隋元強(qiáng)，任 浩

機(jī)械工業(yè)第四設(shè)計(jì)研究院，河南 洛陽 471039

建筑通風(fēng)的目的是提供人們呼吸用的新鮮空氣或在夏季降低室內(nèi)溫度。自然通風(fēng)的建筑可以降低空調(diào)耗電量,進(jìn)而降低生產(chǎn)這些電能的不可再生資源的消耗量和CO2向大氣的排放量;對(duì)人體而言,自然通風(fēng)可減少“空調(diào)病”和各種通過空氣傳播的疾病的發(fā)病率。

1 自然通風(fēng)的原理與模式

建筑的自然通風(fēng)從動(dòng)力來源上可分為完全自然通風(fēng)和機(jī)械輔助自然通風(fēng)兩種模式。完全自然通風(fēng)是由來自室外風(fēng)速形成的“壓差”和建筑表面的洞口間位置及溫度造成的“溫差”形成的室內(nèi)外空氣流動(dòng)。按照熱力學(xué)原理,建筑室內(nèi)溫度有沿高度逐漸向上遞增的特點(diǎn)。該特點(diǎn)是建筑隨層高增加而使上下之間溫差加劇的主要原因,設(shè)計(jì)師也經(jīng)常利用這一點(diǎn),挖掘建筑自然通風(fēng)的潛力。機(jī)械輔助自然通風(fēng)是利用溫差造成的熱壓和機(jī)械動(dòng)力相結(jié)合而形成的室內(nèi)外空氣對(duì)流。與完全自然通風(fēng)相比,雖然建筑內(nèi)局部作為輔助動(dòng)力的機(jī)械裝置要消耗一定的能源,但通過這種裝置重新組織氣流,甚至在局部“強(qiáng)迫”氣流改向,可以使自然通風(fēng)達(dá)到更好的效果。在這兩種通風(fēng)模式中,屋頂都是形成溫差,組織氣流的重要環(huán)節(jié),在整個(gè)自然通風(fēng)系統(tǒng)中起著重要作用[1]。

2 屋頂在完全自然通風(fēng)中的作用

當(dāng)室內(nèi)存在貫穿整幢建筑的“豎井”空間時(shí),就可利用其上下兩端的溫差來加速氣流,以帶動(dòng)室內(nèi)通風(fēng),其實(shí)質(zhì)就是“溫差—熱壓—通風(fēng)”的原理。作為建筑共享空間的中庭就可以勝任這個(gè)“豎井”的職能,一般來說,其所占空間比例以超過整幢建筑的1/3 為宜。這種中庭的屋頂一般都具備兩項(xiàng)性能：1）它們能讓陽光射入中庭,將中庭內(nèi)空氣加熱并產(chǎn)生上下溫差；2）它們是全部或局部可開啟的,在需要通風(fēng)時(shí)能讓氣流找到出口。赫爾佐格設(shè)計(jì)的德國林茨城的HOLZ 大街住宅區(qū),每幢住宅樓的顯著特征是帶玻璃頂?shù)墓蚕碇型ァ＿@個(gè)中庭貫穿建筑五層并稍稍高出兩側(cè)房間的屋面。冬天,陽光透過玻璃屋頂直射進(jìn)來,中庭屋頂?shù)膫?cè)窗關(guān)閉,使中庭成為一個(gè)巨大的“暖房”,到了夜晚,白天中庭儲(chǔ)存的熱量又可以向兩側(cè)的房間輻射;夏天,中庭屋頂?shù)膫?cè)窗開啟,將從門廳引進(jìn)的自然風(fēng)帶著熱量一并排出,使建筑在夜間能冷卻下來。當(dāng)建筑體量小,內(nèi)部的“豎井”空間高度不夠形成有效溫差時(shí),也可以做成沖出屋面的豎向突?？臻g。還有一些建筑以突出屋面的“太陽能煙囪”的自然方式滿足辦公空間的照明與通風(fēng)。這些“太陽能煙囪”的北面為玻璃天窗,天光由此灑向建筑的中心區(qū)域。天窗對(duì)面為自動(dòng)控制的活動(dòng)板,將其打開時(shí),陽光從“煙囪”南側(cè)射入室內(nèi)加熱頂部的空氣,在熱壓的驅(qū)動(dòng)下氣流由外墻的窗戶引入,上升后由“煙囪”排出?？勺鳛椤柏Q井”空間的,除了中庭外,還可以利用建筑的樓梯間。沖出屋面的突兀空間除了做成煙囪外,還可以做成風(fēng)塔﹑風(fēng)帽的形式 。

如何使那些突出屋面的部分在外觀上和屋頂協(xié)調(diào),甚至使其成為整個(gè)建筑造型的亮點(diǎn),對(duì)每個(gè)建筑師來說既是挑戰(zhàn),更是機(jī)遇[2]。

3 屋頂在機(jī)械輔助自然通風(fēng)中的作用

英國諾丁漢大學(xué)朱比麗分校的主體建筑具備兩套通風(fēng)措施∶在室外氣候溫和的時(shí)候,氣流在凹進(jìn)的中庭入口的引導(dǎo)下,經(jīng)過大門口上部開啟的百葉進(jìn)入中庭內(nèi),再由中庭另一端屋頂上的玻璃百葉排出,這時(shí)是完全自然通風(fēng)模式。在酷熱或嚴(yán)寒季節(jié),建筑的門窗關(guān)閉,新鮮的空氣通過屋頂上風(fēng)塔的機(jī)械抽風(fēng)和熱回收裝置被引到風(fēng)道中,然后進(jìn)入各層樓板的夾層空間,進(jìn)而在樓板低壓發(fā)散裝置的輔助下進(jìn)入室內(nèi);而廢氣的排出是通過走道和樓梯間的抽風(fēng)作用,最終又回到風(fēng)塔上部,經(jīng)過熱回收和蒸發(fā)冷卻裝置,最終由風(fēng)斗排出,這時(shí)采用的就是機(jī)械輔助的自然通風(fēng)模式。太陽能集熱片被集成在中廳屋頂?shù)奈鼰釓?qiáng)化玻璃中,其吸收的熱能用于驅(qū)動(dòng)機(jī)械抽風(fēng)裝置[3]。

4 屋頂內(nèi)部的自然通風(fēng)

屋頂除了作為整個(gè)建筑自然通風(fēng)系統(tǒng)的一個(gè)組成部分,利用天窗﹑煙囪﹑風(fēng)斗等構(gòu)造為氣流提供進(jìn)出口外,本身也可以成為一個(gè)獨(dú)立的通風(fēng)系統(tǒng)。這種通風(fēng)屋頂內(nèi)部一般有一個(gè)空氣間層,利用熱壓通風(fēng)的原理使氣流在空氣間層中流動(dòng),以提高或降低屋頂

內(nèi)表面的溫度,進(jìn)而影響到室內(nèi)空氣的溫度。在日本的OM陽光體系住宅中,室外空氣由屋頂下端被吸入空氣間層,并被安裝在屋頂上的玻璃集熱板加熱,受熱后上升到屋頂?shù)淖罡咛?。屋頂最高處設(shè)置了空氣處理裝置,包括空氣閥門﹑熱交換盤管和一個(gè)小型風(fēng)機(jī)。這個(gè)裝置既能將加熱過的空氣通過管道送到建筑的各個(gè)角落,又能將不需要加熱的空氣由排氣管排出[4]。在德國慕尼黑的一項(xiàng)將倉庫改造成設(shè)計(jì)工作室的工程中,原有外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能無法滿足新的用途。建筑師赫爾佐格在室內(nèi)加建了一層包裹住整個(gè)屋頂及大部分外墻內(nèi)表面的薄膜,使薄膜和原有外圍護(hù)結(jié)構(gòu)間的空氣成為一道阻熱層,起到了保溫和熱緩沖的作用。在屋頂上分別設(shè)置了連通空氣阻熱層和室內(nèi)空氣的風(fēng)帽,使這個(gè)簡單的小建筑可自由地選擇機(jī)械通風(fēng),通過室內(nèi)自然通風(fēng)或空氣阻熱層內(nèi)通風(fēng)中的某一種或多種通風(fēng)模式,來調(diào)節(jié)室內(nèi)氣候[5]。

5 結(jié)論

21 世紀(jì)是環(huán)保的世紀(jì),是可持續(xù)發(fā)展的世紀(jì)。降低建筑能耗，使建筑的人工環(huán)境與自然環(huán)境達(dá)到動(dòng)態(tài)的平衡,將是建筑在滿足了基本的使用功能和美學(xué)要求后應(yīng)追求的更高目標(biāo)。屋頂?shù)南嚓P(guān)構(gòu)造和設(shè)備配合建筑的其他圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)造的自然通風(fēng)的條件,使建筑在實(shí)現(xiàn)以上幾個(gè)目標(biāo)方面具有更大的潛力。

[1]宋德萱.節(jié)能建筑設(shè)計(jì)與技術(shù)[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2003.

[2][德]英格伯格·弗拉格.托馬斯·赫爾佐格.建筑+ 技術(shù)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003.