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空调技术的发展,为人们创造了舒适的通风环境,越来越能更加主动的控制室内环境,创造前所未有的室内舒适气候要求,从而使人们逐渐淡化了对自然通风这种气候适宜性技术的应用。然而,在今天全球能源紧张、节能压力增大、空气品质恶化以及建筑综合征等发生的情况下,人们不得不重新审视和重视自然通风这一传统的气候适宜性技术。自然通风是一项古老的技术,与复杂、耗能的空调技术相比,自然通风是能够适应气候的一项廉价而成熟的技术措施,与空调系统相比,其可以在降低能源消耗的同时为室内引入新风,有利于人体生理和心理健康。

自然通风最基本的动力为风压和热压。通常的作法为利用建筑物外表面的风压,利用室内的热压,以及风压与热压相结合。

自然通风按工作原理可分为:热压作用下的自然通风、风压作用下的自然通风、热压风压共同作用下的自然通风。

风压通风是利用建筑的迎风面和背风面之间的压力差实现空气的流通。压力差的大小与室外空气流速、建筑的结构形式以及周围的环境有关。

在风资源丰富的地区,风压可作为实现自然通风的主要手段。另外伯努利流体原理显示,流动空气的压力随其速度的增加而减小,从而形成低压区。依据这种原理,可以在建筑中局部留出横向的通风通道,当风从通道吹过时,会在通道中形成负压区,从而带动周围空气的流动,这就是管式建筑的通风原理。通风的管式通道要在一定方向上封闭,而在其他方向开敞,从而形成明确的通风方向。这种通风方式可以在大进深的建筑空间中达到较好的通风效果。

热压作用的大小取决于房间内外的温度差以及进、排风口之间的垂直距离。在建筑设计中,一般可利用建筑物内部贯穿多层的竖向井洞一一如楼梯间、中庭、拔风井、管道井等满足进、排风口的高差要求,在顶部设置可以控制的开口,将建筑各层的热空气排出,达到自然通风的目的。与风压自然通风相比较,热压自然通风更能适应常变的外部风环境。实际上,热压和风压是同时存在的。有时互相加强,有时相互抵消。建筑中的自然通风往往是风压与热压共同作用的结果,只是各自作用的强度不同,对建筑整体自然通风的贡献不同。

建筑中的自然通风设计

现今,人们一说起生态技术,常常会将其与昂贵的高技术等同起来,比如国外用于监控、管理整幢建筑的能源管理BEMS系统等。但生态技术并不等于高技术,还包括许多方式。

①通过建筑形体设计、朝向、建筑群的布局等,根据当地风玫瑰来取得最大的自然通风。建筑物的高度、长度和深度对自然通风有很大影响。

②利用树木的合理布置来加强建筑的自然通风

③一个简单的矩形体,使其长向的门窗尽可能朝向夏季的主导风向,则通风效果较好。当建筑平面的形式为“凹”形或“L”形时,应尽可能使其凹口部分面向夏季主导风向。

④建筑平面进深不宜过大,这样有利于穿堂风的形成。一般情况下平面进深不超过楼层净高的5倍,可取得较好的通风效果。单侧通风的建筑,进深最好不超过净高的2.5倍。

⑤进出口窗面积比例,进出风口相对大小决定了室内空气流速。据有关试验表明, 获得室内整体最好风速的最佳办法是:出风口面积大于进风口面积10 %左右。

⑥房间与窗口朝向,如果窗户在相对的两面墙上,房间的方向不应顺着主导风向;如果窗户在两面相交的墙上,房间最好直接面朝风向开窗。

⑦气流控制。进风口与出风口之间有高度差,可以在风速不大的时候帮助增进室内通风。内廊双面房间的建筑,内走道墙顶或墙底应开一些通风窗,通风效果会好的多,这种形式尤其适合教室或人多的空间。

1、清华大学超低能耗示范楼

超低能耗示范楼坐落于清华大学校园东区,总建筑面积2920平方米,作为2008年奥运建筑“前期示范工程”,旨在通过其体现奥运建筑“高科技”、“绿色”、“人性化”。自然通风在建筑设计中的应用:

根据建筑结构以及周围环境的特点,建筑二、三、四层北侧利用风压进行通风,建筑二、三、四层的南侧及一层全部利用热压进行自然通风。

(1)、热压通风部分:

结合楼梯间和走廊设置三个通风竖井,分别负责不同楼层的热压通风,保证每个楼层的换气次数达到设计值。在建筑顶端设计玻璃烟囱,利用太阳能强化通风。(如右图)(2)、风压通风部分:

在建筑表面正压区和负压区的适当部位设置通风开口,使室外空气可以贯穿流过建筑。(3)、为实现自然通风、自然采光同时又满足防火要求,室内楼梯间成为一个多功能综合体,楼梯间井道利用高强度单片铯钾防火玻璃建成,使得玻璃通风道同时解决了室内楼梯间的自然采光需求。

(4)、此外在建筑外立面合适部位设置开启扇,室外空气在风压通风的作用下可顺畅地贯穿流过建筑。

该楼是我国首个综合了示范、展示、试验功能绿色建筑,多种生态与节能措施实际应用效果将通过详细的测试及计量结果验证,从这种意义上讲,示范楼是一个以真实建筑为基础的试验台,在大楼方案论证阶段,就贯穿可更新、可调节、可拓展思路,为未来更深入的试验及科研创造条件。

2、吉巴欧文化中心

1998年建成的吉巴欧文化中心,位于南太平洋中心的一个美丽的小岛——法属新喀里多尼亚的南端首府努美亚。它是按照比本土的棚屋形式大得多的尺度,选取原生材料,用现代技术建造的,却极具当地土著文化的魅力,建筑设计达到了“不求形似,但求神似”的境界。被动式通风——双层表皮系统

建筑的外皮分两层,分别由外部弯曲的肋板和内层垂直的肋板构成。这两排肋板都由胶合板制成。这双层皮系统能让空气在两层肋板结构直接自由的流通。设在外层的开口则用于引导来自海洋的季风,或者引导所需要的气流。而设在顶部的天窗则被用于调节空气的流通。不同风力情况下的通风情况

①通常情况下,当有主导信风吹过时,可调节式百叶窗打开,微风穿过内外层的水平板条进入单元体,再经由单元体和走廊之间阁墙上百叶窗进入走廊,最后通过庭院屋顶上的孔洞排出。

②当自然风非常微弱的时候,自然通风就依靠空气对流进行,天窗打开促进通风,单元体中的热空气沿倾斜的屋顶上升并从墙顶部的固定式百叶窗排出。而另一股位于位于内外维护结构之间的上升热气流也通过吸力促进空气向上穿过百叶窗来加强这一空气流通的过程。

③当风力变强时,安装于单元体屋顶下方的感应器会自动关闭所有位于底部的百叶窗,从而阻止强风穿过建筑。而当有从海上吹来的飓风时,屋顶下方会形成一个低气压,空气将通过顶部的百叶窗被迅速吸出单元体,从而使室内外的气压得到平衡。

缺点与不足

建筑师想要汲取自然风进入建筑,促进建筑内的空气流通。但风洞实验证明实际的效果并不完全如设想的一样,而且自然通风通常也不能完全满足需要,建筑的某些部分还需要适量的空调设备作补充。

总之,在这个设计中,设计师结合了当地和全球性的气候情况,结合了传统和现代,表达了对自然的尊重。他试图将整个文化中心融入新喀里多尼亚的自然环境中去。由于受到当地Kanak 棚屋的启发,建筑那弯曲的肋板不仅达到了与周围环境的视觉融合,而且形成了

其特有的被动式通风系统。这个系统试图将当地的主导信风引入建筑中,促进建筑内部的空气流通,从而形成被动式的通风效果并改善室内的热环境。这种被动式的通风系统可以最大限度的减小空调系统运转所需的能量和费用。尽管,这个系统在某些方面还存在不足,但其总体效果还是能达到设计的初衷,此外,这个系统也满足了其他一些方面的要求,比如视觉融合、听觉效果、光照等等。

3、德国Gelsenkirchen科技园(热压通风实例)

Kiessler+Partner设计的Gelsenkirchen科技园是北莱茵威斯特伐利亚兰德政府于1989年制定的环境改善十年计划中的一个极富创造性的项目。

科技园中,9个互相独立的研究建筑被拱廊串联,形成科学园的骨架。

拱廊的正面安装可随季节变化而自由调节的隔热玻璃。在冬季,可将低处的挡板关闭,拱廊便成为一个温室,有利于节约采暖能耗;在夏季,可将挡板滑向上方,这样,经过水面冷却的冷空气便可从玻璃墙面下部吹入拱廊内部,而室内的热空气则由玻璃墙与屋顶的接合处缝隙中排出。

除此以外地板下还设有调节室温的水冷系统,调节过程中被热空气加热的水在晚间则可向室内补充热能。

四、总结——论建筑设计中的自然通风

由以上的案例分析可见,自然通风的建筑并非以最终形式作为自己的设计成果,它更加关注的是生态意识在建筑设计中的贯彻,是与技术要求更好地配合、协调。它在建筑的最终形式上并未像现代主义建筑那样具有明确的要求与标志。它更注重的是适应环境,这也是其设计宗旨的体现,它给生态建筑的创作带来了更广阔的空间。

城市化进程的不断发展,城市地面交通和建筑之间的日益融合,我们寻求人、建筑(环境)、自然之间的和谐统一。而自然通风技术将再度成为城市生态建筑形式的主流。

现代科技的高速发展, 一方面使人们可以尽情享受着文明带来的舒适与便利, 另一方面也令人们在不知不觉中与自然渐行渐远。虽然随着建筑材料的进步和建筑围护结构密闭性的提高, 多层和高层建筑大都依赖机械通风, 但是依赖机械通风将耗费大量的能源,这既不符合中国国情,又无法满足人们回归自然的心理需求。我国地源辽阔, 各地自然气候不尽相同,所以在我们从事建筑设计的时候,应当有意识地运用生态理念, 灵活合理的应用生态通风技术,在生态技术的道路上,走出一条适合国情的可持续发展的道路。

由于自然通风利用的是自然界的动力,所以它是一种低能耗的通风方式,对于降低建筑空调能耗非常有效。但是自然通风在应用上也有很多不足,首先就是控制方面的问题。由于自然通风的湿度随季节和天气的变化而变化,所以湿度控制比较难。建筑要进行自然通风就需要一定开口,那么室外的噪声不可避免的就会影响室内的安静环境。另外,对于大型公共建筑,流动阻力大,单靠风压、热压无法实现通风;现在有些城市的空气污染比较严重,直接通风对人体不利。在这种情况下,常常采用一种机械辅助式的自然通风系统。该系统有一套完整的空气循环通道,辅以符合生态思想的空气处理手段(如土壤预冷、预热、深井水换热等),并借助一定的机械方式加速室内通风。

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