公共建筑自然通风设计若干实例探讨

金晓东 刘闽敏

自然通风是当今建筑普遍采取的一项改善建筑热环境、节约空调能耗的技术，有两点至关重要的意义:1)实现有效被动式制冷;2)可以提供新鲜、清洁的自然空气，有利于人的生理和心理健康。

实现自然通风主要有两个途径:利用风压和热压。利用风压来实现建筑自然通风，即平常所讲的“穿堂风”。首先要求建筑有较理想的外部风环境，平均风速一般不小于 3 m/s～4 m/s。其次建筑应面向夏季夜间风向，房间进深较小:一般情况下，单向自然通风的进深应小于房间净高的2倍，大致在6 m左右;双向自然通风的进深应小于房间净高的5倍，大致在12 m～15 m左右，以便易于形成穿堂风。由于自然风变化幅度较大，受周围环境影响，常在建筑周围形不成足够的风压，并且通常公共建筑进深大，如果同时处于不利朝向时，利用风压实现穿堂风常常不具备可能性。因而建筑师利用自然通风的另一种机理:通过建筑内部的热压差实现自然通风，即平常所讲的“烟囱效应”。热空气上升，从建筑上部风口排出，室外新鲜的冷空气从建筑底部或者建筑各层被吸入，从而实现通风的效果。对于高层建筑而言，由于风速随着高度增加而变大，因而实现自然通风比较容易。但是风速往往过大，窗户直接外开不仅存在安全隐患且风速过大不利于舒适度的改善。

1 多层建筑

1.1 英国国内税务中心

迈克尔◦霍普金斯设计的英国国内税务中心位于诺丁汉市的传统街区。由于建筑本身呈院落式布局(共7个组团)，高度仅为3层～4层，加上受紧凑的城市格局的影响，建筑周边的风速较小，尚不能很好地满足自然通风的需求，因此，霍普金斯在控制建筑进深(13.6 m)以利于自然采光、通风的基础上，设计了一组顶帽可以升降的圆柱形玻璃通风塔，用作建筑的入口和楼梯间。玻璃通风塔可最大限度地吸收太阳的能量，提高塔内空气温度，从而进一步加强烟囱效应，带动各楼层的空气循环，实现自然通风。冬季时可将顶帽降下以封闭排气口，这样通风塔便成为一个玻璃暖房，有利于节省采暖能耗。税务中心的年设计能耗为110 kWh/m2，实现了城市密集环境中的完全被动式制冷，如图1，图2所示。

1.2 英国考文垂大学图书馆

如图3所示，该4层高的建筑建成于2000年，总面积超过1万m2，50 m×50 m见方的大进深。从周边到中央中庭最大距离达到25 m，无法实现自然通风，因而建筑平面被分为4部分，分别设置了4个天井送风。冬季冷空气在进入室内之前，通过天井底部的预热盘管加热，然后通过预埋在楼板中的供热装置加热至18℃。废气则通过周边的6个烟囱和中央采光天井排放。控制系统通过感应器提供的室内外状态的参数来改变通风口的开合状态，控制气流的流动。建筑围护结构采用两层砖砌成，与预制楼板一道构成良好的蓄热体，可以延缓日照等因素对室内温度的影响，使室温更稳定。夏季蓄热体白天吸收大量热量，使得室温不至于过高;夜间利用室外温度较低的冷空气对蓄热材料进行充分的通风降温，改善夜间室内温度，有效发挥蓄热材料的潜力。根据室内温度实测报告，当室外温度在27℃～34℃之间变化时，该建筑室内温度保持在20.2℃～24.4℃之间，达到了良好稳定的室内环境。

对于某些大型体育馆、展览馆、商业设施等，由于通风路径较长，空气流动阻力较大，单纯依靠自然的热压往往不足以实现自然通风。且对于空气和噪声污染比较严重的大城市，直接自然通风会将室外污浊的空气和噪声带入室内，不利于人体健康，在以上情况下，常常采用机械辅助手段，与热压相配合，实现自然通风。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(土壤预冷、预热、深井水换热等)，并借助一定的机械方式来加速室内通风。

1.3 德国议会大厦改建

如图4所示，德国议会大厦新建一个玻璃穹顶，不仅为建筑内部引入了自然采光，还包含着自然通风系统，建筑内部的空气因为烟囱效应被导入当中，但是大城市的空气污染和交通噪声是设计者不得不面对的现实。为了避免汽车尾气等有害气体及尘埃进入建筑内部，大厦进气口设在檐口高度，并在风道中设置过滤器和声屏障，以最大限度地除尘、降噪，因而保证进入室内的是新鲜空气。同时带动空气流动及遮阳设备的能源，由屋顶的太阳能光电板产生。此外，建筑利用深层土壤蓄冷和蓄热，并使之与自然通风系统相结合，在夏季使空气预冷，在冬季使空气预热，同时产生理想的节能效果。穹顶投入使用后，温度峰值降低了30%。

2 高层建筑

2.1 法兰克福商业银行

在法兰克福商业银行的设计过程中，针对塔楼中庭(60层)的自然通风状况，福斯特及其合作者进行了无数次计算机模拟和风洞试验。与前面几位建筑师不同，福斯特最关注的不是风速够不够大，而是风速会不会太大。计算和试验的结果正如建筑师所担心的那样，如果整个中庭从上到下不加分隔，那么在很多情况下中庭内部将产生无法忍受的紊流。因而中庭每12层被玻璃天花分成一段，8层高的办公区与4层高的花园面向这个中庭，同时取得良好的自然景观和通风效果。

2.2 德国哥兹总部办公楼

双层通风玻璃幕墙是当今生态建筑中所普遍采用的一项先进技术，它主要针对以往玻璃幕墙能耗高，室内空气质量差等问题利用双层(或三层)玻璃作为围护结构，玻璃之间留有一定宽度的通风道并配有可调节的百叶。在冬季，双层玻璃之间形成一个阳光温室，增加了建筑内表面的温度有利于节约采暖。在夏季，利用烟囱效应对通风道进行通风，使玻璃之间的热空气不断地被排走，达到降温的目的，对于高层建筑来说，直接开窗通风容易造成紊流，不易控制。而双层围护结构能够很好地解决这一问题。此外，双层围护结构在玻璃材料的特性(如低辐射)，除尘、降噪等方面都大大优于直接开窗通风。

3 结语

自然通风是一项古老的技术，在许多乡土建筑中都闪现着它的影子。随着生态观念的深入人心及对自然通风对健康作用的深入认识，实现的自然通风新技术已经开始在现代建筑中越来越广泛的应用。通过上述实例分析，可以得知对大进深公共建筑及高层建筑采取良好的技术设计，完全能够达到实现自然通风，改善建筑室内外热环境，提高舒适度，尽量少用采暖制冷设备以节约能源的目标。

[1] 颜宏亮.建筑特种构造[M].上海:同济大学出版社，2002.

[2] 宋德萱.节能建筑设计与技术[M].上海:同济大学出版社，2003.

[3] 付祥钊.夏热冬冷地区建筑节能技术[M].北京:中国建筑工业出版社，2002.

[4] C.Alan Short.面向不同气候条件下低能耗、高效、大进深公共建筑的设计类型学[J].世界建筑，2004(8):12-14.