宋麗萍，王瑩，張海玉，汪喜江

（哈爾濱市氣象局，黑龍江哈爾濱 150080）

自然通風(fēng)在哈爾濱建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

宋麗萍，王瑩，張海玉，汪喜江

（哈爾濱市氣象局，黑龍江哈爾濱 150080）

本文介紹了自然通風(fēng)技術(shù)的原理和應(yīng)用方式，并提出了自然通風(fēng)在哈爾濱建筑住宅設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，旨在引起在地域建筑設(shè)計(jì)中對(duì)自然通風(fēng)傳統(tǒng)適宜技術(shù)的重視。

自然通風(fēng)；原理和應(yīng)用；建筑設(shè)計(jì)

1 引言

風(fēng)環(huán)境是建筑環(huán)境設(shè)計(jì)的一項(xiàng)主要內(nèi)容，在自然環(huán)境日益受到重視的今天，自然通風(fēng)與人體舒適度的聯(lián)系與建筑節(jié)能的關(guān)系顯得尤為重要，并且逐步被反映到建筑設(shè)計(jì)的實(shí)踐中來，尤其是在住宅建筑設(shè)計(jì)中。

自然通風(fēng)作為生態(tài)建筑技術(shù)中一個(gè)非常重要的組成部分，是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的通風(fēng)模式，在改善室內(nèi)空氣品質(zhì)、滿足室內(nèi)舒適要求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的[1]。

在節(jié)約能耗和提高室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的目標(biāo)影響下，自然通風(fēng)作為一項(xiàng)古老的生態(tài)技術(shù)，重新受到人們的重視。通常認(rèn)為它具有3大主要作用[2]：（1）提供新鮮空氣，稀釋排除室內(nèi)污染物，有利于健康；（2）生理降溫，滿足人們親近自然的心理要求；（3）釋放建筑結(jié)構(gòu)中蓄存的熱量，利于節(jié)能。采用自然通風(fēng)取代或部分取代空調(diào)系統(tǒng)，成為生態(tài)建筑研究的重要課題[3,4]。

2 自然通風(fēng)的原理及應(yīng)用

2.1 自然通風(fēng)機(jī)理

當(dāng)壓力差存在時(shí)，空氣會(huì)從壓力高的區(qū)域流向壓力低的區(qū)域，從而形成通風(fēng)或滲透。通常意義上的自然通風(fēng)指的是通過有目的的開口，產(chǎn)生空氣流動(dòng)。這種流動(dòng)的最直接的兩個(gè)因素就是開口兩側(cè)壓差和不同開口的特性，壓力是動(dòng)力，而開口的特性則決定了流動(dòng)的風(fēng)阻。根據(jù)作用力類型，自然通風(fēng)可分為風(fēng)壓?jiǎn)为?dú)作用、熱壓?jiǎn)为?dú)作用、風(fēng)壓與熱壓共同作用。

2.2 風(fēng)壓通風(fēng)

當(dāng)有風(fēng)從左邊吹向建筑時(shí)，建筑的迎風(fēng)面將受到空氣的推動(dòng)作用形成正壓區(qū)，推動(dòng)空氣從該側(cè)進(jìn)人建筑；而建筑的背風(fēng)面，由于受到空氣繞流影響形成負(fù)壓區(qū)，吸引建筑內(nèi)空氣從該側(cè)的出口流出，這樣就形成了持續(xù)不斷的空氣流，為風(fēng)壓作用下的自然通風(fēng)。

建筑物外圍護(hù)結(jié)構(gòu)上某一點(diǎn)處的風(fēng)壓值可用下式表示:

式中,Pw為建筑物外圍護(hù)結(jié)構(gòu)上某一點(diǎn)處的風(fēng)壓值/ Pa;vw為室外空氣流速/（m/s）;ρω為室外空氣密度/（kg/m3）;CP-風(fēng)壓系數(shù)（或K，亦稱空氣動(dòng)力系數(shù)），反映建筑物形狀、開口位置、風(fēng)向等影響因素的綜合作用。

實(shí)際上室外來流風(fēng)速在高度方向上并非定值，由于地面粗糙度的影響，風(fēng)速沿地面高度方向是逐漸增大的。來流風(fēng)速隨高度變化的規(guī)律可以用指數(shù)函數(shù)描述:

式中h0-參考高度處風(fēng)速及對(duì)應(yīng)高度，一般指氣象資料給出的風(fēng)速值和氣象臺(tái)的測(cè)量高度，h0=10 m；α-地面粗糙系數(shù)，海面:0.1～0.125;開闊平原:0.125～0.167；森林或街道：0.25;城市中心:0.33。

通過建筑物某一開口的自然通風(fēng)量可用下式計(jì)算:

式中Lw-風(fēng)壓通風(fēng)量，m3/s;Cd-流量系數(shù),為開口的阻力特性;F-開口面積，m2;ΔPW-開口兩側(cè)風(fēng)壓差，Pa。

把公式（1）和公式（2）代入公式（3）中，經(jīng)整理后得出風(fēng)壓通風(fēng)量見公式（4）：

2.3 熱壓通風(fēng)

當(dāng)室內(nèi)存在熱源時(shí)，室內(nèi)空氣將被加熱，密度降低，并且向上浮動(dòng)，造成建筑內(nèi)上部空氣壓力比建筑外大，導(dǎo)致室內(nèi)空氣向外流動(dòng)，同時(shí)在建筑下部，不斷有空氣流入，以填補(bǔ)上部流出的空氣所讓出的空間，這樣形成的持續(xù)不斷的空氣流就是熱壓作用下的自然通風(fēng)。

當(dāng)風(fēng)壓作用比熱壓作用弱，例如室外風(fēng)速很小而室內(nèi)外溫差很大時(shí)，可只考慮熱壓作用。當(dāng)室內(nèi)、外空氣溫度不同時(shí)，空氣密度也不相同，這種差異會(huì)造成室內(nèi)外靜壓梯度不同，由這種差異造成的空氣靜壓差就是熱壓。

2.4 風(fēng)壓和熱壓共同作用下的自然通風(fēng)

在實(shí)際建筑中的自然通風(fēng)是風(fēng)壓和熱壓共同作用的結(jié)果，只是各自的作用有強(qiáng)有弱。由于受到天氣、室外風(fēng)向和建筑物形狀、周圍環(huán)境等因素的影響，風(fēng)壓與熱壓共同作用時(shí)并不是簡(jiǎn)單的線性疊加。因此要充分考慮各種因素，使風(fēng)壓和熱壓作用相互補(bǔ)充，密切配合使用，實(shí)現(xiàn)建筑物的有效自然通風(fēng)。

3 自然通風(fēng)在哈爾濱建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

影響自然通風(fēng)的因素對(duì)于建筑本身而言，有建筑物的高度、進(jìn)深、長(zhǎng)度和迎風(fēng)方位；對(duì)于建筑群體而言，有建筑的間距、排列組合方式和建筑群體的迎風(fēng)方位；對(duì)于住宅區(qū)規(guī)劃而言，有住宅區(qū)的合理選址以及住宅區(qū)道路、綠地的合理布局等。為達(dá)到最佳的通風(fēng)效果，以下就幾方面加以說明。

3.1 哈爾濱建筑物朝向設(shè)計(jì)

哈爾濱屬于大陸季風(fēng)性氣候，四季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槟巷L(fēng)（見圖1），冬季盛行偏西或偏北風(fēng)，夏季盛行偏南或東南風(fēng)，年平均風(fēng)速為3.2 m/s（見圖2）。

由于建筑物迎風(fēng)面最大的壓力是在與風(fēng)向垂直的面上，因此，在哈爾濱地區(qū)，在選擇建筑物朝向時(shí)，應(yīng)該盡量使哈爾濱建筑的法線與夏季主導(dǎo)風(fēng)向一致，然而對(duì)于建筑群體使建筑物主立面朝向南風(fēng)向（見圖3），而側(cè)立面對(duì)著西北風(fēng)。因?yàn)槟舷蚴翘?yáng)輻射量最多的方向，故無論從改善夏季自然通風(fēng)、調(diào)節(jié)房間熱環(huán)境來講，選擇南向都是最好的選擇。

圖1 哈爾濱1971～2000年風(fēng)向玫瑰圖

圖2 哈爾濱市區(qū)氣象站30 a（1978-2007年）風(fēng)速年變化直方圖

圖3 與夏季主導(dǎo)風(fēng)向垂直平行并列的建筑物

3.2 哈爾濱建筑物間距建筑群的布局的設(shè)計(jì)

住宅主要朝向（一般為南向或偏南向）前后與其它住宅之間，應(yīng)有一定的間隔距離。而這個(gè)距離通常是由建筑日照要求決定的，所以稱其為日照間距，這是因?yàn)榉课萸昂蟮娜照臻g距，通常大于它們?cè)谑彝馐褂?、綠化、通風(fēng)、防火或其它方面要求的間距。

在建筑設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)建筑群的布局對(duì)自然通風(fēng)的影響效果很大。建筑物南北向日照間距較小時(shí)，前排建筑遮擋后排建筑，風(fēng)壓小，通風(fēng)效果差；反之，建筑日照較大時(shí)，后排建筑的風(fēng)壓較強(qiáng)，自然通風(fēng)效果較好[7]。在考慮防止單體建筑的太陽(yáng)過度輻射的同時(shí)，應(yīng)該盡量使建筑的法線與夏季主導(dǎo)風(fēng)向一致然而對(duì)于建筑群體，若風(fēng)沿著法線吹向建筑，會(huì)在背風(fēng)面形成很大的漩渦區(qū)，對(duì)后排建筑的通風(fēng)不利。在建筑設(shè)計(jì)中要綜合考慮這兩方面的利弊,根據(jù)風(fēng)向投射角（見圖4）風(fēng)向與房屋外墻面法線的夾角對(duì)室內(nèi)風(fēng)速的影響來決定合理的建筑間距,同時(shí)也可以結(jié)合建筑群體布局的改變以達(dá)到縮小間距的目的。

圖4 風(fēng)向投射角度θ的定義圖示

風(fēng)吹向建筑后，在其背風(fēng)面形成渦流區(qū)，渦流區(qū)在地面的投影又稱風(fēng)影（wind shadow）。在風(fēng)影區(qū)內(nèi)，風(fēng)力弱且風(fēng)向不穩(wěn)定，如果某一建筑物位于風(fēng)影區(qū)內(nèi)，則該棟建筑物極難以利用風(fēng)壓通風(fēng)。因此，再考慮建筑群平面配置時(shí)也需考慮風(fēng)影長(zhǎng)度的影響，一般常見將建筑物整齊排列式改為交錯(cuò)排列式，便是減少擋風(fēng)的手法之一。風(fēng)影長(zhǎng)度主要受風(fēng)攻角（即風(fēng)向投射角）與建筑物高度影響，表1顯示了在不同風(fēng)攻角作用下，其風(fēng)影長(zhǎng)度的變化：風(fēng)攻角對(duì)建筑物風(fēng)影長(zhǎng)度之影響。由表1可見，當(dāng)風(fēng)攻角為零時(shí)（亦即風(fēng)從正面吹向建筑物），建筑物的通風(fēng)量最好，但是，此時(shí)的風(fēng)影長(zhǎng)度最大，建筑物后面產(chǎn)生的漩渦區(qū)也是最大的，則前后兩建筑物要避開擋風(fēng)效果所需的間距最大，約為前棟建筑物高度的3.75倍；如風(fēng)向?yàn)樾贝担瑒t風(fēng)影長(zhǎng)度將大大減少，因此在考慮建筑群平面配置時(shí)，設(shè)法使盛行風(fēng)向相對(duì)于建筑物為斜向，較易使后排建筑物位在風(fēng)影范圍之外。但同時(shí)應(yīng)注意風(fēng)攻角的增大將降低室內(nèi)平均風(fēng)速，減少自然通風(fēng)利用的價(jià)值。

表1 風(fēng)向投射角與流場(chǎng)的影響

在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中，房屋的間距，通常是結(jié)合日照間距衛(wèi)生要求和地區(qū)用地情況，作出對(duì)房屋間距L和前排房屋的高度H比值的規(guī)定，如L/H=0.8、1.2、1.5等等。哈爾濱屬于低緯度地區(qū)，日照間距要求可小些，為了達(dá)到日照間距日照衛(wèi)生要求，L/H常取1.2～1.5，即房屋前后的間距是房屋高度的1.2～1.5倍。哈爾濱城市用地很緊張，但一般要求不小于1，但實(shí)際情況中，許多僅有0.8甚至更少，這種住宅狀況是不利于人體健康的。

對(duì)于哈爾濱建筑的規(guī)劃設(shè)計(jì)而言，為了保持較高的土地容積率，還要確保建筑后排的房屋能有較好的通風(fēng)和日照環(huán)境，在建造建筑物時(shí)，設(shè)法使建筑物與夏季盛行的南風(fēng)向保持0～30°的夾角，這樣較易使后排建筑物位在風(fēng)影范圍之外。若是建筑物的主立面正好朝向夏季主導(dǎo)風(fēng)向-南風(fēng)向的話，應(yīng)盡量采用錯(cuò)列式布置方式，這可以該少下風(fēng)方向住宅的自然通風(fēng)，效果比較顯著。住宅間距越大，則能使足夠的空氣射流能吹到后排住宅上，過小的住宅樓間距，對(duì)消防、綠化和道路交通均有不利的影響。

4 小結(jié)

伴隨著城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)于哈爾濱這樣的城市而言，建造符合生態(tài)環(huán)境要求的建筑物成為了城市規(guī)劃建設(shè)必須要考慮的問題，在節(jié)約能耗和提高室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的目標(biāo)影響下，采用自然通風(fēng)成為生態(tài)建筑研究的重要課題。在城市規(guī)劃和建筑設(shè)計(jì)中，必須重視哈爾濱地域性氣候特色，在春秋季的溫度是很適宜自然通風(fēng)的。自然通風(fēng)技術(shù)在城市建筑中應(yīng)用，不僅僅是建筑設(shè)計(jì)本身的問題，更重要的是建筑環(huán)境的設(shè)計(jì)與控制問題[8]，在設(shè)計(jì)中要為建筑自身的自然通風(fēng)創(chuàng)造良好的條件。城市化進(jìn)程的不斷發(fā)展，城市地面交通和建筑之間的日益融合，自然通風(fēng)技術(shù)將成為城市生態(tài)建筑形式的主流。

[1]喻李奎,陽(yáng)麗娜,周軍莉，等.自然通風(fēng)潛力分析研究進(jìn)展［J］.制冷空調(diào)，2004,25（4）:18～22.

[2]王鵬，譚剛.生態(tài)建筑中的自然通風(fēng)［J］.世界建筑，2000，（4）:62～65.

[3]張金萍，李安桂.自然通風(fēng)的研究應(yīng)用現(xiàn)狀和問題探討［J］暖通空調(diào)，2005，35（8）：32-38.

[4]Proceedings of the 4th International Conference on IAQ, Ventilation&Energy Conservation in Buildings,City University of Hong Kong,2001，53-58.

[5]李紅祥.風(fēng)壓作用卜自然通風(fēng)阻力特性研究.湖南大學(xué)碩士學(xué)位論文，2004.

[6]劉加平.建筑物理（第三版）［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2000，13-18.

[7]陳紅，趙冉.自然通風(fēng)在住宅建筑設(shè)計(jì)中的運(yùn)用［J］.建筑設(shè)計(jì)研究，2008，26（7）：42-44.

[8]王晶晶，黃繼紅.自然通風(fēng)技術(shù)在現(xiàn)代城市建筑中的應(yīng)用探討［J］.上海節(jié)能，2005,（5）：3-6.

1002－252X（2010）04－0034－03

2010－8－6

宋麗萍（1981-），女，黑龍江省綏濱縣人，東北林業(yè)大學(xué)，研究生，工程師.