摘要：結(jié)合自然通風(fēng)的基本原理和國(guó)外的一些建筑實(shí)例,分析了現(xiàn)代建筑屋頂在建筑各種自然通風(fēng)系統(tǒng)中的作用,提出了屋頂應(yīng)采取的相關(guān)構(gòu)造措施,以節(jié)約建筑能耗,保護(hù)人類身心健康。
關(guān)鍵詞：現(xiàn)代建筑 屋頂 自然通風(fēng)
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。空調(diào)技術(shù)的產(chǎn)生與成熟,使人們可以在一個(gè)完全封閉的空間內(nèi)創(chuàng)造出一個(gè)獨(dú)立的小氣候,使室內(nèi)的溫度和濕度始終控制在相對(duì)舒適的范圍內(nèi)。但空調(diào)并不是萬(wàn)能的,它在現(xiàn)代建筑
中的廣泛使用所帶來(lái)的負(fù)面影響已經(jīng)引起了人們的警惕,并著手研究相應(yīng)的解決措施。給建筑以適當(dāng)?shù)淖匀煌L(fēng)是減少使用空調(diào)負(fù)面影響的有效方法之一。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(guò)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(lái)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(lái)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(guò)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。
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(lái)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(lái)說(shuō),其所占空間比例以超過(guò)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(yáng)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(guó)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(yáng)光透過(guò)玻璃屋頂直射進(jìn)來(lái),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(lái)。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。位于英國(guó)中部Solihull的一座辦公大樓,以突出屋面的“太陽(yáng)能煙囪”的自然方式滿足辦
公空間的照明與通風(fēng)(見圖1) 。這些“太陽(yáng)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(yáng)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(見圖2 考文垂大學(xué)新圖書館,其樓梯間兼作通風(fēng)豎井使用) 。沖出屋面的突?？臻g除了做成煙囪外,還可以做成風(fēng)塔、風(fēng)帽的形式(見圖3 英國(guó)貝丁頓零能耗住宅屋頂上的風(fēng)帽) 。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(lái)說(shuō)既是挑戰(zhàn),更是機(jī)遇。
3 屋頂在機(jī)械輔助自然通風(fēng)中的作用
對(duì)于很多地區(qū)的建筑來(lái)說(shuō),完全自然通風(fēng)并不是每個(gè)季節(jié)都適宜的;有些建筑受特定條件的制約,也不具備低進(jìn)高出的氣流走廊。這時(shí)的建筑自然通風(fēng)就必須借助機(jī)械裝置的輔助,或者是根據(jù)不同時(shí)段、不同季節(jié)進(jìn)行完全自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)的輪換。英國(guó)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(yáng)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。
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(yáng)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)淖罡咛帯Ｎ蓓斪罡咛幵O(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(guò)的空氣通過(guò)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(guó)慕尼黑的一項(xiàng)將倉(cāng)庫(kù)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(wú)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(jiǎn)單的小建筑可自由地選擇機(jī)械通風(fēng),通過(guò)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(lái)調(diào)節(jié)室內(nèi)氣候。
5 結(jié)語(yǔ)
利用熱壓進(jìn)行自然通風(fēng)的原理雖然簡(jiǎn)單,但選擇具體構(gòu)造或技術(shù)措施時(shí)還需要根據(jù)建筑的功能和地理位置考慮;僅有定性的設(shè)計(jì)還不夠,為了使通風(fēng)起到實(shí)質(zhì)性的制冷或采暖效果,需要對(duì)進(jìn)出風(fēng)口的氣流量、進(jìn)出風(fēng)口開關(guān)的時(shí)間、中庭屋頂?shù)牟晒饬?、機(jī)械抽風(fēng)裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行定量的計(jì)算。這時(shí)往往需要借助風(fēng)洞模型或計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)等方法才能得到精確的數(shù)值。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。