建筑空间自然通风设计模式探讨 张书天

发表时间:2019/12/16   来源:《建筑细部》2019年第14期   作者:张书天
[导读] 在传统建筑中,会对自然通风进行合理设计,满足建筑的通风需求。

哈尔滨工业大学建筑设计研究院
  摘要:近些年,国家越来越重视节能环保事业,这就对建筑设计提出更高的要求,设计师要通过对建筑空间的合理设计,利用“烟囱效应”帮助室内自然通风,才能减少空调等设备的能源消耗,符合国家可持续发展要求。本文先分析“烟囱效应”的基本原理,在分析自然通风设计的主要影响因素,主要有季节因素及环境因素,最后探讨建筑空间自然通风设计模式,主要包括中庭模式、太阳能烟囱模式、通风塔模式、双层幕墙模式,希望为今后的自然通风设计提供参考。
  关键词:建筑空间;自然通风;设计模式
  
  
  在传统建筑中,会对自然通风进行合理设计,满足建筑的通风需求,例如,北方地区的四合院,就是通过平面布局帮助建筑空间自然通风,南方的庭院建筑,就是利用自然通风达到降温目的。上述设计手段都是对建筑空间进行合理布局,让建筑被动接受自然环境的调节。在现代建筑设计过程中,也会利用这类技术,包括太阳能、风场控制技术等,一方面可以提升建筑整体的舒适性,另一方面可以利用自然环境,减少建筑能耗。
  1基本原理
  “烟囱效应”是室内外热压及风压共同作用的结果。如果将建筑物的一半高度位置视为中和面,整个原理可以描述为中和面以下房间从室外渗入空气,中和面以上房间从室内渗出空气的换气过程。通常“烟囱效应”作用以热压为主,热压值与室内外温差产生的空气密度差以及进排风口的高度差成正比,室内温度越是高于室外温度,或建筑高度越高,“烟囱效应”越明显。通过合理组织设计能够实现室内有组织的自然通风。
  2影响因素
  2.1季节因素
  一般情况下“烟囱效应"在冬季比夏季更有效。冬季的室内外温差较大,室内空气比室外轻,这时“烟囱”的通风效果较好。但应该注意输入新风的同时,保持室内温度,如采用加热设备或太阳能加热系统完善等,对新风进行适当的预热,同时在排风口采取保温措施,防止室内热量散失。在夏季,如果室外空气相对于室内空气高,室内空气会从较低的窗户排出,温度较高的空气则会从上部流入补充,不利于降温,也就是所说的“逆烟囱效应”问题。


为解决这一问题,可以采用太阳能加热的方法来驱动“烟囱效应”,确保舒适度和通风效果
  2.2环境因素
  建筑应用“烟肉效应”的效果还取决于多种环境因素。有时仅仅通过运用这种原理,改变竖向高度和平面尺寸并不能起到预期的效果,还要结合基地其他环境因素,如风场情况、日照情况、周边环境情况进行综合分析和设计。
  3建筑空间自然通风设计模式
  3.1中庭模式
  在建筑设计过程中,要注重进风口和出风口之间的高度差,直接影响到自然通风效果,当两者形成巨大的高度差时,就会增加两者的热压差,提升排风口的风速,如果建筑利用“烟囱效应”通风,就会尽可能增加风压差,为了达到该目的,就会提升中庭空间的高度,这样就出现造型比较独特的建筑。中庭模式适用于一些空间较大的建筑,在建筑空间较大时,就需要更大的驱动能量,才能保证建筑内部通风设计符合要求,减少能耗,就要利用自然通风。例如,GENZYNE中心就运用了中庭模式,建筑内部具有巨大的空间,为了节约空调能耗,对建筑空间结构进行一系列的设计,提高进出风口高度差,利用“烟囱效应”通风。巴克莱卡公司也采用中庭模式,同时融入生态元素,在建筑周边种植绿化植物,帮助建筑通风。
  3.2太阳能烟囱模式
  太阳能烟囱模式就是在适合的位置设置太阳能加热烟囱井,使其内外形成巨大的温差,给空气施加一个压力,在压力的作用下空气会迅速流动起来,提升室内空气流动速度,同时在通风过程中还可以带走空气热量,达到降温的效果。BRE环境楼就运用该自然通风设计模式,选择在建筑的外侧设置两个巨大的太阳能加热烟囱,利用其温差加快空气流动,在外界光线充足的情况下,光照会提升烟囱整体温度,让室内空气流动更快,进一步提升通风效率。在设计烟囱时,将出风口设置在加热面,随着加热面温度上升,通风量也会随之上升。同时,在设计过程中,要考虑到外界气候、辐射、烟囱尺寸等方面,要从实际情况入手,设计出最适合的加热烟囱,才能保证室内自然通风效果。
  3.3通风塔模式
  通风塔是根据热压通风原理,利用烟囟与反烟囱的效应,使塔内和建筑物内的空气上下流动,炎热的夏天,塔内温度很高,烟囱效应使室内热空气被抽入塔顶,而来自庭院的凉空气代替了原来的热空气。PEDA办公综合体的设计中,除了以大空间方式组织办公空间,不设置隔墙以利于空气流通之外,还在中庭设置了一个巨大的垂直通风塔作为排气装置,通过风塔下方的制冷池将空气冷却,制造温度差促进热压通风效果,配合穹隆结构通风竖井,利用太阳能加热空气产生拔风效果。在合理利用自然采光,气温始终维持在25-30℃之间。
  3.4双层幕墙模式
  双侧幕墙完全利用“烟囱效应”制成,可以充分利用自然通风,达到通风、降温等问题。与普通玻璃幕墙不同,双侧幕墙的节能效果更好,并且适用于大部分的气候。高层建筑如果直接打开窗户,可能会出现紊流现象,为此出现了双层幕墙系统,一方面可以帮助高层建筑自然通风,另一方面又可以避免紊流现象。在安装双层幕墙以后,外层玻璃会起到一个阻挡风力的作用,通过“烟囱效应”向玻璃中间输送空气。在设计过程中,一般会在双层幕墙外侧设置遮阳百叶,在炎热的夏季,通过遮阳百叶遮挡光线,避免太阳光进入室内,在双层幕墙之间会积聚一部分热空气,依靠“烟囱效应”向上流动,到达顶部后排出建筑,可以达到降温的目的。在寒冷的冬季,双层玻璃具有良好的保温效果,可以减少室内热量的流失。双层幕墙种类繁多,可以根据实际及需求进行选择,其中比较常用的外挂式、空气环流式、走廊式等。
  Debis就是利用双层幕墙技术,具体为外挂式玻璃幕墙,在上檐安装了进风调节盖板,在下檐安装了出风调节盖板。在冬季来临以后,会将所有盖板关闭,阳光照射到幕墙以后,会提升玻璃的温度,在中间形成一个温度缓冲层,起到保温的效果。在夏季来临以后,将所有盖板打开,让双层幕墙产生巨大的温差,形成空气对流,建筑内部可以通过自然通风带走大部分热量,达到降温的效果。
  4结语
  综上所述,合理运用“烟囱效应”,可以帮助建筑自然通风,既可以降低建筑整体能耗,又不会产生污染物,符合国家节能减排的要求。在选择通风设计模式时,要从建筑的实际情况入手,考虑到建筑所处地域的气候,计算通风设计的成本,才能得到最合理的通风设计方案。本文对常用的自然通风模式进行研究探讨,分析每种设计模式的原理、优势及缺点,希望为建筑的通风设计提供帮助。
  参考文献:
  [1]刘敏,李新中,李天阳,etal。旧工业建筑绿色生态更新中的自然通风设计探讨——以雄安新区某建筑为例[J]。城市住宅,2019(5)。
  [2]李姗姗。建筑设计中对自然通风的探讨[J]。江西建材,2017(8)。
  [3]梁云锋。被动式建筑中自然通风的设计策略[J]。建材与装饰,2018(8)。

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