劉聰 朱嫻 單玥

摘要：本文以冬冷夏熱地區(qū)為研究對(duì)象，對(duì)其分區(qū)內(nèi)的公共建筑空間的自然通風(fēng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用Ecotect的Weather Tool軟件，結(jié)合上海地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)，確定上海地區(qū)的風(fēng)頻率情況，為建筑的自然通風(fēng)策略提供依據(jù)，這對(duì)各時(shí)節(jié)的風(fēng)環(huán)境調(diào)節(jié)亦具有適用性和啟示性。

關(guān)鍵詞：公共建筑;空間設(shè)計(jì);自然通風(fēng)

在生產(chǎn)與科技發(fā)展以及對(duì)人與自然和諧相處認(rèn)知加深的基礎(chǔ)上，人們對(duì)建筑的要求已經(jīng)從最基本的遮風(fēng)擋雨變成了節(jié)約能源、減少能耗，同時(shí)還要提供一種人、建筑與環(huán)境和諧共處、永續(xù)發(fā)展的生活空間。在傳統(tǒng)建筑的超大能耗、我國(guó)資源日益缺乏的情況下，社會(huì)對(duì)建筑的節(jié)能要求日益提高[1]。土地荒漠化、極端天氣頻現(xiàn)、全球變暖、資源枯竭等危機(jī)加劇，節(jié)能設(shè)計(jì)成為建筑設(shè)計(jì)的必然方向。

新鮮空氣的供應(yīng)是保證室內(nèi)人體正常生活與健康的基礎(chǔ)，從傳統(tǒng)靜態(tài)的建筑設(shè)計(jì)角度來(lái)看，室外新風(fēng)進(jìn)入室內(nèi)需消耗大量的采暖空調(diào)費(fèi)用，這給建筑節(jié)能帶來(lái)了負(fù)面效應(yīng)。但如果從動(dòng)態(tài)節(jié)能設(shè)計(jì)角度，運(yùn)用自然通風(fēng)改善建筑風(fēng)環(huán)境，非常有利于建筑能耗的降低。春秋季，室外氣候適宜，通常室內(nèi)不需要采暖或空調(diào)，此時(shí)可盡量打開(kāi)外窗，以保持室內(nèi)的空氣流通。夏季室外晝夜溫差比較大，室內(nèi)外存在雙向換熱的問(wèn)題，在涼爽的夜晚，通過(guò)開(kāi)啟門窗，引入室外自然冷風(fēng)，可以帶走建筑結(jié)構(gòu)在白天蓄存的熱量，從而有效降低室內(nèi)溫度，減少空調(diào)的運(yùn)行時(shí)間，甚至不用空調(diào)。公共建筑功能要素多、空間布局相對(duì)復(fù)雜，通過(guò)空間組織設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)有效自然通風(fēng)遠(yuǎn)比單純地使用新風(fēng)換氣更有意義。

自然通風(fēng)是建筑適應(yīng)氣候、調(diào)節(jié)氣候的重要設(shè)計(jì)策略之一，驅(qū)動(dòng)力包括風(fēng)壓和熱壓。城市環(huán)境中建筑自然通風(fēng)受諸多條件的約束，如高樓林立導(dǎo)致建筑迎風(fēng)面風(fēng)壓不足、豎向流動(dòng)空間缺失致使熱壓通風(fēng)不足、高層建筑惡性風(fēng)流干擾自然風(fēng)環(huán)境等。因此，現(xiàn)實(shí)中自然通風(fēng)的設(shè)計(jì)需要衡量多種因素，如不同熱工分區(qū)下氣候?qū)ψ匀煌L(fēng)的影響，不同驅(qū)動(dòng)力下自然通風(fēng)的實(shí)現(xiàn)，以及不同季節(jié)氣象因素的制約，是一種平衡多種要素的空間綜合組織設(shè)計(jì)。Autodesk Ecotect Analysis（節(jié)能技術(shù)分析）作為可持續(xù)設(shè)計(jì)及分析工具，建立模型后以三維表現(xiàn)方式模擬風(fēng)環(huán)境因素對(duì)建筑的影響，可有效指導(dǎo)建筑設(shè)計(jì)階段的整體環(huán)境分析與已建成建筑的各項(xiàng)節(jié)能分析，得到最優(yōu)的形態(tài)布局。

1 項(xiàng)目概況

該公共建筑位于上海市浦東新區(qū)書堂路，共6層，總建筑面積為9340.18㎡，占地面積為2227.95㎡，容積率為1.16，建筑密度為27.6%，綠化率為32.5%，主要功能為養(yǎng)老。由于養(yǎng)老建筑對(duì)陽(yáng)光、通風(fēng)等要求較高，自然通風(fēng)手段的引入有利于改善居住環(huán)境，促進(jìn)老年人的身心健康。

2 氣候數(shù)據(jù)

上海位于太平洋西岸，地處東經(jīng)120°51′至122°12′，北緯30°40′至31°53′，屬亞熱帶季風(fēng)性氣候。年平均氣溫17.1℃，七月氣溫最高，月平均溫度為28.6℃;一月最低，月平均溫度為4.8℃。雨熱同期，日照雨量充足，四季分明，春秋較短，冬夏較長(zhǎng)。梅雨季一般為六月中旬至七月上旬，其中七月雨量最大，高溫一般出現(xiàn)在六月至九月。夏季濕熱，盛行東南風(fēng);冬季干燥，盛行西北風(fēng);春秋季節(jié)涼濕，盛行東北風(fēng)。

將上海的氣候條件數(shù)據(jù)輸入Ecotect（節(jié)能技術(shù)）的Weather Tool（天氣工具）（見(jiàn)圖1），生成圖2風(fēng)環(huán)境的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)圖。圖2中圓內(nèi)顏色的深淺代表了風(fēng)頻，顏色越亮風(fēng)頻越高，圓坐標(biāo)代表風(fēng)向，縱坐標(biāo)代表風(fēng)速。從圖中可以看出上海地區(qū)全年風(fēng)的頻率及各朝向上的風(fēng)速相對(duì)較均勻。只是縱觀12個(gè)月份來(lái)看，夏季多為微風(fēng)，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南（北）方向，冬季風(fēng)速較大，大風(fēng)天集中在一、二月，風(fēng)向主要為西北（南）方向。

實(shí)際方案設(shè)計(jì)初期將圖1和圖2中的基礎(chǔ)氣象數(shù)據(jù)作為影響因素參考，如果該區(qū)域氣候條件差異較大，就會(huì)對(duì)建筑布局產(chǎn)生顯著影響。但就上海而言，風(fēng)環(huán)境差異并不明顯，對(duì)建筑布局的影響相對(duì)較小，初期通過(guò)軟件模擬的方式分析項(xiàng)目自身小環(huán)境，歸納采取不同空間設(shè)計(jì)手段對(duì)建筑風(fēng)環(huán)境的影響，調(diào)整建筑布局。

3 基于局部氣候環(huán)境對(duì)建筑風(fēng)環(huán)境的設(shè)計(jì)

以上海養(yǎng)老建筑方案設(shè)計(jì)為例，上海為冬冷夏熱代表區(qū)域，夏季需要良好的通風(fēng)條件，冬季則需要較好的保溫條件，通過(guò)Weather Tool得出各個(gè)時(shí)節(jié)的風(fēng)環(huán)境情況，以此指導(dǎo)建筑布局與形態(tài)。本建筑優(yōu)化通風(fēng)方案見(jiàn)圖3所示，具體自然通風(fēng)措施有三條。

3.1 基于煙囪效應(yīng)的空間通風(fēng)調(diào)整

煙囪效應(yīng)通過(guò)進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口的高度差，空氣受熱時(shí)密度減小上升，室外冷空氣從下方進(jìn)入，利用熱壓作用加強(qiáng)空間內(nèi)部氣流交換。這種建筑自然通風(fēng)形式主要用于如樓梯間、天窗配合通風(fēng)豎井等豎向貫通空間。

建筑剖面設(shè)計(jì)的通風(fēng)調(diào)整見(jiàn)圖4和圖5所示。圖4中結(jié)合天窗設(shè)置通風(fēng)豎井，調(diào)節(jié)樓層間的熱壓通風(fēng)[2]，圖5結(jié)合樓梯間設(shè)置通風(fēng)豎井。上海夏季以東南風(fēng)為主，加高西向窗臺(tái)后，出風(fēng)口高于進(jìn)風(fēng)口，室內(nèi)氣流上升方向與豎井通風(fēng)走向一致，能有效增強(qiáng)豎井通風(fēng)效果。

3.2 基于文丘里效應(yīng)的坡屋頂設(shè)計(jì)

文丘里效應(yīng)是伯努利原理的具體表現(xiàn)，高速流動(dòng)氣體附近的壓強(qiáng)減小，從而產(chǎn)生吸附作用。建筑中常見(jiàn)的坡屋頂相當(dāng)于半個(gè)文丘里管，氣流通過(guò)的管道由粗變細(xì)，加快流速，然后逐漸擴(kuò)大，坡屋面將迎風(fēng)立面分離的氣流導(dǎo)向屋脊處并使其加速形成負(fù)壓（見(jiàn)圖6）。屋脊開(kāi)口處的負(fù)壓在建筑頂部產(chǎn)生，因而可以配合熱壓通風(fēng)的豎向熱浮力，形成風(fēng)壓與熱壓協(xié)同的被動(dòng)式自然通風(fēng)，提高通風(fēng)效率。文丘里效應(yīng)改變了風(fēng)壓正壓驅(qū)動(dòng)室內(nèi)空氣流動(dòng)的習(xí)慣認(rèn)知，在迎風(fēng)面風(fēng)壓不足時(shí)，可以在建筑屋頂處形成負(fù)壓驅(qū)動(dòng)力，協(xié)同熱浮力排出室內(nèi)廢熱空氣。

圖7結(jié)合導(dǎo)風(fēng)板調(diào)整坡屋頂通風(fēng)，將活動(dòng)豎向百葉設(shè)置在建筑東立面充當(dāng)導(dǎo)風(fēng)板，當(dāng)太陽(yáng)高度角和風(fēng)向變化時(shí)，及時(shí)改變豎向百葉角度，以增加進(jìn)風(fēng)口風(fēng)量，強(qiáng)化坡屋頂通風(fēng)效果。

3.3 基于風(fēng)壓和熱壓作用的中庭設(shè)計(jì)

建筑中庭利用風(fēng)壓和熱壓基本原理進(jìn)行自然通風(fēng)。當(dāng)建筑物正面迎風(fēng)時(shí)，會(huì)在迎風(fēng)面出現(xiàn)風(fēng)的正壓區(qū)，氣流則繞過(guò)建筑物側(cè)面及背面產(chǎn)生負(fù)壓區(qū)，正壓最大處在迎風(fēng)面中心，負(fù)壓最大處在該建筑屋脊和屋角。建筑迎風(fēng)面和背風(fēng)面的壓力差產(chǎn)生自然通風(fēng)，建筑布局、形式以及與風(fēng)的夾角等都會(huì)對(duì)壓力差的大小產(chǎn)生影響。為增加室內(nèi)天然采光，公共建筑立面多為大面積玻璃幕墻，大量的太陽(yáng)輻射熱不斷提高室內(nèi)溫度[3]，僅通過(guò)上述的風(fēng)壓通風(fēng)并不能將這部分熱量帶走。此時(shí)，通過(guò)中庭的合理引入（見(jiàn)圖8），在熱壓作用下產(chǎn)生豎向內(nèi)部氣流交換，彌補(bǔ)風(fēng)壓作用不足，發(fā)揮通風(fēng)換熱的作用。中庭設(shè)計(jì)能改善建筑內(nèi)部的熱環(huán)境，有利于人們的身心健康，同時(shí)也滿足了人和自然親近的需求，提高了居住環(huán)境的舒適度。

4 自然通風(fēng)設(shè)計(jì)的舒適度評(píng)估

焓濕圖反映室內(nèi)的絕對(duì)濕度以及相對(duì)濕度情況，通過(guò)焓濕圖能分析室內(nèi)的環(huán)境情況以及和舒適區(qū)域的差距。圖9顯示的是自然通風(fēng)策略作用下的熱舒適區(qū)域，弧線代表相對(duì)濕度（%），白色線框?yàn)椴捎米匀煌L(fēng)技術(shù)后的舒適區(qū)域，黑色淺框?yàn)樽匀煌L(fēng)區(qū)域。我們發(fā)現(xiàn)采取了自然通風(fēng)（黑色淺框區(qū)域）后可以滿足全年大部分的舒適區(qū)域，其中上海大部分地區(qū)氣候條件可達(dá)到。因此在上海地區(qū)實(shí)施自然通風(fēng)策略改善了夏季氣候的濕熱狀況，提高了建筑物的舒適度。

圖10中的深色區(qū)域代表使用自然通風(fēng)手段之后的焓濕，淺色區(qū)域代表使用之前的降溫潛力。因?yàn)樯虾Ｏ募居休^長(zhǎng)梅雨季，其中七月雨量最大、濕度大，自然通風(fēng)可以在很大程度上提高室內(nèi)熱舒適度。結(jié)合圖9、圖10可以看出，圖9中白色線框和黑色線框重合度較高，說(shuō)明自然通風(fēng)措施效果較好，熱舒適度區(qū)域大;相應(yīng)的圖10中自然通風(fēng)效果各月百分比較高，技術(shù)效果明顯。這是符合實(shí)際情況的，上海位于太平洋西岸，屬于亞熱帶季風(fēng)性氣候，冬季濕冷，夏季悶熱，室內(nèi)熱舒適度體驗(yàn)極差，可通過(guò)除去多余濕度改變?cè)細(xì)夂驐l件，因此，自然通風(fēng)的實(shí)施有利于建筑物熱環(huán)境改善。

5 結(jié)語(yǔ)

好的建筑是藝術(shù)和技術(shù)、感性思維與理性邏輯的完美結(jié)合，受多種因素的平衡和制約。文中風(fēng)環(huán)境分析只是環(huán)境影響因素之一，建筑師需要以人為本，運(yùn)用各種分析手段優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出最優(yōu)的建筑設(shè)計(jì)方案。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：劉聰（1986—），女，江蘇宿遷人，博士，講師，系本文通訊作者，研究方向：綠色建筑。

朱嫻（1999—），女，江蘇蘇州人，本科在讀，研究方向：綠色建筑。

單玥（2000—），女，江蘇泰州人，本科在讀，研究方向：綠色建筑。