基于自然通风目标的建筑设计策略与方法

基于自然通风目标的建筑设计策略与方法

吴昊

众一伍德工程有限公司宁夏分公司  宁夏回族自治区银川市   750000

摘要：在现代建筑中，空调常起到提高通风效率的作用，但其只能缓和室内温度，而不能提高室内空气质量，长此以往，室内环境会变得更糟。与空调等设备相比，自然通风提供了室内外空气的快速交换，改善了室内空气质量，均衡了温湿度，所以在建筑设计中使用自然通风技术具有重要意义。

关键词：自然通风；建筑设计；策略；方法

随着城市的发展与空气环境的变化，需考虑自然通风，以确保建筑的可持续发展。有效的自然通风设计策略将提高室内舒适度，降低建筑使用能耗，实现节能。建筑师必须将自然通风理念融入设计过程中，不断完善自然通风设计方法，从而设计出节能环保的绿色建筑。

一、自然通风的原理

现代建筑的自然通风按动力来源可分为机械辅助和完全自然通风两种模式，其中，机械辅助自然通风是机械动力与温差引起的热压结合，产生内外部空气对流。与完全自然通风相比，即使在建筑局部用作辅助动力的机械装置需一定能耗，该装置也可重新组织气流，并“强迫”气流局部改变方向，从而产生更好的自然通风效果。而完全自然通风是指室外风速形成“压差”，以及建筑表面洞口间位置及温度引起的“温差”，形成的内外部空气流动。根据热力学原理，建筑物内部温度具有逐渐增加的特性，这是建筑物上下温差随层高增加而加剧的原因，而设计师通常用它来挖掘建筑中自然通风的潜力。

二、自然通风形式

自然通风是通过室外风力风压和室内外空气温差产生的热压，促使空气流动，促进内外空气交换。建筑的自然通风可分为四种形式：风压通风、热压通风、风压和热压共同作用、机械辅助式自然通风。

1、风压通风。在风吹向建筑时，建筑物的遮挡会增加迎风面气压，从而在背风面产生一定压差，从迎风面流向背风面气流随机产生。由于这一原理，风压通风能促进室内空气流通，去除室内污染物，降低室内湿热。

2、热压通风。其是自然通风的一种，室内外温差造成空气密度差，导致热空气增加和冷空气减少。根据这一原理，建筑立面上部可开高侧窗。此时，新鲜的室外空气可从正常窗洞吸入，随着热空气上升，室内污浊空气会从高侧窗排出。设计时，可利用如门厅和中庭等竖向空间，较高的层高可满足气压所需高度差，使建筑内热空气与气流一起排出，达到热压通风效果。

3、风压和热压共同作用。实际上，热压和风压往往共存，产生自然通风，但效果不同。进深小空间因室内环境简单，高度差小，形成了风压通风；进深大空间如中庭和天井等满足“烟囱效应”所需高度差，通过使用热压通风能改善室内空气质量。

4、机械辅助式自然通风。大型公共建筑规模大、楼层高，更需自然通风，所以通风路径长，只简单的自然风压及热压通风不能提供良好空气流通效果。设计建筑时，为加快室内空气流通，可通过机械辅助来加速。在一些空气污染严重城市，使用机械辅助通风能提高通风效果，解决了通风问题，还防止了污浊空气进入室内。

三、设计目标

从建筑角度来看，空调改变室内环境会导致能源消耗，运行时产生持续热量，导致热岛效应加剧，增加了能耗，形成恶性循环，会对环境产生恶劣影响。在建筑设计自然通风目标中，有效解决了空调相关问题，通过取代空调减少建筑能耗和碳排放，从而保护生态环境。另外，经调节室内空气温湿度，有效优化空气质量，为人体提供更舒适环境。此外，将主导风向与风速相结合，能有效降低噪声，避免各种污染物的产生。

四、基于自然通风目标的建筑设计策略

1、方案策略。设计时，必须充分考虑自然通风目标方案策略的实现，特别是在形态、界面、开口、屋顶方面。从形态角度看，在建筑群布置方式及建筑物平面形状下，气流可能会发生不同变化，需深入分析风向投射角和室内风速、风场合涡旋关系。对于建筑平面形态，应使用横向舒展平面来提供自然通风，并且建筑纵轴应尽可能垂直于夏季主导风向。建筑内部除满足所有功能要求外，还应尽可能减少通过建筑物的气流路径，确保途中无太多障碍物。从建筑界面来看，以自然通风为目标，设计概念与生物体皮肤有着相同特点，即自动调节，根据室外环境不同变化，集通风、制冷、采暖等功能于一体，以灵活科学调节通风模式。除保证室内舒适度外，还需与外部气候有效结合，方便用户个人环境的自动控制。从开口来看，建筑表面开口位置和面积对自然通风效果有一定影响。通过科学有效设计风口，实现更好的气流循环。实践中，若气流只通过风口穿过，那么气流很难影响其他室内区域，因此要严格设计建筑表面开口位置和面积。在建筑自然通风系统中，屋顶是最重要部分之一，根据实际情况合理设计天窗、烟囱、风斗等，为气流构建有效进出口。另外，还可构建通风屋顶，作为独立通风系统，通风屋顶通常具有空气间层，在热压通气下增加或降低屋顶表面温度，从而影响室内空气温度。

2、设备策略。在一些建筑中，自然通风并不适合每个季节，在某些情况下可能会受到各种因素影响，因而根据实际情况选择有效机械设备，为自然通风提供所需动力。辅助设备的使用可有效优化进入房间空气，提高温湿度，减少噪音和污染物。在设计机械设备辅助系统时，应充分考虑建筑设计和室内荷载等。采用科学有效环保方法，最大限度地满足室内环境要求。

3、控制策略。建筑自然通风在不同季节使用不同策略，且同一天不同时刻使用不同方法。这种应变思想被应用到建筑通风设计，通过改变通风方式及通风量控制引导建筑内热压差气流。这需充分利用技术条件，通过将通风模式与感应器提供的内外气温、风强度、CO2浓度等信息联系起来，来弥补被动式系统的不足，发挥积极调控作用，提高设备利用率，满足不同季节、时段的自然通风需求，实现系统性应变式自然通风。

4、新能源利用策略。利用新能源有两个方面：①以其为动力，强化自然通风；②有利于建筑收集风，并将其转化为建筑直接使用的能源形式。

当前，太阳能被广泛用于强化自然通风，其是利用太阳能加热空气，提高排气温度及热压，增加空气热压驱动力，强化自然通风。方式包括太阳能通风墙、太阳能烟囱、双层玻璃幕墙、太阳能空气集热器等。太阳能强化通风本质仍是基于自然通风原理，但在降低建筑能耗及环保方面优于传统自然、机械通风。

区域风资源及局部通风环境是建筑中使用风能先决条件。当风遇到建筑物阻碍时，风向及风速会变化，产生涡流或角流；在建筑物阻碍或洞口处，因风流截面突然减少会产生狭管效应，形成强大峡谷风或穿堂风。适当条件下，特别是对高层建筑，与风力发电机结合投资成本低、传输路径短、运行效率高。

五、基于自然通风目标的建筑设计方法

基于上述建筑设计策略，为获得更好自然通风效果，还需科学的设计方法，为今后自然通风在建筑设计中的应用提供参考。

1、气候材料收集和分析。建筑设计应充分考虑气候因素影响，不同地区可能有不同日照条件、温湿度、风环境，这些都会影响之后的自然通风效果。所以建筑设计前，要仔细调查地区气候特征，如温湿度、风速、降雨量等，以便获得全面的了解，并尽可能了解该地区气候变化，使设计合理。

2、确定适当通风策略。确定合适自然通风策略前，要考虑不同空间形态对自然通风效果的不同影响。一般来说，自然通风是通过建筑物进深小部分风压实现，而进深大部分是通过热压实现。此外，不同建筑空间形态和自然通风有不同作用关系，所以只有在分析不同建筑空间形态后，才能制定适当通风措施。

自然通风主要方式是使用热压、风压，由于地理与气候因素差异，这两种方式在不同地区使用效果差异大，所以确定具体自然通风方式十分重要。选择一种或两种相结合均要考虑实际情况。若建筑物重心是气密性，则应选择热压通风；若强调除湿，应选择气压通风，以确保气流用于散热。

3、制定模式语言。选择合适自然通风策略后，通过制定模式语言及计算机模拟来模拟、评估其实用性、可行性。应从气候因子转化为建筑设计因子过程开始，包括建筑内外布局、空间特征、场地等，然后将分析结果在模式语言中表示。再用基于流体力学的数值模拟法对数值评估，分析设计方案优缺点，经数值调整达到最佳效果。计算机模拟过程包括五部分：创建数学模型、确定边界条件、划分计算网格、创建方程计算、处理结果。

4、基于气候适应性的策略制定。基于自然通风目标的建筑设计取决于气流运动，设计时以保证良好自然通风效果为核心，结合当地气候因素，考虑建筑采光量和光照时间等因素，在满足通风效果下，更好地满足人们生活工作要求。

综上所述，传统的城市规划与建筑设计注重社会经济关系及区域空间特征，以及功能导向空间美学。建筑设计中为摆脱不利环境限制，基本上放弃了广泛使用的自然通风方式，对气候及环境构成了威胁。而自然通风并不是建筑设计的唯一目的，但它对确保建筑满足审美与功能要求、有效改善建筑性能、提高其舒适度至关重要，是目前建筑设计需考虑的重要部分。

参考文献：

[1]杨铃.对建筑物自然通风设计的探讨[J].建材与装饰，2016(01):26-28.

[2]吴华.建筑设计中的自然通风分析[J].建材与装饰，2018(28):89-90.