自然通风在建筑设计中的运用探析

自然通风在建筑设计中的运用探析

张晓瑞

(合肥工业大学建筑与艺术学院,安徽合肥230009)

　　【摘　要】　论述了建筑中自然通风的原理,指出形成自然通风的三种方式为风压作用、热压作用和风压热压混合作用,分析了自然通风对建筑设计的要求,以福斯特设计的弗雷尤斯地方中等职业学校为例说明了自然通风在建筑设计中的具体运用。

【关键词】　自然通风;　建筑设计;　原理;　运用

【中图分类号】　P46314　　　　　　　　　　　　【文献标识码】　A

　　20世纪50年以来,全球经济迅猛发展,人口迅速增加。

人类的繁荣是建立在对自然界更多更快地索取之上,这造成了全球生态环境问题日趋严峻。建筑业作为一个重要产业为经济社会的发展做出了巨大贡献,但建筑业是一个高能耗高污染的产业,它消耗大量自然资源和能源,产生大量废弃物。目前,建筑活动产生的温室气体占全球温室气体的一半,建筑垃圾占城市垃圾总量的30%～40%。建筑设计是建筑业的龙头行业,因此在建筑设计中运用生态思想和技术对于建筑业实现节能减排有特殊的意义。运用自然通风即是这样的一种生态设计思想和技术。

1976年,生态建筑运动的先驱A施耐德在当时的西德成立了建筑生物与生态学会,强调使用天然建筑材料,利用自然通风、自然采光,倡导一种有利于人类健康和生态效益的建筑设计思想。当前,生态思想在建筑设计中主要表现为:利用太阳能等可再生资源,注重自然通风、自然采光、加强绿化,充分利用建筑废弃物等。这当中,利用自然通风是重要的一环。

1927年,第一台空调问世,标志着人类主动控制建筑微气候的开始。从此,自然通风逐步让位于空调系统,自然通风普遍被建筑设计所忽视。但空调技术也有其负面影响,氟利昂会破坏大气中的臭氧层,过量使用空调会加剧城市热岛效应,破坏室外热环境等。因此,充分利用自然通风在现代生态建筑设计中具有重要的地位和价值。1　自然通风的原理

建筑通风包括从室内排出污浊空气和向室内补充新鲜空气两部分,前者称为排风,后者称为送风。为实现排风和送风所采用的设备装置总称为建筑通风系统。有效的通风系统可以保证室内空气质量符合卫生标准,提高室内空气品质(IAQIndoorAirQuality)。

按照通风系统工作动力的不同,建筑通风可分为机械通风和自然通风。机械通风依靠外部机械设备产生的压力强制空气流动实现通风换气;自然通风则依靠自然压力实现空气流动。自然压力是自然通风的基本动力,是建筑外墙上洞口两侧存在的压力差(空气从压力较高一侧流向较低一侧)。自然压力主要指风压和热压,相应的自然通风分为利用风压实现的,利用热压实现的和利用二者共同实现的三种类型。111　风压作用下的自然通风

风压是指室外气流造成室内外空气交换的一种作用压

力。当室外气流和建筑物相遇时,将发生绕流。由于建筑物的阻挡,建筑物四周空气压力发生变化:迎风面气流受阻,动压降低,静压升高,风压为正压;侧面和背风面静压降低,风压为负压。相对于其它处未受干扰的气流而言,把这种静压的升高或降低统称为风压。正是由于正负压的存在,室外气流将从处于正压区(迎风面)的门窗孔口进入室内,室内空气则通过负压区(侧面和背风面)的门窗孔口排出,从而实现自然通风(图1)。建筑物四周的风压分布不同,迎风面和背风面的压力差也随之不同,它与建筑物的几何形状和建筑与风向的夹角等因素有关。一般来说,迎风面几何中心正压最大,屋脊与屋角处负压最大。人们常说的穿堂风就是利用风压来实现建筑的通风换气。

图1　风压作用的自然通风

112　热压作用下的自然通风

自然通风的另一基本动力是建筑物内部的热压。热压

是由于室内外空气温度不同而形成的重力压差。室内空气温度高,比重小,便会从建筑物上部的窗户排出;室外空气温度相对低,比重大,便从建筑下部的门窗孔口进入室内,从而实现自然通风(图2)。这个过程又叫“烟囱效应”。室内外温差越大,上下进出风口之间的高差越大,则产生的热压就越大。当室内外温度一定时,上下两窗口间的压差与其高差成线性比例关系。对于高温车间利用热压进行通风是防暑降温最有效的措施,它不消耗电能又可获得巨大的换气量。113　风压和热压共同作用下的自然通风

当风压与热压共同作用时,建筑物各洞口内外压差值应　　[收稿日期]2009-03-27

[作者简介]张晓瑞(1976～),男,研究生,讲师,从事城

市规划设计教学科研。

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建筑论坛与建筑设计

图2　热压作用的自然通风

图3　天窗外侧加装档风板

15m),宜利用风压组织穿堂风进行通风换气。对于公建,由于其人流大,宜利用热压通风。同时其规模面积也较大,单

综合考虑二者的作用。事实上,由于室外风向,风速和室内外温度经常发生变化,因此往往利用风压和热压相互补充,密切配合来实现自然通风。通常在建筑物进深小的部位利用风压实现自然通风,而在进深大的部位则利用热压实现自然通风。

相对于复杂昂贵的机械通风和空调系统,自然通风最大的优点是不需要动力设备,技术简单成本低廉。它在不消耗能源的情况下实现被动式制冷,达到人体热舒适。此外,自然通风能提供新鲜清洁的自然空气,排出室内污浊空气,提高室内空气品质,非常有利于人的生理和心理健康。

纯依靠自然通风难以完全满足要求,此时可采用机械设备来辅助自然通风。另外,在炎热地区,利用自然通风是达到人体热舒适的首选策略;而寒冷地区,应在满足室内空气质量前提下尽量减少通风换气次数,以减少热损失。

建筑设计还要善于利用高科技来解决通风问题,使自然通风和高科技有机结合以更好地为人们创造健康舒适的工作生活环境。例如,皮亚诺在特吉巴奥艺术中心设计中,充分利用计算机模拟技术进行气流分析和风洞实验,最终形成通透和开放的锥状造型,既减小了风荷载,又最大限度地利用风压实现了建筑的自然通风。

2　自然通风对建筑设计的要求

建筑设计应该以人为本,其根本目的在于为人们创造一个健康舒适的工作生活环境。全球性的能源和环境危机促使有远见的建筑师积极行动起来,大力研究自然通风在建筑设计中的应用。他们的目的是最大限度地减少空调对不可再生能源的消耗和对环境的污染,也即走符合可持续发展原则的建筑创作之路。

从建筑设计的角度看,我们要认识到当前建筑设计中的一些不足:一味追求大体量、大进深、大密度的建筑,室内净高太低,建筑开窗不够,甚至做成推拉半开窗或死窗;过度依赖中央空调和机械设备,只强调降温与采暖,忽略对室内空气质量的要求。因此,建筑设计应该更多关注建筑的健康功能,抛弃那些虚幻的、概念化的设计理念,从细部着手,切实处理好建筑中的自然通风问题。欲利用自然通风,建筑设计应该注意以下几个方面。

首先建筑应选址在有利的外部风环境中,风速要大于3m/s,这是前提条件。其次,建筑的主要进风面应与夏季主导风向成60°～90°角,不宜小于45°。第三,建筑物的正压区和负压区都会延伸一段距离,其大小和建筑物的高度形状有关,在此距离内的其它建筑的通风要受到影响。因此要合理安排相邻建筑的距离,以免相互干扰。对于居住区设计应特别注意此点,务必使相邻住宅的距离和住宅高度保持合适的比例关系。最后,建筑物本身要采取措施来加强自然通风,如利用热压原理通风时,在天窗两侧加装挡风板,使天窗始终处于负压区,只排不进,从而避免了天窗在迎风面发生气流倒灌现象(图3)。又如,在檐口部位合理设置进气口。这样当关闭门窗时,新鲜空气仍能进入室内进行自然通风。霍普金斯在设计英国新议会大厦时,将建筑进风口设在檐口高度,并在风道中安装空气净化器,从而为室内提供干净卫生的新鲜空气。

在住宅设计时,为了利用自然通风,进深不能太大(小于

3　实例———弗雷尤斯地方中等职业学校

作为高技派的领军人物,诺曼福斯特在法国弗雷尤斯地方中等职业学校的设计中一改往日的高技术风格,转而结合当地气候条件,充分利用自然通风来解决建筑的通风问题。弗雷尤斯冬季温暖湿润,夏季炎热干燥,全年日照长,降雨少,如何解决夏季的建筑通风便成了福斯特必须面对的问题。他利用热压原理,将建筑一字排开,平面窄而长,在东西方向设计一条长长的室内走廊,走廊上部设有排气天窗。这样室内的热空气通过天窗排出,室外的新鲜空气从窗户进入室内,从而达到自然通风的目的。此外,福斯特在屋面的结构层和防水层之间设有通透的空腔,以带动空气流动,加速自然通风(图4)。在这之后,福斯特又成功地把自然通风原理运用到法兰克福商业银行高层办公楼设计上,大大降低了能耗,成为高层节能建筑的典范之作,被誉为“第一座生态型高层塔楼”。

图4　职业中学气流分析

4　结束语

在当前生态环保意识日益加强的趋势下,全球各地不断涌现出充分利用自然通风的优秀建筑设计作品,这证明了自然通风在建筑设计中具有广阔的应用前景和实用价值。建筑师应该加强对生态建筑设计的研究和实践,正确处理人、建筑和环境之间的关系,在建筑设计中尽可能利用自然通风,降低能耗,减少污染,走符合可持续发展原则的建筑创作之路,不断为保护好我们的自然环境做出应用的贡献。

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铁路与公路设计

图7　弯矩随钢弹簧支座刚度的变化曲线

图9　弯矩随扣件刚度的变化曲线

由图6、图7可以看出,支座刚度对浮置板轨道的垂向位

移及弯矩影响较为明显,当钢弹簧刚度由20kN/mm增大到

50kN/mm时,浮置板的垂向位移由010377mm减小到010104mm,即减小了72%。表明增大钢弹簧刚度可使浮置

　　由表2可知,当扣件刚度大于30kN/mm时,浮置板的垂向位移随扣件刚度的增大变化很小,基本维持不变;于是可知,当扣件刚度增大到一定限度时,它对于浮置板的垂向位移已经不是主要影响因素了。图9为浮置板的弯矩随扣件刚度的变化曲线图,随着扣件刚度的增大,浮置板的弯矩也缓缓增大,但变化不明显,几乎无变化。

板的稳定性得到显著提高。另外,随着钢弹簧刚度的增大,浮置板的弯矩也随之减小,因为增大支座刚度,相当于加强了浮置板轨道的支撑作用,减小了列车荷载作用下的浮置板挠曲程度,使浮置板的弯矩有所下降。

21212　扣件刚度的影响分析

[7]

3　结论

对于钢弹簧浮置板轨道,从结构的角度考虑,当荷载加在板端扣件处时,其浮置板的横向正弯矩和纵向负弯矩最

大;从受力角度考虑,应增大钢弹簧支座的刚度,以及适当地增加扣件的刚度。从以上两方面来保证轨道横向和纵向的稳定性,优化浮置板轨道的设计,提升列车运行稳定性(安全性)和旅客乘坐轨道交通的舒适性。

参考文献

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图8所示为支座刚度为20kN/mm情况下,浮置板的垂

向位移随扣件刚度的变化曲线。当钢弹簧支座刚度为20

kN/mm时,扣件刚度由30kN/mm向40kN/mm变化情况

下,浮置板的垂向位移出现明显减小。当扣件刚度大于40kN/mm,继续增大时,浮置板的垂向位移基本不变。

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图8　垂向位移随扣件刚度的变化曲线

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(上接第61页)　

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