生态建筑腔体被动式通风策略分析

 李晓丹，李文婧

 （中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院，北京  100083）

[摘要]生态建筑具有有机整体性，所以，被动式通风效果的充分发挥，在整体设计上应关注建筑位置、朝向、形状等；在表皮设计上应关注外墙形式及导风构件等；在室内设计上，对应空气在建筑腔体中循环流动的研究及应用。本文在建筑室内空间环境的研究问题上，将室内空间作为具有有机整体性的建筑腔体考虑，以被动式通风主要作用原理为分类依据，结合典型案例，对以热压、风压为主要驱动力的腔体内部整体通风策略予以梳理研究。

[关键词]生态建筑；建筑腔体；被动式通风

[中图分类号]TU834.3  [文章编号]1002-8498( 2016)10-0060-06

0  引言

 在空前的能源压力、生态压力和社会压力下，未来建筑活动遵循生态原则是必然趋势。生态建筑理论认为建筑同生物一样，与外界进行有机的能量交换，并有高效、低耗地减少自身能耗的趋向，从而借鉴生物的环境适应性策略进行建筑及其建造活动的研究和评估。从建筑的结构关系来看，生态建筑可以分为作为围护界面的“外壳”，即建筑表皮( architectural  skin)及室内空间，即建筑腔体( architectural chamber)。建筑腔体设计是针对建筑内部空间的仿生设计，着重研究通过平衡内部空间构成要素，使建筑在运作机制上与生物腔体相似，从而高效低能地营造具有适宜人居的内部环境的建筑空间。

 研究发现，本质上50%以上的室内环境质量低劣是由于缺少充足的通风。在相对温和气候下，生态建筑可以通过腔体内部被动式通风应对该问题。即通过合理组织室内空间结构引导空气流动，将随季节变化的自然通风与少量经过调节（加热或冷却）的机械通风结合使用。既节约能源，又满足了建筑内环境的2个基本要求：排除室内污浊的空气与湿气；增强人的热舒适度。实践证明，腔体被动式通风与其他策略配合使用时，能够满足冬、夏季室内设计温度分别为19℃和25℃，并使生态高层建筑一般节约建筑生命周期中20%~40%的能源消耗。此外，还有助于缓解长期处于人工封闭环境所致的“建筑综合征”。

 被动式通风效果的充分发挥，在整体设计上应关注建筑位置、朝向、形状等；在表皮设计上应关注外墙形式及导风构件等；在室内设计上，进行空气在建筑腔体中循环流动的研究及应用。目前在国际上，建筑表皮率先得到了深入研究及应用，但对于建筑室内生态空间的研究相对零散。因此，针对腔体内部的热压风压分布、自然通风换气特性，优选对应设计策略，引导风在建筑内部的路径在使用者频繁活动的区域（楼层以上2m之内）；保证室内各处对新鲜空气的最小需求，同时又不导致室内变冷和过多的热损耗。

 本文在建筑室内空间环境的研究问题上，不再延续传统的空间类型分类标准（形式、功能），而是将室内空间作为具有有机整体性的建筑腔体考虑，以被动式通风主要作用原理为分类依据，结合典型案例，对以热压、风压为主要驱动力的腔体内部整体通风策略予以梳理研究。

1  被动式通风原理与建筑腔体通风解析

 被动式通风是指以非机械设备干预为主要手段实现室内空气加强对流的现象。被动式通风是室内外温差形成的热压及室外风压共同作用的结果。主要影响因素包括：进出风口面积、进出风口高度差、室内外温差、通风路径状况等。被动式通风有利于革除传统建筑（以美国高层办公建筑为典型）依赖全封闭外围护体系与空调系统的弊病。但其同时存在压差不稳定的缺点，在组织大体量建筑室内有序气流时，为增加通风效果可控性、延长被动式通风使用时间，在合理设计、引导腔体内气流路径的同时，可以使用简单机械设备辅助自然通风。

 要获得良好有序、随季节自动微调的室内通风，需要遵循被动式通风原理，将室内空间作为具有有机整体性的建筑腔体进行通风系统设计，并将被动式通风主导因素作为建筑物的朝向和布局、通风构件的选择（如风帽、中庭），以及空气进出建筑物途径（通风原则）的主要考虑因素之一。比如，高层中的服务核能起到遮阳与挡风的作用，服务核的布置方式是中心核、两端设置、一端设置，决定了在楼层的哪一部分开窗，哪一部分布置中庭，这影响了整个建筑中气流进入、缓冲、流通的途径。再如，腔体内空气流动路径的组织，可以是集中的，也可以是局部的。集中的入口布置一般需要水平的和（或）垂直的通道、小室等来分配气流到达指定的区域（如中庭及与之相通的走廊）。集中的气流路径有利于预热、过滤和热回收，这些在局部的气流路径中较难实现。另一方面，局部路径一般以模块形式布置，并且组成在室内连通的网络，未来如需改造，这种布置方式有更大的灵活性（如下文案例：西

蒙斯学生宿舍）。

 根据建筑在使用类别、平面构成、使用区域方面的不同，可供选择的通风元素及其组合形式多种多样，其腔体内部通风路径也不相同。即不同的建筑条件，需要采用不同的建筑通风形式。

 尽管被动式通风生态建筑形态繁多．但其依据的通风主导因素具有共性。一般情况下，被动式通风依赖热压、风压的共同作用，但二者总有其一占主导地位。本文以被动式通风主导因素作为划定建筑类型的标准，对大量同类建筑进行通风模式简化，并根据其共性特征进行归类。通过每种类型的典型案例，分析不同内部空间结构辅助通风的方式，从而探讨建筑腔体内部整体通风策略。这是在华中科技大学学者引进并提出的“建筑腔体”概念基础上，进一步研究如何完善腔体建筑的生态运行机制的其中一种方式，即腔体内的自然通风策略。这有利于掌握一些范例性的腔体内部通风手段，有利于进一步提取类型模式，有利于推进建筑室内生态空间的规范化研究和实践。

2建筑腔体通风策略

 建筑腔体通风策略包括以热压主导的被动通风策略、以风压主导的被动通风策略两大方面。

 当被动式通风以热压为主时，进排风口高度差成为影响通风量的主要因素。因此，相对低层建筑，高层建筑可以采用更多通风形式。但低多层建筑结构相对简单，空气流动的途径较易控制，室内各房间也更易接受自然采光和通风。即使在太阳辐射和通风量偏低时，一些地区仍能通过简单机械辅助实现全年无空调的适宜居住环境，如下文案例：色列本一古里安大学热交换实验室多层建筑。

 当被动式通风以风压为主时，建筑布局和进深因素影响通风方式。因此，较狭长或体量较小的建筑物适宜单侧通风和对流通风；平面深度较大的建筑可通过屋面形式（如下文案例：奇芭欧文化中心）或分割体量（如下文案例：蒙特福德大学机械馆）实现被动通风。

2.1热压通风

 热压驱动的自然通风是空气密度不同的2个或者更多区域之间的空气交换，温度差和湿度差都可以导致空气密度的差异，通常以温度差为主。腔体内热压通风方式包括单纯热压通风、以升温方式辅助热压通风和以降温方式辅助热压通风3种。相比风压通风，热压通风提供的换气量更加稳定。

2.1.1单纯热压自然通风策略解析

 单纯热压自然通风无须机械辅助，一次完成后不必随季节交替微调、养护，就能对室内微气候起到一定的改善作用；可结合建筑功能空间，形式多样且较成熟。但如果依赖其发挥更大的调节作用，就需要满足进排风口有效高度差够大、热压压头明显的要求。这就需要增加通风构件的尺寸，从而对建筑外观造成影响，建筑造价也会相应升高。如诺丁汉的英国国内税收中心，利用建筑入口和楼梯间作为热压通风通道，外观就会表现出高耸的烟囱式楼梯间和风帽。由于不能主动调节，单纯热压通风较难满足全年的热舒适要求，一般作为改善室内气候的辅助方法，并可在夜间或季节过渡期等时间段使用。

 实践中，通过增加与外界的接触面积增加换气效果，充分利用“烟囱效应”等自然通风原理，单纯的热压通风也能在一定时段代替机械通风。以美国麻省理工学院西蒙斯学生宿舍（Simmons hall，见图1）为例。

 西蒙斯学生宿舍位于准工业区狭长基地内。基于“多孔形态建筑学”，宿舍被设计成一个具有“渗透性( permeability)”和“多孔性(porosity)”的海绵体( sponge)：立面有5个尺寸夸张的巨大开口，作为走廊、主要的公共活动平台和主人口。剖面镶嵌多个连通顶部大窗户的光井——迷你塔( mini -towers)，每座塔可作为1～2个学生小团体活动场所。宿舍单元具有标准的尺寸，内有9个可开启外窗。

 自由嵌套的“海绵状空间”如同莲藕内的气腔一样，增加并精密控制了与外界进行能量交换的总面积：立面开口引进空气与光照；迷你塔可以增大采光并具有烟囱的拔风效应；各海绵体间由进排风口有效高度差产生明显的热压压头，引起空气流动；气候变化时，人为开关窗户的整体变化结果会与“海绵状空间”一起，对建筑腔体内环境进行实时、微妙的调节。

2.1.2  以升温方式辅助热压通风

 以升温方式辅助热压通风有电机加热辅助热压通风、太阳能辅助热压通风等多种形式；其原理相似，都是以升温方式增加室内温度差，从而增强通风效果，保证室内换气量。以升温方式辅助热压通风可以在通风的同时，可控性地提升室内温度，比较适合气候较寒冷地区或四季分明地区的冬季。以色列本．古里安大学热交换实验室( heat transferlaboratory, Ben-Gurion University of the Negev.) -个内置烟囱和电加热元件的多层建筑为例，它采用电机加热辅助热压通风，结合有利于引导空气自然对流的腔体内部形态，实现了多层建筑全年被动通风和加热的目的。

 如图2所示，由合成金属或石膏成分构成的管道分别安置在南、北墙内部，两者均顶部敞开，底部闭合。南侧管道内置金属管及电机。在建筑物的每一层有2个端口连接内部空间：北侧端口靠近地面，南侧的端口靠近天花板。该系统的运作情况如下：冬季：电机加热南侧管道，热量通过对流从金属管的外表面转移至周围空气，并且通过辐射向周围散失。在管道内被加热的空气向上流动至顶部，并从管道排入室内空气中。热空气从每个楼层的顶部管口流进室内空间，从底部管口流出，形成气流。如果保持空气在内部空间的流速，此建筑内部可以保持20~ 26℃的热舒适温度。夏季：电机关闭，南侧管道内空气受太阳辐射强度大于北侧管道，南侧热空气上升，经由与冬季相反的路径到达北侧管道，完成空气循环的闭合回路，形成微气候，保证夏季通风换气量。

2.1.3  以降温方式辅助热压通风

 以降温方式辅助热压通风有雨水循环辅助热压通风、空调系统辅助热压通风等多种形式，其原理相似，都是以降温方式增加室内温度差、湿度差，从而增强通风效果，保证室内换气量。以降温方式辅助热压通风可以在通风的同时，可控性地降低室内温度，比较适合气候较炎热地区或四季分明地区的夏季。这里以荷兰乌得勒支大学明纳尔特大楼( Minnaert)为例。它采用雨水循环辅助热压通风，以雨水循环作为天然冷媒循环，引导腔体内部空气流向，并增大建筑腔体底部与外部空间温度差及湿度差，取得良好被动通风和降温效果。

 明纳尔特大楼是乌绍夫校区扩建的一部分。该地温热海洋气候与墙体隔热保温的规定标准存在矛盾：过于封闭的表皮使内部灯光、人和设备等所产余热无法及时散失；室内环境具有散热要求。为此，建筑设置了一个位于二层中央的交通枢纽大厅（见图3）。大厅通高2层，中间有- 10m×50m的水池，顶部有5个斜插的泻槽。它将收集的大量雨水经过过滤净化后，从隐蔽于底部的开口处泄入水池。池中的雨水作为“空调系统”的天然冷媒，通过管道穿行于室内；经过白天的“内循环”吸收室内余热，晚上被泵送到屋顶泻槽中，向外散发吸收的热量，冷却之后再排放回水池中，形成降温的“外循环”。管道周围空气与管道中水体存在一定的热量交换，腔体内部各点由于水循环温度由低变高，空气温度也存在差值。气流随着水循环的路线做相应循环流动，形成与外界相通的能量循环。

2.2风压通风策略解析

 风产生围绕在建筑物周围的速度和压力场。风压驱动的自然通风是流场中风速和压力不同的2个或者更多区域之间的空气交换。建筑物周围的压力场一般是由上风侧的正压（速度上递减）以及平行于空气流的正面和下风侧的负压区域来表征（与稳定风速模式相关联的静压比较时）。相应地，腔体内风压通风方式有正压通风和负压通风2种。

 与热压自然通风相比，风压自然通风能提供较大的瞬时通风量，但其风向和风速大小具有不确定性，这使得各个区域的换气量在不同的时刻具有不同的变化规律。因此，可以使用相关软件模拟（如，DeST，COMIS，CFD等），从宏观角度把握腔体内部的空气流动、压力分布和污染物的传播情况，从而更好地构建腔体空间。无论风在腔体内部的流动形式是层流、过渡流还是紊流，其决定因素都是通道形状和压差，所以即使计算机条件不充分，也可以借鉴已有成熟空间形式达到一定的通风效果。有研究表明，如不使用机械辅助，风压通风建筑进深宜小于5倍室内净高；单面通风时，进深宜小于2.5倍净高；外墙最小开口面积宜≥5%。

2.2.1正压通风

 获得单纯正压通风的腔体内空间组织形式相对成熟。对正压通风策略的实践，主要是集中在过滤外部空气，使进入室内的气流较稳定，空气的品质提高；以及通过背风面开口等一系列措施合理组织正压通风，使新鲜气流均匀到达各个主要空间。正压通风对建筑朝向、形状、布局和进深的要求较高。当空气流动大而快时，室内流速也相应变得不易控制。也可以通过建筑群的规划，建筑之间相互遮挡，引导风的流向，从而使某些地段建筑有效利用正压通风。这在我国传统民居密集建造的群体优化效应中已经得到体现。

 在对正压通风的利用方面，建筑表皮研究及应用更为深入（如杨经文的梅纳拉UMNO大厦）。腔体内部的正压通风，一般是利用通过门窗洞口进入建筑内部的自然风形成正压，从而带动室内空气的流动。合理组织横向通风路径，使风能够从迎风面的洞口进入并从背风面的洞口流出，形成“穿堂风”；或与中庭等竖向通风构件相连，使室外风从开口进入并从中庭顶部排出，与建筑的热压通风相结合，有效提高室内通风效果（见图4）。

 通过分析大量个案，将大体量建筑腔体内部运用正压通风，归类为以下2种形式：①将建筑内部划分成一系列的小体块，以蒙特福德大学( MontverdeUniversity)机械馆为例；②将建筑设计成具有统一功能的单元序列，以奇芭欧文化中心( TjibaouCultural Center)为例。

 蒙特福德大学机械馆位于英国莱彻斯特。机械馆一般平面为矩形，进深大，功能多，人工产热多，需要采用大规模空调系统。本机械馆打破常规的设计格局，将庞大的建筑分成一系列小体块。一方面在尺度上与周围古老街区相协调，另一方面在体量上使自然通风成为可能。如图5所示，位于分支部分的实验室、办公室进深较小，利用正压通风；位于中央部分的报告厅、大厅采用“烟囱效应”进行热压通风。

 奇芭欧文化中心位于澳大利亚东侧的新卡里多尼亚Tino半岛，炎热潮湿，常年多风。适用自然通风最大限度地降温除湿。建筑群由10个被称为“容器”( case)的棚屋状单元组成，棚屋共有3种尺寸，组成3组“村落”( village)，一字排开。贝壳状立面正对夏季主导风向，形成正压，而在下风向产生吸力，促进腔体内部空气流动。风由弯曲的外表皮进入，经内外表皮之间的空腔过渡后，从竖直内表皮上的百叶窗进入室内通廊。百叶窗由机械自动

控制，随风力变化开合，动态性调节室温与通风（见图6）。

2.2.2负压通风

 负压通风是风压通风的另一种有效利用方式。由文丘里效应知，当风吹过建筑物时，在建筑物的背风面端口附近气压相对较低，从而产生吸附作用并导致室内空气流动。像飞机机翼飞行原理一样，可以通过建筑物外观坡起等形式，加强腔体内外负压压差，从而增强通风效果。负压通风同样对建筑物所在地的风向、风速及风的紊流度有一定要求，其组织的室内气流会比正压通风稍显稳定。与负压式通风机组配合使用时，可以满足建筑在无风天气时室内环境的要求。

 通过坡起的屋顶造型在背风面形成负压区，能够同时引导腔体内空气横向和纵向流动，从而为腔体内有序气流的组织提供动力。以汉诺威26号展厅( Hall 26 for the Deutsche Messe AG)为例。

 26号展厅位于Deutsche Messe AG贸易团地区，具有适应大跨度空间理想形式的悬挂式屋面结构，以满足空间宽敞、没有支柱、可以进行灵活布置展示区的需要；具有代表性的波浪形屋顶，不仅使功能性空间的高度足以呼应大厅的巨大面积，同时有效引导气流运动，使机械通风被减到最小。

 当风吹向展厅时，受到大体量展厅的阻挡，大部分风由波浪形屋面引导着从其上方通过，此时波浪形屋面背风面附近气压相对较低。流速越快，流体产生的压力就越小，即气压越低。（伯努利定律，即p +pv2/2 +p g h=恒量）在背风面端口处产生吸附作用并导致室内空气向上流动。屋脊上安装有翼片，可根据外界风的方向调整，并防止室内空气回流（见图7）。

 展厅距地4. 7m处设置了专门的玻璃管道将室外空气吸入腔体。凉爽的新鲜空气下沉至使用者频繁活动的区域高度，充分吸收使用者及机器产热上升后，在屋顶背风面端口处负压的吸附作用下，由经过热流运动设计的舒展内部屋面形式加以引导，到达背风面端口处，由此排出腔体。基于动态性、整体性考虑的腔体通风设计使该建筑在空调方面的投资费用节省了50%。

3  结语

 自然风是一个重要的地段环境能源。它能否在生态建筑中得以充分运用，影响到生态建筑的整体运营效果。由于被动式通风主导因素的不同，建筑腔体的通风策略包括以热压主导的被动通风策略、以风压主导的被动通风策略2大方面。根据提供或改善压差的方式不同，再进行具体细分。因为用户接受度具有弹性，加上各通风方式可加以计算机、风机等进行不同程度的控制和辅助，使得各种通风策略的适用范围增大，并可高效混合利用。一般而言，热压作用是相对稳定的驱动力，其中通过升温增大热压压差的方式，适用于有增温除湿需求

的室内环境；通过降温增大热压压差的方式，适用于有制冷加湿需求的室内环境。风压作用随着风向、风速的变化而变化，对腔体内通风换气的供给不够稳定，但能带来较高的瞬时通风量。较常见于位于具有导风作用的建筑群中适当区位的建筑，以及选区于常年主导风向稳定区域的建筑；一些滨水生态建筑也常利用风压通风。近期，在体育场馆、会议中心等易出现通风换气问题的大体量建筑中，出现了许多机械辅助风压通风的实践。具体到使用正压通风还是负压通风，则可视自然风条件、建筑外形与功能能够提供何种压差，使之对腔体内环

境的影响更为有效而定。

 气候虽然是不断变化的，但某一地区的气候有其恒定的变化规律，这使生态腔体被动式通风策略为乡土建筑的进一步发展提供了契机。此外，随着生态建筑向“Eco-Tech”转变的趋势日益明显，借助相关工程技术与计算机技术等的辅助调节，越来越多的腔体建筑将能够更好地完成高能低耗、自觉应变的运营。