一般建筑的自然通风与自然采光

一般建筑的自然通风与自然采光

2015年4月26日

摘要

本文以“绿色建筑”为主题，引出“一般居民建筑的自然资源利用”中的一些问题。在本文中就着重讨论此项问题。面对今天城市环境、周边生态、自然环境每况愈下的情形，发展可持续性的建筑已经成为了时代的必然。“节能”是绿色建筑的一大核心。在本文中，我将焦点放在“自然通风”与“自然采光”上，着重解决这两个问题。本文的所有能源利用方案为纯自然方案，及不使用任何额外的能源。经过研究最终设计出了天井建筑、点式建筑以及板式建筑的自然通风与自然采光方案。

关键词

绿色建筑；自然通风；自然采光

1 问题的提出及意义

中国目前处于建设鼎盛时期，每年建成的房屋面积高达16~20亿$m^2$ 。中国在快速发展的同时，很多能源的弊端就会显现出来了。目前我国城乡既有建筑约400亿$m^2$（其中城市约140亿$m^2$），其中只有3.2亿$m^2$的房屋是节能建筑，所占比例不到1％。我国单位建筑面积能耗是发达国家的2～3倍。目前我国每年建筑能耗达3.76亿吨标准煤，占全社会终端能耗总量的27.6％，而建筑能用对全国温室气体排放“贡献率”就达到25％。我国目前处于建设鼎盛时期，每年建成的房屋面积高达16～20亿$m^2$，超过所有经济发达国家年建成建筑面积的总和，而97％以上是高能耗建筑。我国建筑能耗总量也呈逐年上升趋势，在能源总消费量中所占的比从20世纪70年代末的10％上升到近年的27.6％。

建筑耗能与工业耗能、交通耗能一起构成我国能源消耗的三大部分，地球上的资源与能源正在加快减少，减少建筑耗能迫在眉睫。因此，我提出了“绿色生态建筑的设计理念”的观点，希望我们的城市今后能多一些绿色，少一分现代化，多一分自然，我们的城市能变得更加美丽。

经过了实地访问与考查，相关图书资料的查找，网络信息的浏览，以及调查、分析、研究部分现有建筑、地下通道、隧道等，我得出了“绿色生态建筑的设计理念”的论文。

2 应持有的设计理念

2.1 自然利用

2.1.1 一般建筑的自然通风

2.1.1.1 实现自然通风的方法

一是利用风压实现自然通风（图1），自然通风最基本的动力是风压和热压。在具有良好的外部风环境的地区,风压可作为实现自然通风的主要手段。在我国大量的非空调建筑中,利用风压促进建筑的室内空气流通,改善室内的空气环境质量,是一种常用的建筑处理手段。风洞试验表明:当风吹向建筑时,因受到建筑的阻挡,会在建筑的迎风面产生正压力。同时,气流绕过建筑的各个侧面及背面,会在相应位置产生负压力。风压通风就是利用建筑的迎风面和背风面之间的压力差实现空气的流通。压力差的大小与建筑的形式、建筑与风的夹角以及建筑周围的环境有关。当风垂直吹向建筑的正立面时,迎风面中心处正压最大,在屋角和屋脊处负压最大。另外,伯努利流体原理显示,流动空气的压力随其速度的增加而减小,从而形成低压区。依据这种原理,可以在建筑中局部留出横向的通风通道,当风从通道吹过时,会在通道中形成负压区,从而带动周围空气的流动,这就是管式建筑的通风原理。通风的管式通道要在一定方向上封闭,而在其他方向开敞,从而形成明确的通风方向。这种通风方式可以在大进深的建筑空间中达到较好的通风效果。

二是利用热压实现自然通风，自然通风的另一原理是利用建筑内部空气的热压差——即通常讲的“烟囱效应”来实现建筑的自然通风。利用热空气上升的原理,在建筑上部设排风口可将污浊的热空气从室内排出,而室外新鲜的冷空气则从建筑底部被吸人。热压作用与进、出风口的高差和室内外的温差有关,室内外温差和进、出风口的高差越大,则热压作用越明显。在建筑设计中,可利用建筑物内部贯穿多层的竖向空腔-在夏季,可将挡板滑向上方,就像是大型的上下推拉窗。这样,经过水面冷却的冷空气便可从玻璃墙面下部吹人“拱廊”内部,而室内的热空气则由玻璃墙面与屋顶的接合处缝隙中排出。除此以外,地板下还设有调节室温的水冷系统,调节过程中被热空气加热的水在晚间则可向室内补充热能。

三是机械辅助式自然通风（图2、图3），在一些大型建筑中,由于通风路径较长,流动阻力较大,单纯依靠自然风压与热压往往不足于实现自然通风。而对于空气污染和噪声污染比较严重的城市,直接的自然通风还会将室外污浊的空气和噪声带人室内,不利于人体健康。在这种情况下,常常采用一种机械辅助式的自然通风系统。

2.1.1.2 设计建筑的自然通风（水平气压梯度力）

建筑设计，是一个建筑生命的起点，就好比名字，是我们生命的起点一样，有着极其重要的意义。想要建造一个好的绿色建筑，首先就是设计一个好的方案。一般建筑分为天井建筑、点式建筑和板式建筑。

一、天井建筑，是通风比较差的一种建筑结构。大学校园里为了节省建筑用地，因而经常性的会修建一些天井式宿舍，充分利用土地，应为这种环形天井式建筑，可以在环形过道两侧都可以修剪房屋隔间，既能保证房屋隔断的数量，又能保证每个房屋隔断都有窗户，不会出现“黑屋”（与建筑外部不相通）的情况。可是这样一来，会严重的影响到各个房屋的通风，尤其是窗户靠天井的房屋，通风型最差。

从图4可以看出，天井建筑内部很难产生较小的气压，不利于其通风。但我们可以借鉴一下“福建土楼”的结构设计。土楼的采光和通风主要依赖楼正中的天井以及二层以上的各家窗户，天井的大小很有讲究，天井过小，就会显得拥挤，因为这里是平时公众活动的场所；天井过大虽利于通风采光，却又不利于冬天防寒保暖。为了增加通风和采光，有些土棱在三层以上的楼梯拐弯处再加开窗户，以承启楼为例，楼总共四囤，每圈高低不等．除了第二环是两层外，三、四环都是一层，房与房之前也都留有一定的间隙。房间不会互相挡光。底层屋内环的房屋朝内的一面椰有大窗，窗对面就是宽敞的内通廊廊道、过道，门厅等，这样，就不会影响土横的通风和采光性。圆形土楼是一个360度的圆周，每一个开间的面积和采光通风都大致相等，这样比常规形状的民居建筑更有优势，也成为福建客家人推崇圆形土楼的重要原因。首先，我们要因地制宜，找到该地区的“风向玫瑰图”。再来，我们就可以根据风势来设计“天井建筑的通风”。

如图5所示，要加强天井建筑的通风效果，必须在隔一定距离开通透窗（即能连接天井内部和外部），天井内部形成高气压，与天井上部低气压产生气压差，使天井内部气体产生向上升的趋势；天井同水平外部为低气压，天井内部为高气压，这样则又产生了一个气压差，而这两个气压差全部是由天井向外流动，这样就能增加天井气流的流动，而且使通窗自然通风，达到换气的目的。

二、点式建筑的通风效果，要略好于天井建筑，一般来说，点式楼为一层4户或8户，这样能保证每户都能实现两个相邻垂直方位的窗户（东南角、西南角、东北角或西北角），实现通风。为了加强点式楼建筑的通风，我们可以改造楼梯间的结构，是楼梯间作为每户的一个“通风媒介”（图6）。

楼梯间的设计，要保证两个相对方向相同，且两处通风口都必须在建筑“凹口”出，这样，当遇上水平风时，“凹口”处空气流动速度相对较慢，因而产生高气压区，是楼梯间的两处通风口为出风口，这样就能够使风进入每户房间中。

三、板式建筑，比起天井建筑和点式建筑，有着最好的通风结构，板式楼只有南北式板式楼，这种建筑结构，通风极佳，但也是土地利用最低的一种建筑结构。将板式楼稍加改动，就能够弥补一些土地利用率低的问题。

这是一种最简单的板式楼结构示意图（图7），原先的板式楼，几乎无不采用这种结构。但是久而久之，我们会发现这种结构也存在着东、西风下，通气不顺畅，以及土地利用率低的问题。一般来说，板式楼为了良好的采光，无不都采用正南北通透的设计，但如果遇到东风或是西风，板式楼南、北窗的气压几乎相等，也就不利于建筑的通风。

进而，板式楼建筑演变出了稍许变化的结构：

弧面型板式结构建筑（图8）与凹凸型板式结构建。弧面型板式结构建筑，采用圆弧形设计，能够在一定程度上加大建筑利用面积，同时，也能比较好的使建筑楼体保持自然通风；凹凸型板式结构建筑，可以充分的调整建筑室内的特定通风情况，一般将厨房放在“凹槽”中，将休闲阳台或是生活阳台、客厅以及餐厅放在“凸起”部位，实现全天候的建筑自然通风。

比如“标准层平面图”（图9），餐厅与客厅实现了南北通透。辅卧与主卧也实现了自然通风。

由此得出，设计建筑的自然通风，要因地制宜，根据该地区的“风向玫瑰图”和要求的建筑样式，来选择并设计适合该区域的建筑通风结构。

2.1.1.3 地下建筑的自然通风（地下车库自然通风）

地下空间作为城市空间的一个整体，在城市发展的过程中起到越来越重要的作用，但是它相比于地面建筑也有其先天不足的方面。空气环境是困扰地下建筑发展的一个难题。为了改善地下建筑室内空气环境，大多采用机械通风的方式，这将使整个地下建筑中的运行能耗费用大幅度提高。在提倡可持续发展和生态建筑的今天，地下建筑的生态化和绿色化成为一个不可回避的话题。在一般建筑中，我重点说明“地下车库的自然通风”的问题。汽车尾气一氧化碳和硫化物是解决地下车库通风的首要问题。和上文建筑上层的自然通风原理类似，可以采用一下方法：

一、研究该区域的“风向玫瑰图”，根据地理条件，尽可能的将两个出入口对向峰值方向，类似于南北通透的板式楼一样实现自然通风。但这种通风效果，只能带动两出入口中间的地带换气，对更进深的地方，几乎没有通风的效果。

二、对于一般建筑来说，底下停车库上层紧贴图地表面，且地下停车库的建筑面积要远大于地上建筑的建筑面积，且一般来说，建筑周边一定范围是绿化区域，所以我们不妨可以开地上天窗，实现底下车库的自然通风。

如图10所示，ρ(空气)≈29(平均相对空气质量)，而汽车尾气首要要害气体CO的相对分子量为28（碳C-12,氧O-16），几乎相同；而一般来说，外部空气温度大于地下车库的温度T2，即T1＞T2。所以ρ(底下车库)＞ρ(地表空气)，不利于气体的自然上升。所以自然通风就要将水平风变向为垂直风，产生升力，这可以借助到自然水平风扇，来实现。