马 俊
(中国建筑西南设计研究院有限公司，四川 成都 610042)
0 引言
在科学技术飞速发展的21世纪，人类文明已经迈入高度发达的信息化社会，对电子产品及网络的依赖也导致人类的行为活动更多的在室内进行，因而提供健康洁净的空气及舒适的室内环境始终是建筑设计中不可或缺的一部分。现代的办公楼，酒店，大型商业等公共建筑往往采取全封闭式的玻璃幕墙系统，绝大部分空气流通及温度调节依靠机械通风等人工手段完成，而传统的利用自然条件调节室内环境的技术已逐渐被人们所遗忘。在过去的几十年里，随着我国经济发展突飞猛进，建筑的能耗已占到全社会总能源消耗的30%以上，其中建筑取暖、空调能耗约占建筑总能耗的60%。
在传统能源日益匮乏的今天，如何节约能源，同时又能达到理想的建筑热工要求，是建筑师不得不认真思考的问题，而利用传统自然通风技术则是其中的一个突破点。
1 自然通风
1.1 自然通风的基本原理
通常认为，自然通风的作用具有三种不同的功能[1]:
1)健康通风，即保证室内空气质量;
2)舒适的热环境，即避免室内过于温暖潮湿而引起的人体不适;
3)调温通风，即调节室内温度，使室内外达到温度平衡。建筑中自然通风的实现通常需要借助风力及温度，当两者在室内外环境中存在差异时，即形成“风压”和“热压”，这便是引起空气流通的先决条件。
1.2 风压条件下的自然通风
风压通风的基本原理是当风吹向建筑物时，流动的空气会在建筑四周产生不同的效果，建筑的迎风面因空气受阻而产生正压，气流向上和两侧偏转产生局部涡流区，形成负压，室内外空气在这个压力差的作用下由高压区向低压区流动从而实现空气流通(见图1)。
利用风压是实现自然通风最常用，也是最为有效的方式之一，风压差值的大小与建筑的选址，建筑与风向的夹角，建筑的布局以及建筑周边的环境等有直接关系。建设用地的地形与地表特征可极大的影响风对建筑的作用，地表的障碍物，例如植被，可显著的降低风速，地形的起伏也有可能加强或减弱风速。此外，风速通常伴随着海拔高度的增加而增长，所以高度较高的建筑一般可获得更好的风压，但在高层建筑密度较大地区，风速亦会受周边建筑所影响。建筑的朝向和布局也是影响自然通风的重要因素。从平面上来讲，建筑的朝向应与当地夏季主导风向保持一定角度，以获取更佳的自然通风效果。建筑与主导风向的夹角，增大了外部风的阻力，可增加建筑有效的迎风面与背风面，从而更易形成类似“穿堂风”的效果。其次，建筑本身的布局也可影响通风的效果，例如“L”形布局的建筑相比板式建筑，可形成更多的漩涡区，而较多的负压区域可进一步促进室内空气流动(见图2)。此外，建筑自身的高度对周边建筑的风环境可产生较大影响。一般而言，较高体量的建筑宜置于主导风向的后方，这样风力可均匀的分布在周边的建筑当中，提高整体自然通风效果(见图 3)[2]。
图1 风压通风的原理示意图
图2 不同建筑布局的通风效果
图3 建筑高度对周边建筑的风环境影响
应用风压自然通风的一个经典案例是位于新喀里多尼亚，由左伦皮亚诺(Renzo Piano)设计的吉巴欧文化中心，该文化中心由十个蛋壳形的木结构单体组成，体量大小不一，沿海岛的海岸线呈曲线排开，皮亚诺称这些建筑单体为“笼子”。每个笼子都采取被动式通风系统作为主要的降温和通风手段。为了获得最大的通风效果，所有的建筑都位于海岛地势较高的地区，并面向来自南方的主导风向，甚至较高大的植物都沿建筑东西两侧布置成漏斗状，从而引导气流更多的吹向建筑物。当风力较小时，气流通过建筑下方的开口进入室内，并从屋顶的排风口排出，形成空气流通。当风力增强时，气流穿过建筑顶部的格栅，并形成负压区，从而更进一步促进室内空气流通。皮亚诺通过简单的建筑设计手法，不仅达到了自然通风的效果，而且形成了独具地方特色的建筑风貌(见图4)。
1.3 热压条件下的自然通风
自然通风的另一基本动力是利用建筑内部空气的热量差值，热空气相比冷空气密度较小的物理特性，是热压通风得以实现的基本原理。让热空气从建筑上方通风口排出，同时室外温度较低的冷空气从下方的通风口被吸入，整个过程也就是人们通常所说的“气流烟囱效应”(Stack Effect)。热压通风的效果会受到建筑设计及室内外环境的影响，比如进出风口的竖向高度差，以及室内外空气的温差，往往这些差值越大，通风的效果也就越佳。在建筑设计中，建筑师可通过刻意设置贯穿建筑内部的中庭，楼梯间等类似空间，并在顶部和底部相应位置预留通风口以达到和促进热压通风的效果。相比风压自然通风，热压通风不需要借助外部风力便可实现，两者由于基本原理的差别，可在建筑设计中相辅相成，共同提高自然通风的效果。
图4 Tjibaou文化中心通风效果
一个非常优秀的利用热压通风的案例是位于英国诺丁汉的税务局总部大楼，由迈克霍普金斯及其合伙人事务所设计。他们为这栋大楼的暖通系统取名为“浮力通风系统”，这套系统的关键设施是位于建筑四角类似烟囱的筒状空心楼梯间。这些“烟囱”的主要作用是尽可能多的吸取太阳能，以提高内部空气的温度，当温度提高到一定程度时，受热的空气便开始向上移动并飘向室外，从而实现办公室内的空气流通和交换(见图5)。
1.4 风压与热压相结合的自然通风
风压通风需借助外部风力，故受天气，地形及外部环境等因素影响较大，其效果不稳定且不易控制。热压通风相对稳定，烟囱效应可通过建筑设计手段实现，可操控性较强。建筑师如果希望在设计中充分利用自然通风的效果，通常可借助两者共同作用以达到目的。比如，在建筑进深较浅且面对来向风的部位，可较多的利用风压通风，而建筑内部不易被风力所达的部位，则可考虑利用热压通风来达到效果。但需要注意的是，当两者共同作用时，应保持空气流动方向一致，否则可能会减弱自然通风的效果。
2 建筑设计与自然通风
2.1 建筑的布局考量
建筑师在考虑利用自然通风进行设计时，首先应判读当地的风玫瑰，以了解常年的风力分布，并据此在总图上进行适宜的布置。其基本原则是尽量使建筑的朝向与夏季主导风互成垂直的关系，然而需要注意的是，这种情况下布置的建筑，其背风面会形成较大的漩涡区，对处于靠后建筑的通风会有不利影响。所以，在总图设计中，应结合实际情况，对建筑单体的面宽，高度，间距等指标进行分析，以合适的布局和体量获得最佳的整体自然通风效果。其次是对项目用地的环境分析，如地势是否有高差，其高差是处于迎风面还是背风面，地表是否有显著的障碍物等因素都是需要纳入考虑的范畴。对环境分析的结果是建筑设计的基本依据，建筑师可通过采取竖向设计，景观设计以及单体设计等方面，减弱不利因素，为实现自然通风改善条件。
2.2 建筑外墙的开口
建筑外围结构的开口可直接影响和控制自然通风的效果，其开口的位置，尺寸及朝向可通过具体分析进行优化。根据相关实验表明，当出风口面积大于进风口面积10%左右时，室内风速可达到最佳的状态。不同方位的开口位置决定着室内空气流动的路线，进风口与出风口之间的高差，可改变气流在室内流动的方向，在风力较弱时也可促进室内通风。另一方面，开口的形式也是影响通风的一个重要因素。目前大量的公共建筑如办公楼，酒店等，均采用玻璃幕墙系统作为外部围护结构，出于安全及防雨的考虑，玻璃幕墙的开窗往往采用只能开启一定角度的下悬窗。但这种开窗方式极大的影响了自然通风效果，使外部风力难以进入室内，从而进一步的增加了建筑对机械通风的依赖。相比之下，平开窗一般可较好的引入风力，而通风百叶在引入风力的同时，还可对风力引入的角度进行控制，以获取更好的效果。
2.3 建筑内部空间的布置
消费者在选购住宅时，多倾向于选择南北通透的板式建筑，其优势正是因为板式建筑进深较小，利于采光和通风。而且如果与之对应的平面布局规整、通透，建筑内部空气流动的阻力就越小，通风也就越流畅，易形成所谓的“穿堂风”。反之，虽然同为板式建筑，内廊式的公寓或酒店，因其平面的隔断，通风效果就明显不如住宅。而对于进深较大，利用风压通风有困难的建筑，可通过设置采光中庭等开放式竖向空间，利用热压通风的原理，促进室内空气循环。此外，还可通过拔风井和无动力排气风帽，借助外部风力对风帽作用时产生的吸力，从室内抽取空气向外排风。
2.4 新技术手段的运用
随着节能环保技术的大力推广和发展，一些利用自然通风的新技术手段也逐渐被建筑师所采用。其中，双层玻璃幕墙是近年来低能耗建筑所广泛采用的新兴技术。双层幕墙与传统幕墙相比，其最大特点是，两层玻璃幕之间留有一定宽度的通风换气层，该换气层上下贯通，并在底部和顶部设有通风百叶(见图6)。在夏季，当换气层内的空气被加热时，热空气向上流动，从顶部的百叶排出。同时，外界温度较低的空气从底部的百叶被吸入，形成换气层内的自然通风，以达到自然冷却的效果。而在冬季，上下两端的百叶通过调节进风量，保持换气层内的热量，从而降低室内热量损耗。除此之外，诸如设置太阳能风塔，利用烟囱效应进行自然通风的手段也不失为对传统拔风井的创新。
图5 英国诺丁汉税务局总部通风系统[3]
图6 某办公楼采用的双层玻璃幕墙系统
3 结语
建筑为人们提供了工作、生活、学习等几乎一切活动所需的空间场所，通风作为建筑最基本的需求和功能，对建筑师而言是一项持续的课题。
随着建筑材料和建造工艺的进步，传统建筑普遍采用的自然通风，已经大量的被机械通风所取代。但是随之而来的高能耗，与当今社会倡导的可持续发展趋势相悖，更与我国的国情不相符。因此，我们在从事建筑设计的工作中，应当有意识的因地制宜，结合当地的气候特征、地形地貌，将传统技术与现代手段相结合，制定出综合全面、低碳环保的建筑方案。让可持续发展，建设节约型社会的总体目标，通过建筑设计进一步得到体现，为国家长足的经济发展做出贡献。
[1] 吉沃尼·B.人·气候·建筑[M].北京:中国建筑工业出版社，1982.
[2] Narenda.K.Bansal.被动式建筑设计:自然气候调节手册[M].Elsevier Science出版社，1994.
[3] [英]Alistair Gardner.建设税务局[J].建筑评论，1995:18-22.
[4] [英]马丁·P·L.建筑的采暖与空气调节[M].北京:建筑出版社，1979.
[5] [英]理查德·尼克斯.采暖，通风与空气调节[M].北京:交界出版社，2002.
