厦门地区住宅自然通风节能设计初探.doc

厦门地区住宅自然通风节能设计初探张庆余1，杨荣华2（12. 厦门理工学院建筑工程系 福建 厦门 361024）摘 要自然通风设计是结合气候的建筑设计。是实现建筑节能，创造健康人居环境的有效方法。厦门地区夏季炎热漫长且潮湿，本文在分析研究可借鉴厦门地区传统建筑自然通风设计经验的基础上，总结适应厦门地区住宅自然通风的技术措施。利用厦门地区亚热带湿润型季风气候特点，在住宅设计中充分考虑利用海风自然通风的优越性，以自然通风为主，空调设计为辅的原则，以期对厦门地区住宅自然通风节能设计提供参考。关键词 厦门地区；住宅自然通风；节能设计1 引 言厦门地处我国东南沿海福建省东南部，属夏热冬暖地区，夏季酷热，太阳辐射强烈，69月份的平均气温高于26，7、8月份一般都在30以上。春季，季风由东北转偏南，雨水多，时有连绵阴雨和海雾。由于太平洋温差气流的关系，平均每年要受56次台风的直接和间接影响，且多集中在7至9月份。近十几年来厦门地区空调发展极为迅速，全市居民每百户空调拥有量为150台，新建住宅小区、商品住宅楼有90%的住户装有空调，且一户多机的现象十分普遍，空调制冷设备能效比很低，室内热舒适状况不好，也是造成空气污染的一个重要因素。按照福建省建筑节能“十一五”专项规划要求，新建居住建筑和公共建筑全面实施节能50的设计标准，到2010年厦门地区新建建筑全面实施节能65。迫于能源危机、封闭式空调带来的室内空气品质和居民健康问题以及全球可持续发展的需求，使得自然通风重新得到科学家和其他相关人员的高度重视，把自然通风这一传统建筑生态技术重新引回现代建筑中。厦门地区为亚热带湿润型季风气候，全年主导风向为东北风,夏季东南风,平均风力34级。设计考虑把夏季及过渡季节早晚沿海温度较低时的湿冷空气吹入城市，以及午后时有雷雨调节等特点，在住宅设计中充分利用海风的自然通风优越性，按自然通风为主，空调为辅的原则，使夏季大部分时间达到室内热环境舒适温度，可将空调运行时间最短、运行能耗降到最低。有效的控制住宅自然通风，已成为住宅节能设计的重要一环。2 可借鉴的若干自然通风设计经验与策略21 借鉴闽南传统建筑的设计经验2.11 闽南传统民居建筑的自然通风闽南传统民居建筑是其对自然环境和气候条件所做出的独特解答，其生态建筑经验历来为建筑界所重视。适应自然的传统建筑技术是经过长期的摸索而逐渐演变成形的，虽然没有现代技术的华丽外表，但其朴实的内容却包含了许多现代技术原理。传统民居建筑在选址、朝向、平面布局、空间组合、建筑用材、构造处理等方面，处处体现出以最简洁灵巧且经济的方式对自然的适应性。闽南地区夏季的炎热的环境，使通风隔热成为当地建筑适应居住的首要条件。建筑布局须满足有风的风压状态和无风的静风状态两种情况下的通风要求，闽南民居多为梳式布局，其南北向主要通道在风压状态下正好迎向夏季主导风向东南风。在静风状态，狭窄的巷道有效地避免了炎热的太阳长时间直射，使巷内空气能保持低温形成负压。而大面积的屋顶和建筑内天井热空气形成正压，促使空气由负压向正压区产生流动，形成内部通风的小环境。用现代建筑热环境技术的观点来审视，这是人们在掌握气候等自然条件特点的基础上，巧妙地运用了烟囱效应原理、相变蒸发吸热原理、土壤蓄热原理、太阳能利用原理以及地表风向风速的随机分布原理等，通过建筑空间与平面、院落与建筑体形的合理布局，室内外空气流场的合理组织.不同空间温度场的合理分布和沿纵向的分层控制等措施来实现舒适节能的建筑热环境。如闽南地区的官式大厝和手巾寮等民居通过“天井”、“厅堂”、与“巷道”一起形成室内气候的自我调节模式，构成完善的自然通风体系。2.12 骑楼、外廊式建筑骑楼在20世纪初由东南亚传入我国，现今大多集中在华南地区、沿海及厦门地区，这些地区一般气温高、强光照、湿热、多雨、多台风。为避免气候造成人们活动上的不便，于是提供一个遮阳避雨以及便利人们户外活动的场所。厦门传统外廊式建筑。这种在简单盒子似的建筑周围包上单外廊或多边外廊的做法，是19世纪中叶西方人在亚洲殖民地的创造。当时，厦门、香港、上海等国际商贸都市的外国商馆、住宅广泛采用。为了防暑而设外廊，这是当时殖民者对付南方暑热气候的做法。“为了挡住夏天的阳光，尽可能保持室内阴凉，泥墙或本地砖砌至少3英尺厚，外面粉刷得雪白”。外廊建筑之所以能在某一特定的历史时期产生，是由于外廊可以遮阳挡雨，还可以把炎热的空气经过外廊过虑变得清凉，起到调节小气候的作用。外廊为室内空间的一部分，房间与外廊之间的窗可做成落地窗，使空气自由流通，落地窗外侧的木百叶门既遮阳避免太阳直射，同时能调节风向及风的流速。2.2 借鉴仿生学的建筑设计策略建筑的一个最直接目的，就是要创造一个有效地抵御外部气候不利影响的室内舒适环境。建筑仿生学认为:人类在建筑上遇到的所有问题，自然界早就有了相应的解决方式。这是由于生物体在长期的自然选择下，必须进化出高效低耗、自觉应变的生命保障及调节系统2。在生物界，由于环境和自然力的作用，生物体在长期的进化过程中形成了适合其生存环境的种种应对策略是值得我们借鉴的。如采用结构上与生物腔体相似、具有微气候调节功能的中庭、天井、拔风口等内部空间；参考生物表皮机能，发展和完善建筑围护结构，使其既能得到充足的新鲜空气和光线，又能创造有良好节能效果的室内热环境3。3 适应于厦门地区住宅自然通风的若干技术措施 对于厦门地区住宅自然通风而言，节能的关键体现在，一是建筑外环境的改善，夏季及过渡季节促进自然通风以及夏季热岛效应的控制；二是建筑主体节能，包括遮阳、隔热、通风、保温等构造节能。在住宅设计时应遵循整体优化设计，包括小区规划设计、建筑单体设计、建筑细部构造、环境控制系统和全过程控制的原则。3.1 住宅规划节能合理布局 住宅区规划应从建筑选址、功能分区、建筑和道路布局走向、建筑朝向、建筑体形、绿化、建筑外部环境构成等方面进行综合研究，以改善小区的微气候环境，进而改善室内热环境，达到住宅节能目的。应用“主导风向原则”进行城市规划和布局，是我国城市规划的一个基本原则。首先在朝向上尽量让房屋纵轴垂直厦门地区夏季的主导风向。此外，在确定好建筑朝向后，还要特别注意建筑物之间应具有较合理的间距，才能组织好室内的通风。对于建筑群体，若风沿着法向吹向建筑，避免背风面形成很大的漩涡区和死角，如果另一栋建筑物处于前面建筑的涡流区内，是很难利用风压组织有效的通风的。为了消除这种影响，群体布置中的建筑法线应该与风向形成一定的角度，以缩小背后的漩涡区。由于前幢建筑对后幢建筑通风的影响很大，因此在整体布局中还应该对建筑的体型，包括高度、进深、面宽乃至形状等实行一定的控制。3.2 结合夏季主导风向优化单体建筑设计住宅小区规划节能设计，可以为住宅提供一个自然通风的良好的外在环境。而住宅是否节能还是由住宅本身属性，包括建筑外形、建筑朝向、建筑围护结构设置，如窗墙比、围护结构热惯性等因素所决定。室内不设和少设隔墙对组织穿堂风有利。321 住宅门窗作为建筑进出风口的优化设计房间的相对位置、门窗开口大小等，直接影响到风速和进风量。开口位置和面积设置恰当，可保证室内的气流达到一定速度和流场的均匀4。一般来说，进风口直对着出风口气流容易直通。然而，除非进风口开得很大，否则房间内其他地方很难受到气流影响。开口的相对位置对气流路线起着决定作用。进风口与出风口宜相对错开位置，如果进、出风口错开互为对角，气流在室内经过的路线会长一些，影响的区域会大一些。若进、出风口相距太近，可能会出现气流短路或偏向的情况，室内的通风效果变差。如果进、出风口都开在负压区墙面一侧或整个房间只有一个开口，则室内通风状态较差。如图3所示。如果进出风口面积相等，开口越大，流场分布的范围就越大，越均匀，通风状况也越好；开口小，虽然风速也相对加大了，但流场分布的范围却越小了。根据测定，当开口宽度为开间宽度的1/32/3，开口的大小为地板面积的15%25%时，室内通风最佳5。对于厦门地区而言，尤其要注意控制窗户的可开启面积，否则过小时严重影响房间的自然通风效果。近年来，为了片面追求窗的视觉效果，外窗的可开启率有逐渐降低的趋势，有的甚至不足外窗面积的25%，导致房间的自然通风量不足，不利于房间散热，居住者只能选择开启空调降温。因此，建议在设计过程中，可参照夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准中可开启的外窗面积不小于房间地面面积8%的要求来控制外窗的可开启面积，以实现减少空调设备的运行时间，达到节能的目的。（a） (b) (c) (d)图3 住宅开口位置对室内气流流畅的影响Fig.3 The influence of the opening location on airflow3.2.2 合理设计房间窗户的开启方式房间窗户的位置及其开启方式对室内的通风有很大影响。对于水平推拉窗，气流顺着风向进入室内后，将继续沿着其初始的方向水平前进，这种窗户的最大通气面积为整个玻璃面积的1/2。如果用立旋窗，即可调整气流量及气流的水平方向，如用外开的平开窗，则可通过采取不同的开启方式，如两扇都打开、仅打开逆风的一扇或顺风的一扇，起调节气流作用。对于上悬窗，只要窗扇没有开到完全水平的位置，则不论开口与窗扇的角度如何，气流总是被引导向上的，所以这种窗户宜设于需通风的高度以下。如果用百叶窗，则根据百叶片的倾斜角度可以引导气流方向。改变窗扇的开启角度主要对整个房间的气流流畅及气流速度的分布有影响，而对于平均速度的影响则很有限。从窗口将气流引导向下，则可显著地增加主气流流道上的速度。3.3 利用建筑构造导风利用建筑构造导风是指构造设施以及装备对建筑物自然通风效果的影响。这在厦门地区非常重要，住宅设计中屋顶、外墙的隔热和外窗的遮阳主要用于防止大量的太阳辐射得热进入室内，而房间的自然通风可有效带走室内热量和湿气。3.31 合理设计挑檐、遮阳挡风板当房间的朝向位置不能很好地利用当地的主导风向进行通风时，可以设置一些不同形式的遮阳板或迎风墙等，如图4所示，设法把风引到房间里去。图4 挑檐、遮阳通风Fig.4 Ventilation of Eaves and sunshade332 利用高窗或百叶由于自然风变化幅度较大，在不同季节、不同风速、不同风向的情况下，建筑应采取相应措施、合适的建筑构造形式以及可以开合的气窗、百叶来调节室内气流状况。如图5所示。4 结 语 “适应和利用当地气候的有利因素，改善和控制不利因素”，体现了建筑适应气候的设计理念。笔者分析借鉴厦门传统建筑自然通风设计经验和建筑仿生学策略，利用厦门地区夏季优越的亚热带湿润型季风气候，提供了对厦门地区炎热夏季及过度季节自然通风在住宅规划、单体设计、建筑细部构造与气候相适应的节能技术措施与科学认识。为实现厦门地区夏季住宅自然通风节能提供设计思路。图5 利用高窗来加强室内自然通风Fig.5 Strengthen indoor natural ventilation using high window 参考文献1杨晖绿色建筑中的自然通风节能与环保，2003，（5）： 37-39 2吕爱民技术视野中的生态建筑形态演进D上海：同济大学，20013李钢，吴耀华等从“表皮”到“腔体器官”建筑学报，2004，（11）：33-354江亿，林波荣，曾剑龙等住宅节能 北京：中国建筑工业出版社， 20065蔡立宏现代建筑设计中的自然通风山西建筑，2006，32（11）：15-16Research on residential natural ventilation design of energy -conservation in Xiamen areaAbstract: Natural ventilation design is the building design of combination climate. It is the effective method that building energy-conservation and healthy person house environment are realized. In Xiamen area, summer is scorching and moist, technology of nature ventilation is summarized in this paper, according to analysis and research basic principle, as well as the foundation of referring to some traditional building natural ventilation design in Xiamen area. Making use of subtropical moist monsoon climate characteristic in Xiamen area, and considering fully the superiority that uses natural ventilation of sea wind in residence design, according to the principle of giving first place