探讨建筑设计中自然风技术的应用

滑 冰 王立滨 相凤奎

0 引言

自然风在建筑中是组织通风与自然换气功能，从建筑设计角度看主要有四个方面:

1)开启的窗;

2)位于高处的排风口和位于低处的进风口;

3)双层立面;

4)便于空气流通的开放的建筑平面。建筑利用自然风的设计有很多种形式，而且手法各异，本文通过对资料的查阅梳理和已有理论知识的学习研究提出了三个主要利用自然风的设计方法，即建筑的窗型设计，建筑表皮结构的设计，建筑公共空间设计。

1 建筑窗的设计

1.1 建筑窗的通风原理

建筑的自然通风过程绝大部分通过可开启的门窗对房间进行单侧通风或对流通风完成的。一般情况下，通过窗户的气流量取决于窗户的面积以及自然风在立面竖向分布的情况。窗的设计涉及到开启的大小、形状、高度、方位等，这些元素都会影响室内气流情况。

1)建筑的单侧通风主要适用于只有一侧设有窗户的房间。在这种通风模式中，空气从窗户较低的部位进入室内，在室内被加热后从同一窗户的顶部排出。这种空气的流动是由于风的紊流和浮力作用而产生的，而不是由风力作用使建筑围护结构内外出现气压差的缘故。要提高单侧通风的通风效果，可以在同一墙面的不同高度设置窗户，在这种情况下，冷空气从低窗流入，热空气从高窗排出，房间能够实现有效通风的进深为室内层高的 2.5倍左右。

2)对流通风是一种比单侧通风更有效的通风方式。当室内不止一个墙面设有窗户时就会产生空气对流。尽管对流通风可以为较大进深的平面提供有效的新风量，但是设计时还是应该优先考虑狭窄进深的平面。在实现建筑物内对流通风的同时，宜采用风向和出风口方向不同的设计，这样会产生较好的气流循环。如果风向与进出风口的方向成一直线，那么气流仅仅是穿过房间，而不会循环(见图1)。

1.2 建筑窗的自然风技术设计

窗的高度影响室内的通风效果，这是由窗台和窗楣位置来界定的，因为温差导致空气上升。因此，高处位置的窗户有助于气流流动。同时高窗还能够在阴天提供最好的采光;低窗不能提供很好的通风条件，但却能使地面反射的光线均匀分布;中部的窗可提供均匀的通风，但也不能提供均匀的采光。窗的方位设计决定房间中可获取太阳能量的多少和热量的损失。冬季南向、东南向和西南向需要开大窗以获取太阳热量;北面开小窗以防止热量散失。

所有建筑窗的大小均须满足日照、通风、出入、视野以及太阳能量的透入与遮蔽。在干热气候区，通常采用面积小的窗户，并且要有合适的遮挡。由于位于光照充分的地区，较小的窗户即可获得充分的采光。白天空气很热，可以避免让热空气进入室内;夜间温度较低，可以采用自然通风的方式降温。在湿热地区，窗户面积宜大以便于通风。屋檐出挑宜大，以遮挡散热的太阳辐热。在寒冷地区，窗户宜大且无遮挡，但密封性要好。这样既可以加大得热，又可以防止冷风渗透。

2 建筑表皮结构设计——双层玻璃幕墙

双层玻璃幕墙系统具有较好的节能潜力，采用可循环使用的材料，建筑速度快，具有明显的节能效果，能够阻隔噪声，减少非洁净空气对于室内的污染，因此被称为“可呼吸的皮肤”，通常有以下几种类型:

1)外挂式双层玻璃幕墙。这是双层玻璃幕墙家族中最简单的一种方式，建筑真正的外墙位于“外皮”之内 300mm～2 000 mm处，其间距视建筑的平面形式、两层“皮”的构造连接方式以及建筑外墙的方式而定。双层玻璃之间的空间既不做水平分隔，也不做竖向分隔。测试结果表明:这种幕墙系统对隔绝噪声具有明显的效果，但因双层玻璃之间的气流缺乏组织，故对改善建筑的热环境并无明显作用。这种幕墙往往用于城市嘈杂环境中，以隔绝噪声为主要目的。

2)走廊式双层玻璃幕墙。与空气环流式双层玻璃立面不同的是:走廊式双层玻璃幕墙系统是以一层为单位进行水平划分的，建筑外侧每层均形成外挂式走廊。在每层楼的楼板和天花高度分别设有进、出风调节盖板。这种系统经历了两次改进。第一次是将立面上的进、出风口对齐设置。这种做法有一个明显的问题，即下层走廊的部分排气又部分变成了上层走廊的进气，这无论对空气质量还是温度缓冲效果都会产生负面影响。第一次改进后的进出风口在水平方向错开一块玻璃的距离，避免了进、排气的“短路”。

3)双制式模块双层玻璃幕墙。这种幕墙实际上是由四个集中式立面与一个双制式通风技术单元组合而成。冬天室外冷空气首先进入本层进气区，在双层玻璃之间经阳光预热，再通过设于楼板一侧的对流器进入室内，而另一侧排出的气流先经过对流器排入其上层换气单元的排气区内，再经由该单元上方的出气孔排到室外，两边的对流器相结合便形成上述技术单元。对流器除吸收阳光辐射以外，还可以吸收排出空气的余热并用其对低温进气进行预热;在夏天，这一技术单元转换成主动式太阳能微制冷单元，可以对进气进行预冷，避免因进气温度过高而导致的室内冷耗增加。而排气则利用夹层中的温差自然进行。

3 建筑公共空间设计

3.1 建筑公共空间的设计原则

建筑公共空间作为一种普遍采用且成熟的设计形式，在商业、办公、科教、医疗、娱乐等各类公共建筑中均有广泛应用，是因为公共建筑空间被证明具有调节室内微气候和节约建筑能耗的作用。公共空间设计通常采用大面积玻璃围护结构在透射阳光的同时，阻挡来自室内的长波辐射，有效防止了室内热量的外溢，形成温室效应，有利于提高冬季建筑室内温度，降低采暖费用;公共空间内外部空气压力差引起室内外空气流动，公共空间较高的垂直高度也可以加快气流速度，形成烟囱效应，所产生的良好自然通风在引入室外新鲜空气的同时，加快了室内多余热量的对外排放，降低了室内温湿度，节省了夏季空调费用。

3.2 利用自然风技术的建筑公共空间设计

1)建筑平面形式合理设计。由于人们对不同功能空间的热舒适要求不同，在建筑设计中公共空间的设计不同于居住或者办公空间的要求。办公居住空间是舒适度要求较高的区域，使非均质分布的外界气候资源得到最优化利用即可。而对体型较大的建筑公共空间设计，建筑敞口应基本朝向夏季主导风向，如反向布置，则迎风面的墙面宜可控制开敞。同时公共空间平面空间属于大进深的空间形式，可以增加它对外的开口面积或者平面采用“口”形布置，以此解决大进深公共空间的采光问题;通过合理的平面形式可以使这种公共空间布局沿基地周边布置，增加了其内部的临空面，因此还可以加大进深，使用地紧凑，基地内能形成较完整的平面空间与换气系统。

2)建筑剖面形式合理设计。公共空间设计应该合理利用气压流动原理，结合空间布局为自然通风创造良好的条件。因此，如果把应变的思想运用到建筑公共空间设计中，可以通过对建筑剖面的改变有效地对建筑内部的热压差气流进行控制引导，促进自然通风。

3)采取温差辅助措施通风换气。通过建筑设计手法制造环境各部位的温差是公共空间设计造风的重要手法。现代设计中玻璃公共空间是建筑师通过建筑内部组合设计、空间布局、引入水景、绿化配置等设计手法改善区域微气候的结果。有时自然的无组织通风可能将过热的空气导入室内造成不舒适感，要解决这个问题，一方面可以在公共空间室外过热时关闭门窗停止通风，另一方面可凭借内部绿化环境即所谓的自然空调技术让室外热空气降温后进入室内。

4 结语

本文介绍自然风设计相关知识，阐述了自然风利用技术的基础知识，通过对现代自然风设计的分析综合比较，进一步提出了建筑设计方面的一些思路，当然这些思路存在一定的使用条件和局限性，在自然风的建筑设计中需要注意实际方法:结合场地、历史、文化等因素对人体舒适范围的确定，并明确气候要素和人体舒适感的动态关系;根据相关技术背景知识，对场地气候要素如风、温度、太阳辐射、湿度等进行实际研究，并分析其中的主要因素;确定各个室外气候要素和使用者舒适需求之间的差距;建筑师在基于对各种策略掌握的基础上，在各种策略之间做出合理选择，并通过某些方式进行比较和取舍;策略选择和形式、材料等建筑要素结合，形成完整的设计。

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