太阳能烟囱建筑设计案例分析

杨倩苗，薛一冰，张晨悦

（1.山东绿色建筑协同创新中心，山东济南　250001；2.山东建筑大学建筑城规学院，山东济南　250001）

太阳能烟囱建筑设计案例分析

杨倩苗1，2，薛一冰1，2，张晨悦2

（1.山东绿色建筑协同创新中心，山东济南250001；2.山东建筑大学建筑城规学院，山东济南250001）

在绿色建筑设计中，太阳能烟囱作为有效的建筑自然通风利用技术得到日益广泛的应用。文章阐述了太阳能烟囱的通风原理，通过太阳能烟囱通风技术设计的典型案例，总结了建筑应用太阳能烟囱通风技术设计的特征型、消隐型和融合型三种主要方式，提出了太阳能烟囱4个方面的技术设计要点，并指出无论采用何种类型的太阳能烟囱，都需要从提高进、排风口之间的“三差”的角度进行技术设计，保证其自然通风效果，是今后太阳能烟囱技术设计领域的主要方向。

太阳能烟囱；技术设计；自然通风

0　引言

在绿色建筑设计中，自然通风是常用的被动式设计手段。太阳能烟囱是加强版的自然通风技术，利用太阳热量加热烟囱内的空气，增大烟囱的拔风效果。

目前，在建筑热工领域，国内外学者对太阳能烟囱流道内部、房间内部的空气流速变化、温度升高等热工性能进行了大量的模拟和实验研究［1］，证明其通风量的大小与烟囱高度、烟囱宽度、室内外温度差、进出风口面积比等因素密切相关［2］。在建筑设计领域，从原理层面提出了太阳能烟囱与建筑本体集成的理论，将围护结构、楼梯、走廊等建筑形式要素作为气流通道［3］。

在建筑设计实践中，太阳能烟囱自然通风的概念被大量应用，但其专项技术设计和实际通风效果却往往被忽略，究其原因是目前太阳能烟囱技术设计理论的匮乏，因此论文分析了大量应用太阳能烟囱的典型案例，从中总结出太阳能烟囱技术设计的三种主要方式，并提出太阳能烟囱技术设计的四个方面的建议，为今后的太阳能烟囱技术设计提供一定的理论基础。

1　太阳能烟囱的通风原理

从图1中可以看出，太阳光晒热太阳能烟囱上部集热构件（图1（a）中深色部分），加热烟囱内的空气，热空气上升，在烟囱底部形成负压区，带动底部房间空气流入烟囱内，新鲜空气从房间另一侧补充，从而实现房间的自然通风，如图1（b）所示［4］。

英国剑桥大学Nick等总结出了太阳能烟囱的通风与进排风口之间的高度差、温度差、压力差（简称“三差”）成正比［5］。因此，结合建筑工程实践，太阳能烟囱技术设计的重点是提高进排风口之间的“三差”，保证自然通风效果。此时，吹拔空间、透明玻璃是保证太阳能烟囱通风效果的技术特征，也是太阳能烟囱的形态特征。

图1　太阳能烟囱CFD模拟图

2　建筑技术设计案例分析

2.1建筑技术设计方式

通过研究大量的建筑案例，根据太阳能烟囱技术特征的表现程度，总结出了建筑应用太阳能烟囱通风技术设计的三种主要方式:特征型、消隐型和融合型。

2.1.1特征型

以提高太阳能烟囱的拔风效果为主要目的，在建筑中单独设计太阳能墙烟囱，完全保持太阳能烟囱独特的技术特征，台湾成功大学的“绿色魔法学院”的太阳能烟囱就属于特征型。

台湾成功大学的“绿色魔法学院”是台湾第一座“零碳建筑”，地上3层，地下1层，建筑面积4799.67 m2。为了强化自然通风，三层通高的中庭、300人的国际会议厅“崇华厅”、亚热带绿建博物馆分别设计了太阳能烟囱，如图2（a）所示［6］。太阳能烟囱的形态完全符合流体力学的要求，以最大程度地发挥其自然通风效果，减少空调的使用时间。扁平、高耸的体量，如图2（b）所示［7］，为其服务的大空间提供风场均匀、风速适中的拔风吸力；烟囱外壁开设玻璃窗，窗内侧安装了铝板材质的黑色烤漆集热板，用于加大烟囱内垂直方向的温度差，加强抽风效果。这种模仿传统“灶窑”通风系统，“原汁原味”地再现其技术特征的太阳能烟囱，就是特征型的太阳能烟囱。

特征型太阳能烟囱的建筑形态服务于通风效果，是一种技术流的太阳能烟囱。

涨潮时进行套泊作业。为便于顶流靠泊，待泊船完成调头后在离泊船上游码头前沿旋回区候泊。涨潮双套作业等候方式见图2。洋山港四期出口船可使用航道正常出口。需要注意的是，双方需协调确认如何通过，必要时洋山港四期出口船需尽量主动等待，等候待泊船完成调头后再通过。

2.1.2消隐型

消隐型太阳能烟囱是内在的，从建筑外观上几乎看不见太阳能烟囱的痕迹，建筑本体的建筑风格不受其影响。夏季自然通风的特朗勃墙、井—箱式的双层玻璃幕墙是消隐型太阳能烟囱的典型代表。

图2　台湾成功大学“绿色魔法学校”图

特朗勃墙是建筑自发利用太阳能实现冬季采暖的一种被动式太阳能热利用方式，在解决其夏季过热的问题时，发现可利用特朗勃墙实现室内的自然通风，夏季自然通风的特朗勃墙其本质就是太阳能烟囱。1974年建成的Kelbaugh住宅位于美国普林斯顿，是建筑师Douglas Kelbaugh的自建二层住宅，南立面设计了56 m2的特朗勃墙，如图3（a）所示夏季特朗勃墙内的热空气从屋檐下的排风口排出带动室外凉爽空气从建筑北侧进入，实现自然通风如图3（b）所示［7-8］。从Kelbaugh住宅的建筑外观上，根本找不到太阳能烟囱最主要的形态特征——吹拔空间，太阳能烟囱被隐藏在建筑的墙体内。

图3　Kelbaugh住宅图

位于德国杜塞多夫的ARAG 2000办公塔楼，如图4（a）所示，高120 m，由RKW与Norman Foster合作设计，因为建筑南侧的交通噪声极高，设计了双层玻璃幕墙隔绝室外噪音。玻璃幕墙同时兼顾自然通风，在垂直方向被分为四组，每组8个楼层，按井—箱式结构设计，如图4（b）所示。太阳能加热竖井内的空气，带动与箱型窗连通的房间内部的自然通风，在设计阶段的模拟试验表明，ARAG 2000办公塔楼每年有50% ～60%的时间可以实现自然通风［9-10］。不难看出，贯通8个楼层的竖井就是太阳能烟囱的吹拔空间，建筑形态具有典型的玻璃幕墙的特征，而与太阳能烟囱关系不大。

消隐型太阳能烟囱的特点就是随形就势，是在应用太阳能得热技术、建筑隔声技术等的同时，通过进出风口的设计、组织结构的优化等技术措施，兼顾太阳能烟囱的自然通风，其通风效果受原有功能的限制，将吹拔空间隐藏在建筑内部，其高耸的形态不复存在了。

2.1.3融合型

融合型的太阳能烟囱建筑形态介于特征型与消隐型之间，将楼梯间、风道、中庭等建筑本体要素作为气流通道［11］，进行太阳能烟囱集成设计，在保证其原有使用功能的基础上，实现建筑的自然通风楼梯间的体量和尺寸易于产生拔风效果，因此太阳能烟囱多与楼梯间融合设计，英国诺丁汉税务部（Nottingham Tax Office）就是应用融合型太阳能烟囱形态的典型案例。

图4　ARAG 2000办公塔楼图

图5　诺丁汉税务部办公楼图

英国诺丁汉税务部大楼楼梯间设计成太阳能通风烟囱，其功能同时具备垂直交通和自然通风，其建筑形态同时保持楼梯间和太阳能烟囱的双重特征。楼梯间突出建筑屋顶，突出部分四面设计有透明玻璃，是楼梯间太阳能烟囱不同于普通楼梯间的典型特征。

2.2建筑技术设计的建议

无论采用何种方式的太阳能烟囱通风技术，在设计中都需要保证其自然通风效果，因此需要注意下面4条其技术设计要点:

（1）太阳能烟囱带动的自然通风的区域是有限的

热空气上升产生的动力是有限的，因此在设计中需要合理匹配太阳能烟囱服务的自然通风的区域面积，杜绝出现“小马拉大车”的情况。清华大学超低能耗楼，如图6（a）所示，也是与楼梯间集成设计的融合型太阳能烟囱，楼梯间5.2 m×6.6 m，三跑楼梯，在梯井位置设置了3个封闭的玻璃竖井，如图6（b）所示，分别负责一二层、三层、四层的自然通风，保证每个楼层的通风换气次数［13］。与诺丁汉税务部大楼相比，清华超低能耗楼楼梯间太阳能烟囱采用的是“一拖一”的设计方案，每个通风竖井负责相应的楼层面积的自然通风，避免了不同楼层间气流的交叉，保证了上部楼层的通风效果。

（2）设计太阳能集热构造提高自然通风效果

与一般的通风烟囱相比，太阳能烟囱的特点就是利用太阳能集热构件提高进排风口之间的温度差，增大烟囱的拔风效果。太阳能集热构造设计有两种:一是常规构造，将烟囱四壁的全部或部分设计成透明玻璃，将太阳光引入加热烟囱内空气，如诺丁汉税务部的玻璃楼梯间（如图5所示）、清华超低能耗楼通风竖井的玻璃顶部（如图6所示）；二是加强构造，在常规做法的基础上增加黑色或深色集热构件，进一步提高进出风口的温度差，如台湾成功大学的太阳能烟囱顶部的黑色铝板（如图2所示）、2010欧洲“太阳能十项全能”竞赛作品“home+”的太阳能烟囱上部（天窗内）悬挂的黑色吸热片（如图7所示）［14］。

图6　清华大学超低能耗楼图

图7　home+的屋顶天窗（内悬挂吸热片）图

（3）合理确定太阳能烟囱的高度保证自然通风效果

理论上太阳能烟囱的高度越高其拔风效果越好，但考虑到立面的尺度和效果，特征型、融合型的太阳能烟囱高出建筑屋顶1～2层层高。消隐型太阳能烟囱隐藏在建筑内部，在满足原有功能的同时兼顾拔风效果，因此其高度应同时考虑上述两方面的要求。

（4）优化排风口设计防止气流、雨水倒灌

防雨、防风是太阳能烟囱排风口必要的设计要求，可启闭的天窗是最常用的太阳能烟囱排风口形式，多用于融合型太阳能烟囱。诺丁汉税务部办公楼楼梯间顶部可升降的顶帽，清华超低能耗楼楼梯间出屋面部分可开启侧窗，实现了太阳能烟囱排风和防雨。特征型太阳能烟囱多从保证出风口负压、提高进出风口压力差的角度进行排风口设计，台湾成功大学太阳能烟囱出风口剖面内收成笛口状，形如半个文丘里管，出风口风速变大、压力减小，更好地将烟囱内空气排除，如图（8）所示［15］。

图8　成功大学太阳能烟囱排风口通风示意图

3　结语

文章以太阳能烟囱的技术设计为研究对象，总结了建筑应用太阳能烟囱通风技术设计的特征型消隐型和融合型三种主要方式，提出了太阳能烟囱4个方面的技术设计要点，无论采用何种类型的太阳能烟囱，都需要从提高进、排风口之间的“三差的角度进行技术设计，保证其自然通风效果，这也是今后太阳能烟囱技术设计领域的主要方向。

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（学科责编：李雪蕾）

A case study on architectural technology design of solar chimney

Yang Qianmiao1，2，Xue Yibing1，2，Zhang Chenyue2
（1.Shandong Co-innovation Center of Green Building，Jinan 250001，China；2.School of Architecture and Urban Planning，Shandong Jianzhu University，Jinan 250001，China）

In green building design，solar chimney is an effective natural ventilation technology and is more and more widely applied.At present，it lacks of architectural design theory of solar chimney.In this paper，the principle of solar chimney ventilation is presented.Furthermore，three design approaches，which are used to design solar chimney，are summarized:feature type，type and fusion type，according to the study on some typical solar chimney case.Finally，four suggestions are presented about technology design of solar chimney.This paper points out that the key problem of solar chimney design is to increase“three differential value”from inlet to outlet.It guarantees for building natural ventilation and is the development direction of solar chimney technology.

solar chimney；technical design；natural ventilation

1673-7644（2015）06-0590-06

TU111

A

2013-12-08

山东省高校科技计划项目（J11LE07）

杨倩苗（1980-），女，讲师，博士，主要从事绿色建筑技术研究.E-mail:yqm1222@163.com