“烟囱效应”与建筑节能

孙　琳　赵思宇　朱成浩

(1．东北林业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨　150040;2．北京市工程咨询公司，北京　100000)



“烟囱效应”与建筑节能

孙琳1赵思宇2朱成浩1

(1．东北林业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨150040;2．北京市工程咨询公司，北京100000)

摘要:阐明了烟囱效应的通风原理，介绍了烟囱效应在建筑中的表现形式，从传统天井、新型通风塔、生态中庭等方面着手，探讨了烟囱效应在建筑中的节能利用方式，为现代建筑的节能设计提供了新思路。

关键词:烟囱效应，建筑节能，天井，通风塔，中庭

“烟囱效应”是指户内空气沿着有垂直坡度的空间向上升或下降，造成空气加强对流的现象。在有共享中庭、竖向通风(排烟)风道、楼梯间等具有类似烟囱特征，即从底部到顶部具有通畅的流通空间的建筑物、构筑物(如水塔)中，空气(包括烟气)靠密度差的作用，沿着通道很快进行扩散或排出建筑物的现象，即为烟囱效应［1］。首先关注一下现代建筑里的一些热现象。通过对这些热现象的解释，来引出“烟囱效应”和建筑节能的关系。

1　通风原理及思考

关于宿舍楼我相信北方的学生普遍有这样的感受，炎热的夏季宿舍闷热无比。大部分宿舍楼都是内走廊式两侧布置房间，即使两个相对的宿舍打开门窗也无法达到良好的通风效果。同样冬季开学之初，楼内温度无法在开学时快速升温。了解宿舍建筑开窗无法完成通风换气的原因，并利用室内外形成的温差，通过热物理学来对宿舍楼进行自然降温或升温，将会给建筑节能带来极大的方便。

了解这种现象产生的原因，就要先了解一种常见的建筑通风方式，再结合现象分析宿舍楼建筑内外环境为何无法进行合理的循环。

1．1“烟囱效应”原理

所谓烟囱效应就是指建筑内的热压通风，其原理为当室内温度高于室外时，热空气(密度小)上升(见图1a))，从建筑上部风口排出，冷空气(密度大)从建筑底部吸入。当室内温度低于室外时，位置互换(见图1b))，气流方向也互换。

图1　烟囱效应原理

烟囱效应的形成同样需要两个条件:1)室内外温差是首要条件;2)保证建筑上下部进出风口换气通畅。对于宿舍楼来说，每个独立且密封的宿舍单元无法形成宿舍楼的上下通风，也就无法完成热压通风。

1．2原理思考

通风换气的原理解释了宿舍楼无法进行良好通风换气的现象，是否可以通过建筑设计来改善建筑通风效果，从而提高建筑内环境质量，可能是宿舍楼建造多考虑成本问题而不重视这种调节装置的设计和装配，但是这种原理可以合理运用到现代建筑设计中，以减少人造通风以及人工降温或升温的措施，有助于建筑节能，实现绿色建筑的目标。

无论是古代中国还是现代西方城市，人们通过利用“烟囱效应”的原理，在住宅中建造“天井”“通风塔”“生态中庭”等，用来抵御自然恶劣气候、改善室内环境。我们可以通过了解我国南北方以及西方现代建筑对于“烟囱效应”原理的利用，以及现代绿色建筑对这一原理延续的成功利用，来指导我们进行绿色建筑设计以及旧建筑的节能改造。

2　“烟囱效应”在建筑中的表现形式

2．1传统民居天井

在我国南方地区民居中天井是人们长期以来应对湿热天气而形成的建筑形式，尤其是岭南民居天井的利用较为普遍，天井面积通常不大，宽度相当于正间中央开间，而长只有厢房开间大小，小天井只有4 m×1．5 m，加上四面房屋挑出的屋檐，天井真正露天部分有时只剩下一条缝(见图2)［2］。窄而高的天井形成了类似烟囱的造型，有利于烟囱效应的产生，同时狭小的天井避免了房屋遭受太阳的暴晒，使住宅阴凉，有良好的通风。

亚热带以及热带的湿热气候环境下，即便是岭南地区的天井式建筑也无法满足较好的通风状态，因为室内外温差较小。所以这个地区出现了干栏民居，即以柱子将建筑物架高，把人生活空间提升至高处的风场之中，争取最大的蒸发冷却与干燥除湿效果。实际上这种通过抬高建筑垂直高度的手法也可以理解为增加建筑天井高度的方式。

2．2通风塔

在北方寒冷气候，建筑必须在保证气密性与保温性的基础上进行建筑通风换气，所以不能直接使用开放式天井来通风，这就有了与天井类似作用的烟囱或者壁炉，通过烟囱的燃烧造成温度上升，从而引起建筑内部空气流动。因此北方建筑通常会出现高大的烟囱，形成了北方的“烟囱文化”。例如英国国会议事堂就是通过瓦斯灯燃烧来升高出风口温度，形成建筑内部通风换气(见图3)。

图2　天井

图3　通风塔

2．3生态中庭

随着建筑技术的发展，建筑的体量在不断的增加，传统的院落式建筑在现代建筑中逐渐消失。人们开始以反璞归真的心态去寻找失落的庭院文化，在多次尝试之后庭院重新被引入现代建筑中，就是现在人们所熟悉的“中庭”。中庭不仅仅可以作为一种有趣的建筑空间，它的形态类似于天井和通风塔，所以它可以承担起自然采光和自然通风的作用。中庭容易收集太阳能，使空气升温，天窗可以开口形成烟囱效应，它比起需要燃烧来升温的通风塔更加的节能与环保。现代建筑中催生了生态中庭的建设。

英国莱斯特市的德蒙福特大学工程与制造学院的机械工程大楼(见图4)，是利用中庭通风的经典之作。大楼的中央演讲厅由于进深比较大，且有一面开窗，这是专门为了利用烟囱效应来达成风压通风的设计。该建筑风压通风的入风口设在一楼的教室以及二楼的演讲厅之间，并于屋顶烟囱的出风口排出［3］。解释如下:在夏天当内部听众较多而造成室内温度升高时，进风口和出风口便会自动开启，若是有较大风雨时，其开口也会自动关闭。如果内部的温度低于外部，则入风口会依据二氧化碳浓度来开启微小角度，以引进新鲜外部空气，维持换气量。在夏天晚上也会自动引入外气，以冷却白天高温的结构体，但是当达到一定设定温度17℃时，便停止引进外气［4］。冬天夜晚或内部不使用时则出入风口皆关闭以减少热损失。

图4　德蒙福特大学机械工程大楼剖面图

挖掘中庭的节能潜力，利用中庭空间具有的缓冲效应，充分利用自然采光和烟囱效应促进空间的通风和被动降温，这是生态中庭改造的目标。

3　“烟囱效应”在建筑节能中的利用

通过宿舍楼不适宜的温度问题引出了对建筑通风透气的思考，即“烟囱效应”这一通风原理。每个地区的建筑都是经受住了长期自然环境的考验而存留下来的，它们结构的存在有其必然性。现代建筑依靠先进技术和先进材料而建造的尺度形态远远超过仅依靠人力所能达到的高度，然而依靠技术和想象建设的建筑缺乏与自然的协调，必然是以消耗大量的能源来保持其舒适的空间。天井、通风塔和中庭是这些建筑结构基础上的发展延伸，可以为现代建筑节能提供新的途径，这就是“烟囱效应”新的利用。

3．1传统天井的节能利用

传统建筑虽然形态单一，但并不代表不能实现良好通风透气的目的，结合天井的形态可以利用建筑楼梯间管线通道等竖向通道构成类似天井的通风通道，这样既可以满足建筑通风，又不必单独建造通风井等设施，实现建筑节能的目标。

3．2新型通风塔的节能利用

自然通风有无污染，低能耗等优点，通风塔利用“烟囱效应”的原理实现了自然通风。随着建筑科技的进步，针对矿井，利用太阳能作为辅助能源，对矿井中的通风塔进行加热，形成进、出矿井的空气压力，从而形成空气流，达到自然通风的效果，减少矿井内通风机的使用效率，节约能源。现在国家对劳动工作者的工作环境十分关注，提升矿井人员的工作环境成为了非常重要的任务，新型通风塔利用太阳能作为辅助能源实现自然通风，不仅可以节约能源，而且也为采矿者提供了一个舒适的工作环境。

3．3中庭设计中的节能利用

现代建筑形态复杂，传统天井已经不能满足人们的需要。中庭出现的初衷是生活在现代建筑中人们对自然院落的向往，但是不能仅仅是一个透明材质的屋顶构成一个中庭空间，应当符合烟囱效应通风的原理，中庭的顶部空间结合设置进出风口，实现自然通风，也起到了节能的作用。

在实际建设时，根据当地日照风向合理布置中庭在建筑中所处的位置，由于中庭多为通透性顶棚，不得不考虑日照问题，北方地区需要充足日照应当考虑将中庭布置于建筑南侧，而南方地区则相反［5］。中庭与建筑围护结构通风形成系统，仅靠中庭无法完成整个通风过程，应当合理设置建筑入口门窗等通风设施，保证通风流畅，这样才能真正起到建筑节能的作用。

4　结语

尽管现代技术可以实现人们对建筑的种种畅想，但是不能一味的依靠技术来解决建筑空间的环境问题，能源危机使建筑节能越来越受重视。优秀的传统建筑利用最基本的通风原理可以给我们带来启发，利用简单可行的技术实现建筑节能的目标。本文就是通过宿舍楼这种普遍不能提供良好室内环境的现象，引发对建筑通风原理的思考，进而通过传统和现代建筑中对“烟囱效应”的合理利用的例子来推测现代建筑如何合理通风透气。

参考文献:

［1］王珊，张鹏．谈建筑设计之防火分隔封堵与烟囱效应［J］．城市建设，2010(9):332-333．

［2］舒柳．中国古代建筑天井院落的应用［J］．科技信息，2008 (29):613-614．

［3］关剑．自然环境与室内环境设计关系初探［D］．重庆:重庆大学，2008．

［4］王昭．基于成本控制的综合医院建筑设计研究［D］．哈尔滨:哈尔滨工业大学，2012．

［5］石红蓉．建筑中庭的声环境及其控制研究［D］．济南:山东建筑大学，2007．

·园林·绿化·

The“chimney effect”and building energy conservation

Sun Lin1Zhao Siyu2Zhu Chenghao1
(1．Civil Engineering College，Northeast Forestry University，Harbin 150040，China; 2．Beijing Engineering Consulting Company，Beijing 100000，China)

Abstract:This paper clarified the ventilation principle of chimney effect，introduced the manifestation of chimney effect in construction，from the traditional patio，new ventilation tower，ecological atrium and other aspects，discussed the energy conservation and utilization methods of chimney effect in construction，provided new thinking way for modern building energy conservation design．

Key words:chimney effect，building energy conservation，patio，ventilation tower，atrium

作者简介:孙琳(1994-)，女，在读本科生;赵思宇(1989-)，女，硕士;朱成浩(1996-)，男，在读本科生

收稿日期:2015-10-22

文章编号:1009-6825(2016)01-0206-02

中图分类号:TU201．5

文献标识码:A