公共建筑空间设计中自然通风的运用及软件模拟

刘聪 朱娴 单玥

摘要：本文以冬冷夏热地区为研究对象，对其分区内的公共建筑空间的自然通风进行设计，利用Ecotect的Weather Tool软件，结合上海地区的气象数据，确定上海地区的风频率情况，为建筑的自然通风策略提供依据，这对各时节的风环境调节亦具有适用性和启示性。

关键词：公共建筑;空间设计;自然通风

在生产与科技发展以及对人与自然和谐相处认知加深的基础上，人们对建筑的要求已经从最基本的遮风挡雨变成了节约能源、减少能耗，同时还要提供一种人、建筑与环境和谐共处、永续发展的生活空间。在传统建筑的超大能耗、我国资源日益缺乏的情况下，社会对建筑的节能要求日益提高[1]。土地荒漠化、极端天气频现、全球变暖、资源枯竭等危机加剧，节能设计成为建筑设计的必然方向。

新鲜空气的供应是保证室内人体正常生活与健康的基础，从传统静态的建筑设计角度来看，室外新风进入室内需消耗大量的采暖空调费用，这给建筑节能带来了负面效应。但如果从动态节能设计角度，运用自然通风改善建筑风环境，非常有利于建筑能耗的降低。春秋季，室外气候适宜，通常室内不需要采暖或空调，此时可尽量打开外窗，以保持室内的空气流通。夏季室外昼夜温差比较大，室内外存在双向换热的问题，在凉爽的夜晚，通过开启门窗，引入室外自然冷风，可以带走建筑结构在白天蓄存的热量，从而有效降低室内温度，减少空调的运行时间，甚至不用空调。公共建筑功能要素多、空间布局相对复杂，通过空间组织设计实现有效自然通风远比单纯地使用新风换气更有意义。

自然通风是建筑适应气候、调节气候的重要设计策略之一，驱动力包括风压和热压。城市环境中建筑自然通风受诸多条件的约束，如高楼林立导致建筑迎风面风压不足、竖向流动空间缺失致使热压通风不足、高层建筑恶性风流干扰自然风环境等。因此，现实中自然通风的设计需要衡量多种因素，如不同热工分区下气候对自然通风的影响，不同驱动力下自然通风的实现，以及不同季节气象因素的制约，是一种平衡多种要素的空间综合组织设计。Autodesk Ecotect Analysis（节能技术分析）作为可持续设计及分析工具，建立模型后以三维表现方式模拟风环境因素对建筑的影响，可有效指导建筑设计阶段的整体环境分析与已建成建筑的各项节能分析，得到最优的形态布局。

1 项目概况

该公共建筑位于上海市浦东新区书堂路，共6层，总建筑面积为9340.18㎡，占地面积为2227.95㎡，容积率为1.16，建筑密度为27.6%，绿化率为32.5%，主要功能为养老。由于养老建筑对阳光、通风等要求较高，自然通风手段的引入有利于改善居住环境，促进老年人的身心健康。

2 氣候数据

上海位于太平洋西岸，地处东经120°51′至122°12′，北纬30°40′至31°53′，属亚热带季风性气候。年平均气温17.1℃，七月气温最高，月平均温度为28.6℃;一月最低，月平均温度为4.8℃。雨热同期，日照雨量充足，四季分明，春秋较短，冬夏较长。梅雨季一般为六月中旬至七月上旬，其中七月雨量最大，高温一般出现在六月至九月。夏季湿热，盛行东南风;冬季干燥，盛行西北风;春秋季节凉湿，盛行东北风。

将上海的气候条件数据输入Ecotect（节能技术）的Weather Tool（天气工具）（见图1），生成图2风环境的基础数据图。图2中圆内颜色的深浅代表了风频，颜色越亮风频越高，圆坐标代表风向，纵坐标代表风速。从图中可以看出上海地区全年风的频率及各朝向上的风速相对较均匀。只是纵观12个月份来看，夏季多为微风，主导风向为东南（北）方向，冬季风速较大，大风天集中在一、二月，风向主要为西北（南）方向。

实际方案设计初期将图1和图2中的基础气象数据作为影响因素参考，如果该区域气候条件差异较大，就会对建筑布局产生显著影响。但就上海而言，风环境差异并不明显，对建筑布局的影响相对较小，初期通过软件模拟的方式分析项目自身小环境，归纳采取不同空间设计手段对建筑风环境的影响，调整建筑布局。

3 基于局部气候环境对建筑风环境的设计

以上海养老建筑方案设计为例，上海为冬冷夏热代表区域，夏季需要良好的通风条件，冬季则需要较好的保温条件，通过Weather Tool得出各个时节的风环境情况，以此指导建筑布局与形态。本建筑优化通风方案见图3所示，具体自然通风措施有三条。

3.1 基于烟囱效应的空间通风调整

烟囱效应通过进风口和出风口的高度差，空气受热时密度减小上升，室外冷空气从下方进入，利用热压作用加强空间内部气流交换。这种建筑自然通风形式主要用于如楼梯间、天窗配合通风竖井等竖向贯通空间。

建筑剖面设计的通风调整见图4和图5所示。图4中结合天窗设置通风竖井，调节楼层间的热压通风[2]，图5结合楼梯间设置通风竖井。上海夏季以东南风为主，加高西向窗台后，出风口高于进风口，室内气流上升方向与竖井通风走向一致，能有效增强竖井通风效果。

3.2 基于文丘里效应的坡屋顶设计

文丘里效应是伯努利原理的具体表现，高速流动气体附近的压强减小，从而产生吸附作用。建筑中常见的坡屋顶相当于半个文丘里管，气流通过的管道由粗变细，加快流速，然后逐渐扩大，坡屋面将迎风立面分离的气流导向屋脊处并使其加速形成负压（见图6）。屋脊开口处的负压在建筑顶部产生，因而可以配合热压通风的竖向热浮力，形成风压与热压协同的被动式自然通风，提高通风效率。文丘里效应改变了风压正压驱动室内空气流动的习惯认知，在迎风面风压不足时，可以在建筑屋顶处形成负压驱动力，协同热浮力排出室内废热空气。

图7结合导风板调整坡屋顶通风，将活动竖向百叶设置在建筑东立面充当导风板，当太阳高度角和风向变化时，及时改变竖向百叶角度，以增加进风口风量，强化坡屋顶通风效果。

3.3 基于风压和热压作用的中庭设计

建筑中庭利用风压和热压基本原理进行自然通风。当建筑物正面迎风时，会在迎风面出现风的正压区，气流则绕过建筑物侧面及背面产生负压区，正压最大处在迎风面中心，负压最大处在该建筑屋脊和屋角。建筑迎风面和背风面的压力差产生自然通风，建筑布局、形式以及与风的夹角等都会对压力差的大小产生影响。为增加室内天然采光，公共建筑立面多为大面积玻璃幕墙，大量的太阳辐射热不断提高室内温度[3]，仅通过上述的风压通风并不能将这部分热量带走。此时，通过中庭的合理引入（见图8），在热压作用下产生竖向内部气流交换，弥补风压作用不足，发挥通风换热的作用。中庭设计能改善建筑内部的热环境，有利于人们的身心健康，同时也满足了人和自然亲近的需求，提高了居住环境的舒适度。

4 自然通风设计的舒适度评估

焓湿图反映室内的绝对湿度以及相对湿度情况，通过焓湿图能分析室内的环境情况以及和舒适区域的差距。图9显示的是自然通风策略作用下的热舒适区域，弧线代表相对湿度（%），白色线框为采用自然通风技术后的舒适区域，黑色浅框为自然通风区域。我们发现采取了自然通风（黑色浅框区域）后可以满足全年大部分的舒适区域，其中上海大部分地区气候条件可达到。因此在上海地区实施自然通风策略改善了夏季气候的湿热状况，提高了建筑物的舒适度。

图10中的深色区域代表使用自然通风手段之后的焓湿，浅色区域代表使用之前的降温潜力。因为上海夏季有较长梅雨季，其中七月雨量最大、湿度大，自然通风可以在很大程度上提高室内热舒适度。结合图9、图10可以看出，图9中白色线框和黑色线框重合度较高，说明自然通风措施效果较好，热舒适度区域大;相应的图10中自然通风效果各月百分比较高，技术效果明显。这是符合实际情况的，上海位于太平洋西岸，属于亚热带季风性气候，冬季湿冷，夏季闷热，室内热舒适度体验极差，可通过除去多余湿度改变原始气候条件，因此，自然通风的实施有利于建筑物热环境改善。

5 结语

好的建筑是艺术和技术、感性思维与理性逻辑的完美结合，受多种因素的平衡和制约。文中风环境分析只是环境影响因素之一，建筑师需要以人为本，运用各种分析手段优化设计，得出最优的建筑设计方案。

参考文献：

[1] 黄慰祖.民用建筑中绿色建筑节能设计的应用分析[J].中国住宅设施，2019（08）：34-35.

[2] 中国建筑协会建筑师分会建筑技术专业委员会.绿色建筑与建筑技術[M].北京：中国建筑工业出版社，2006：1-728.

[3] 李积权.气候方位与建筑表皮节能——建筑表皮的气候资源利用技术策略研究[J]. 建筑科学，2008，24（12）：7-11.

作者简介：刘聪（1986—），女，江苏宿迁人，博士，讲师，系本文通讯作者，研究方向：绿色建筑。

朱娴（1999—），女，江苏苏州人，本科在读，研究方向：绿色建筑。

单玥（2000—），女，江苏泰州人，本科在读，研究方向：绿色建筑。