例谈现代建筑的自然通风设计

自古以来,自然通风就是一项改善人与环境的重要技术手段,较其它相对昂贵、复杂的生态技术,自然通风是一项比较成熟而廉价、朴素的技术措施。通过合理的建筑设计,它可在不消耗不可再生能源的情况下降低室内温度、带走潮湿气体、排除室内污浊的空气,达到人体热舒适。它的另一个益处是减少人们对空调系统的依赖,从而节约能源、降低污染、防止空调病。下面对建筑自然通风的设计案例进行探讨。

一、公共建筑的自然通风设计实例

这是一座三层的建筑,是一家电讯公司的总部。建筑采用对称的平面。中心部分设有一个小规模的中庭。或者更精确地说:一个比较大的采光井。建筑使用混合模式,即:人工能源和自然手段相结合的办法来提高能源的使用效率和减少不必要的能源消耗。能源系统包括一个自然通风系统和一个辅助的机械通风系统。自然通风通过中庭的管道效应来实现J建筑顶部设有6个线型阵列的通风塔来强化通风效果中庭和风塔使得建筑总面积的70%都能自然通风。机械通风系统包括位于楼板构造中的散风装置。为了提高通风面积,这一建筑区别于其他建筑常用的在吊顶上设置通风口的做法不使用吊顶而将整个天花作为“通风口”,以使新鲜空气能够快速散发到室内空间各部位,从而减少对机械通风设备的动力依赖。而且这样的设计还可以起到“热飞轮”的作用,在白天迅速带走室内产生的热量,在夜间则缓慢地释放出来。室内因声学需要而配置的声学反射板被整合到照明设备中。

在室外空气温度比较适合的情况下可直接向室内输送在其他情况下则经过人工降温或者加热后再送到室内使用。在屋顶靠近风塔的地方配置有热量回收装置,这一装置可以将空气中的热量收集起来后再排到室外,收集起来的热量可以用来加热即将送入室内的冷空气。考虑到遮光的需要,建筑南侧的窗户上配置有水平的遮阳板,这些遮阳板在建筑艺术上起到强调立面水平伸展感的作用。北立面呈弧形,朝向公路凸起,由多孔砖砌筑而成。这些砖是从废旧建筑中拆下来重复利用的,这也是环保性的手法。

座落于英国伦敦的HELICON更是一个比较典型的例子,这一建筑占据了伦敦一整个街区。包括6层办公室以及其下的5层零售商店(其中两层位于地下)。建筑有非常明亮和轻盈的外表,自然光可以射入其内的办公室建筑的外部最大限度地使用了钢和玻璃这两种当代建筑最流行的材料,似乎并不特别适合可持续发展的目标。但仔细考察这一建筑的能源使用策略,显示出设计者对环境问题和能源效率的认真考虑,因而也使得这一建筑从本质上讲不同于那些一度盛行的“高技派建筑”,建筑没有可以打开的窗户,使用一种综合的空气散发系统和水冷式天花来对室内温度进行调节。水冷的天花板(一般为15°C)安装在金属龙骨上。地板内有送风系统,给室内提供新鲜空气。室外空气可以通过过滤器冷却后进入室内。从每层的高处排出。在冬天.新鲜空气在进入室内之前将和室内排出的热空气(经过滤)混合。在必要的时候.空气可以通过围绕建筑的管道加热后再送入室内。

二、高层建筑的自然通风设计实例

在德国埃森的WEAGHQ大厦中,建筑师英恩霍文及合作工程师发展了可“呼吸的外墙”来平衡热绝缘要求和日光照明、自然通风间的冲突。双层幕墙的外层由1920×3461mm的强化玻璃构成,内侧是两层玻璃,玻璃间有充氦气的隔热层。在内外层之间深度为50cm的空腔中安装有百叶,由80mm宽的铝板制成,可以旋转。百叶被外层的玻璃保护起来,免遭风雨的浸蚀,起到遮阳和热反射的作用。当太阳辐射很强的时候,空腔内气体温度升高,热空气从每层顶部的开口排出带走热量,同时从底部自然地吸入新鲜空气。每个幕墙单元都成为一个个能“呼吸”的肺。而在冬季,当通气孔关闭时,这些空腔中的空气吸收并存储辐射热成为建筑的“棉袄”。

幕墙上安装有一种鱼嘴形的结构,允许新鲜空气从每层楼的底部进入这一空腔,而从顶部的开口排出“鱼嘴”这一精巧的设计创造了一个风压差,可以将外界进入的气流调整到适宜的速度,这在强风天气下尤其重要。而在无风的天气里,“鱼嘴”内外的压力差同样可以吸入相当的空气量。在空腔内外的空气之间气压差促进空气流动,同时将热量从空腔内排放出去。“鱼嘴”的具体尺度随建筑层数的增高而略有不同,以适应不同高度的气压。在发生火灾时,火焰通过各层的窗户垂直或水平蔓延是很常见的,鱼嘴结构能在防止火焰蔓延的同时迅速排出烟尘。

强风会对建筑产生很大的影响,而且在高空,风力往往很强,高层部分的自然通风往往很难。狂风可能吹袭室内,形成紊流和噪音干扰,气压甚至能导致房门打开困难。如果没有特殊措施,建筑高层开窗自然通风是不可能的。埃森的风向主要为南风、西南风和西风,在120m高空风速平均为5m/s。但采用双层幕墙系统以后,外界气流流经空气腔的阻隔和缓冲,可以通过内侧打开的窗户进入室内,创造接近于地面的自然通风效果。

大厦的运营管理系统由计算机控制,该系统根据外界气候变化控制着百叶的角度和通风机械、空调系统的动作。当风速超过标准时计算机系统会发出警报,让人们关闭打开的窗户;而当每扇窗户被打开时计算机系统会立刻知晓并关闭相应房间的通风或空调设施。每个办公室的门边都有一个控制板可以微调灯光以节约电能;也可操纵遮阳板的角度。中央控制系统控制着室内温度,但允许个人有士3°C的调节范围以提高舒适程度。通过这些管理措施和双层玻璃幕墙的自然光照明、自然通风和热绝缘性能,使得建筑的能耗大大减少。RWE大厦总的能源消耗不到同等规模普通建筑的一半,辅助性质的机械通风和空调系统的能耗量比普通建筑减少了30%-35%;自然通风率达到了70%,只是在极端恶劣的天气或者要求很高的局部场合才使用空调。