸或者竖向高度并不会达到预期效果，还需要对其他的环境因素进行综合考虑。可以综合分析设计日照情况、风场情况和水环境状况等；可以在主导风向确定输送风口的位置，充分利用周边的水环境，进而提高送风的质量。

三、“烟囱效应”在当代建筑设计中的基本模式

在建筑设计中应用“烟囱效应”成功的案例较多，诸如福斯特的法兰克福商业银行大楼等，这些应用“烟囱效应”的建筑设计有效解决了各地区的通风问题，改善了室内的环境质量。“烟囱效应”在建筑设计中存在基本模式，可在不同的高度安装排风口和进风口，进而解决通风问题。接下来，文章将会应用建筑实例对其进行重点分析。

（一）天井中庭

“烟囱效应”严重受到进出风口高差的影响，高差越小，热压差也就越小，排风口的速度就越小；反之亦然。在建筑设计中一般都是拔高通厅空间来发挥“烟囱效应”的作用，这样能够使上下的风压差得到加强，做好室内的绿化设计，就能够形成一种独特别致的建筑形象。此种通风设计通常都用在空间较大或者进深较大的建筑，然而空间较大时，就需要较大的动力来驱动通风，此时就需要设计师来对大空间进行精心处理，使其能够充分应用自然通风、自然光以及被动式太阳能等。英国燃气公司大楼在设计前期使用的是桶状天井中庭，其拔风换气的效果不明显，不能满足实际需求，所以设计师决定使用使用往内收缩的平面和逐级上升的剖面，进而增强通风效果。而且戴斯勒・克莱斯勒公司办公楼也利用了该原理的通风中厅等各项措施来节约能源，进一步对室内空气进行改善。（如下图）

（二）太阳能烟囱

太阳能烟囱设计则是充分结合太阳能对烟囱井进行加热，进一步增大烟囱内外的温度差，从而使空气压得到提高，加速空气的流动，进一步增加室内的通风效率，使室内的温度大幅度降低。建筑师设计的英国国税局总部就是充分利用太阳能烟囱的例子。设计师利用太阳能烟囱对通风进行加速，具体的工作原理是：空气在阳光加热后温度会逐渐升高，密度则会降低，空气就会加速上升，进而使 通风效率得到提升。相较于无光照的“烟囱效应”，光照条件下，其通风效果更加明显。若是将通风口设置在加热面之上，那么加热面的温度越高，通风量也就越大。需要注意的是，该设计下的“烟囱效应”还受烟囱尺寸、太阳辐射和外部气候等因素的影响，所以在建筑设计中，还需要定量分析节能与结构设计。

（三）呼吸式双层幕墙

欧洲最早使用呼吸式双层幕墙，该建筑设计是在“烟囱效应”理论基础之上构造的。和普通玻璃幕墙相比，呼吸式双层玻璃幕墙更加节能。其使用的原材料都是能够循环利用的，具有较快的建设速度，在运输和施工场地方面，都没有太多的要求，而且还能够将噪声进行阻隔，有效降低外部空气给室内带来的污染，所以被誉为“可呼吸的皮肤”。而且呼吸式双层幕墙能够根据板、墙、框、悬臂以及其他的工作对其进行划分，气候适应性比较广泛，该建筑设计具有生态潜力。该幕墙最大的优势就是能够有效解决高层建筑的通风问题，由于高层建筑直接开窗会产生紊流，该幕墙系统能够利用外层玻璃对高空风力进行阻挡，室内的窗户则是可以开向幕墙中间空气层，利用“烟囱效应”或者借助其他组织送风，就能够将新鲜的空气引进室内。在夏季时期，可在该幕墙中间安装遮阳百叶，就能够对阳光进行阻挡，以免室内进入大量的太阳辐射，而在外层窗和百叶之间集聚的热空气就会通过双层幕墙产生“烟囱效应”，促进空气流动，最终上升到顶部后自动排除，进而使夹层内的温度降低；在冬季时期，双层玻璃间的空气层还具有良好的保温功能，使室内的热能量损失降到最低。其中，波茨坦中心DEBIS办公楼就是利用呼吸式双层幕墙来解决通风问题。

结束语

综上所述，“烟囱效应”是一种成本较低的生态技术，能够被广泛应用在各种地域、各种类型的建筑结构中，而且可以结合当地的气候、技术、文化、经济等特点，创造出变化多端的应变形式，可塑性较高，发展前景比较广阔。

参考文献：

[1]王文卉，杨奇.“烟囱效应”在建筑中的应用探讨[J].山西建筑，2013，26：170-172.

[2]张曼.当代西方建筑符号的审美研究[D].哈尔滨工业大学，2013.