自然通风在高层住宅设计中的应用

2022-09-10

1 建筑中常用的自然通风实现方式

1.1 利用风压实现自然通风

自然通风最基本的动力是风压和热压。在具有良好的外部风环境的地区, 风压可作为实现自然通风的主要手段。在我国大量的非空调建筑中, 利用风压促进建筑的室内空气流通, 改善室内的空气环境质量, 是一种常用的建筑处理手段。风洞试验表明:当风吹向建筑时, 因受到建筑的阻挡, 会在建筑的迎风面产生正压力。同时, 气流绕过建筑的各个侧面及背面, 会在相应位置产生负压力。风压通风就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。压力差的大小与建筑的形式、建筑与风的夹角以及建筑周围的环境有关。当风垂直吹向建筑的正立面时, 迎风面中心处正压最大, 在屋角和屋脊处负压最大。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。

1.2 利用热压实现自然通风

自然通风的另一原理是利用建筑内部空气的热压差——即通常讲的“烟囱效应”——来实现建筑的自然通风。利用热空气上升的原理, 在建筑上部设排风口可将污浊的热空气从室内排出, 而室外新鲜的冷空气则从建筑底部被吸入。热压作用与进、出风口的高差和室内外的温差有关, 室内外温差和进、出风口的高差越大, 则热压作用越明显。在建筑设计中, 可利用建筑物内部贯穿多层的竖向空腔——如楼梯间、中庭、拔风井等满足进排风口的高差要求, 并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。与风压式自然通风不同, 热压式自然通风更能适应常变的外部风环境和不良的外部风环境。

1.3 风压与热压相结合实现自然通风

在建筑的自然通风设计中, 风压通风与热压通风往往是互为补充、密不可分的。一般来说, 在建筑进深较小的部位多利用风压来直接通风, 而进深较大的部位则多利用热压来达到通风效果。位于英国莱彻斯特的蒙特福德大学女王馆就是这方面的一个优秀实例。建筑师肖特和福特将庞大的建筑分成一系列小体块, 既在尺度上与周围古老的街区相协调, 又能形成一种有节奏的韵律感, 同时小的体量使得自然通风成为可能。位于指状分支部分的实验室、办公室进深较小, 可以利用风压直接通风而位于中间部分的报告厅、大厅及其它用房则更多地依靠“烟囱效应”进行自然通风。同时, 建筑的外维护结构采用厚重的蓄热材料, 使得建筑内部的得热量降到最低。

1.4 机械辅助式自然通风

在一些大型建筑中, 由于通风路径较长, 流动阻力较大, 单纯依靠自然风压与热压往往不足于实现自然通风。而对于空气污染和噪声污染比较严重的城市, 直接的自然通风还会将室外污浊的空气和噪声带入室内, 不利于人体健康。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。

2 高层建筑中的自然通风问题

与多层建筑的自然通风相比, 高层建筑的自然通风有其特殊性。风压在垂直方向的分布有利于高层建筑的自然通风, 但过高的风压却会使建筑的门窗难于开启, 也给建筑室内的使用带来不便, 而且在冬季会带走大量的热能, 不利于保温要求。而太高的中庭空间则会形成过大的热压, 如不能有效控制, 则会产生强烈的紊流, 甚至在底层进气口产生令人不安的啸叫。根据凡丘里现象:当流动的空气暂时遇到压缩时例如空气进入一个漏斗型的通风井口时受压缩的气流速度加快, 气压降低。当建筑中设有导风墙时, 导风墙可以在平面上被看作是一个漏斗, 门窗则被视为进风口。

杨经文设计的马来西亚槟榔屿州Menara Umno是第一个利用自然通风来创造舒适室内环境的高层建筑。由于气候湿热, 为了获得舒适的内部环境, 需要一个较高的空气交换率。因此, 为了引入自然风, 在开口处采用了“风墙”体系。将“风墙”安排在有通高推拉门的阳台部位, 两道风墙形成了喇叭状的口袋, 将风捕捉到阳台。阳台内的推拉门可以根据所需风量控制开口的大小, 也可完全关闭, 形成“空气锁”。这一构思来自建筑师对当地风向资料的分析, 实践证明这种“风墙”与“空气锁”的设置效果很好。

为了减少过高的风压和热压对高层建筑自然通风的不利影响, 1990年英恩霍文在波恩电话大楼的设计中发展了双层玻璃幕墙, 这一革命性的设想, 在埃森RWE办公大楼得以实现。幕墙内外层玻璃间隔5 0mm, 即形成可蓄热的空腔, 提供了节能的可能性, 又可以通过内层可开启的玻璃窗实现室内各层间的自然通风。由于外层的玻璃阻挡了高空的风力, 人们第一次可以在高层建筑中打开窗户, 让室外的新鲜空气流入室内。这一新异的构想使大楼基本上放弃了昂贵的机械空调, 使自然通风率达到70%, 节能30%。

3 自然通风在广州高层建筑中的应用

自然通风在高层住宅建筑中的运用, 主要是分居住小区的布局及建筑平面设计两部分。下面结合广州实际情况, 谈谈自然通风在高层建筑设计中的应用。

根据《民用建筑热工设计规范》及《建筑气候区划标准》, 广州市处于夏热冬暖地区的南区, 夏季主导风向为东南风。建筑群的布局对自然通风的影响效果很大。规划布局时应尽量使住宅建筑主立面朝向夏季主导风向, 选择南北朝向同时也可以避免东西晒。在单体设计中还应该结合总体的情况对建筑的体型, 包括高度、进深、面宽乃至形状等实行一定的控制。住宅建筑南北向布置时, 前后排建筑宜错开布置, 减少南面建筑对北面建筑遮挡, 可形成较强风压, 增强自然通风效果。在住宅组团设计中, 除保证住宅楼的间距的同时, 在组团中形成公共绿地, 对改善绿地下风侧住宅的自然通风, 有较好的效果, 同时还能为人们提供良好的休息和交流的场所。

平面布置宜结合外部门窗的位置, 房门, 通道等组织穿堂风, 使通风畅顺。

平面布置中大多采用入户花园或大型阳台, 为住宅外围提供了外部绿化遮阳, 改善建筑周边热环境提供了场地。如图所示, 住宅单体平面为一梯六户18层住宅, 平面大致按“工”字型平面布置, 平面交通核心筒居中, 利用两边的开口天井, 使电梯前厅及走廊获得较好的采光及通风。设计当中引入了“空中花园式住宅”概念, 把绿化空间带往空中发展, 使住在高层之中的住户亦可同时享受私家花园, 特大阳台等, 绿化了视野亦改善住宅外墙周边热环境, 达到节能效果。增大阳台面宽, 使住宅可增大可开启窗 (门) 面积, 能更好的达到自然通风效果。

自然通风应用在高层住宅上是最廉价的生态节能技术, 在高层住宅设计中得到合理应用, 就能营造一个健康、舒适的居室环境。

摘要：传统建筑对自然通风有很多值得借鉴的方法, 而在我们现代的建筑设计中积极地考虑自然通风, 并注意与地域建筑的有效结合, 对于自然通风的合理利用、节约能源具有现实意义。本文将结合广州实际, 谈谈自然通风在高层住宅设计的应用。

关键词：自然通风,高层住宅,设计,应用