建筑气候缓冲空间的设计研究.doc

建筑气候缓冲空间的设计研究 【摘要】气候缓冲空间是建筑内部与外部环境之间的过滤空间，其目的是利用可再生能源促进建筑外部与内部之间的气候要素交流，满足建筑使用者的舒适要求。运用间接获得热和间接除热的原理分析基于太阳能的缓冲空间设计方法，运用热压原理分析基于自然通风的缓冲空间设计方法。.【关键词】缓冲空间、气候、太阳能、自然通风 长期的生活实践，人们总结出了适应不同气候条件的建筑空间布局形式和它们的不同组合关系。运用开敞的或封闭的，室外的或半室外的，大小高低等不同空间形式来组织自然气候，以改善和调节建筑室内的气候环境。如传统的四合院形式，尽管它受到一定的文化制约，而且南北方的处理方式不同，但其内庭空间调节气候的基本功能是相似的;西亚(伊朗、伊拉克)的传统通风塔，可把外部高达50度的气温下降到室内的20度左右。这些传统的居民形式利用建筑空间来调节室内环境微气候的特点，随着人们对自然能源利用的关心而急速受到注目和研究。1气候缓冲空间的基本概念增强使用者与自然的沟通是当前生态建筑空间设计追求的主要目标。建筑空间不应是隔绝人类与自然环境的厚重屏障，而应作为联系使用者与自然环境的桥梁，尽可能多地将自然环境引到使用者的身边。然而，要达到使用者与自然的沟通，并不意味着我们要把人工环境完全敞开面向自然，走极端，因为气候条件并非都对人有利，人对环境都有其特定的要求，需要一定的舒适度。为此，必须妥善安排、恰当选择自然环境中对我们有利的气候因子，而对于我们无利的因子加以屏蔽，即用其有利的一面，舍其不利的一面。究竟怎样恰当地处理这些环境问题来创造一个舒适的内部气候环境，成为生态建筑设计的目标之一。为达到这一目的，可以运用介于室内外环境之间的建筑空间，利用可再生能源来协调人、建筑和自然环境的相互关系，争取为建筑系统提供良好的微气候环境，满足使用者的各种气候舒适要求，减少人工环境对不可再生能源的需求。因此可以这样定义建筑气候缓冲空间:在特定的气候地域环境中，利用不可再生能源对外界自然气候要素的利用和缓解的建筑空间，为建筑提供良好的室内气候环境。气候缓冲空间的特点表现在两个方面:第一，气候缓冲空间是建筑系统和周围环境之间的过滤空间，能有选择地滤去不利于人体气候舒适感受的各种输入.促进有利于改善人体气候舒适感受的各种输人;第二，建立气候缓冲空间的目的是为了减少不可再生能源的消耗，通过可再生能源的利用来促进建筑系统内部环境和外部气候环境系统之间的能量和物质交流。如借助被动太阳设计原理，可以促进冬季太阳辐射的利用，借助风压和热压原理，控制建筑的热工和自然通风性能等。气候缓冲空间存在于建筑物与周围生态环境之间，从生态建筑学的范围来看，气候缓冲空间的尺度边界上是开放的，其范围在很大程度上依据人们所研究的对象、内容、目的或地域时空条件等因素而确定。从结构和功能完整性的角度看，它可以涉及到全球、地区、社区和单体建筑及建筑细部等多个层次，因此气候缓冲空间可以是任何空间，本文所研究的气候缓冲空间主要是以单体建筑本身围合的空间。2基于太阳能的缓冲空间设计方法气候缓冲空间主要是外部环境与缓冲空间相交的面外皮，和室内环境与气候缓冲空间相交的面内皮所包围的空间。通过外皮可控制室外环境气候要素进人缓冲空间的量和时间;内皮主要是调整、控制缓冲空间内的气候要素进人室内的量和时间。按照被动太阳能辐射的供热、供冷、蓄热原理，通过气候缓冲空间的调节，可使日光、热冷空气仅在有益时进人室内，防止极端气候条件对建筑使用者的不舒适影响。2. 1间接获得热把气候缓冲空间接受的太阳辐射热能分不同时间导人室内的方法。此时，气候缓冲空间内皮作为蓄热介质，一般由实体墙(砖或混凝土)、窗、门组成。当阳光十分充足时，气候缓冲空间内的空气温度升高，多余的热量可储存在内皮上具有热质量的实体墙上;到了晚上，这些热能将被缓慢放出来，从而保证气候缓冲空间的温度不至于在夜间太低。同时，用户可依据需要开启内皮上的门、窗，把气候缓冲空间内的热量引人到室内，这些门、窗应具有良好的密闭性能和保温性能，保证气候缓冲空间与室内的热交换的有效性。根据当地气候和住户的需要，正确选择具有良好的蓄热介质，使其储存足够热量是间接获得热设计的关键。许多建筑的墙体为砖块或混凝土，是非常好的吸收多余太阳辐射热能和稳定室内温度的蓄热介质，也可根据经济条件和需要，在内皮上贴保温材料，如板状泡沫保温材料、石膏板等，表面刷上较深的颜色也有利于吸收太阳辐射热能2.2间接除热法不使热量导人室内的降温方法，主要是利用辐射冷却的原理。用气候缓冲空间内皮上的蓄热介质储存自天的太阳热量，避免气候缓冲空间过热;在夜间则将太阳热量缓慢放出，此时气候缓冲空间外皮上的窗开启，放出的热量被夜间的凉空气冷却.达到降温的效果，这种方法在昼夜温差大的地区有效好的效果。当前的住宅阳台被封闭，实际上就成为了住宅内部环境与外部环境的气候缓冲空间，自然界的冷热变化经过封闭阳台的缓冲，改善了室内的热舒适环境。按照间接得热原理，需在阳台空间内增加蓄热量大的材料，地板宜用石材，甚至可铺卵石，阳台空间的墙体宜用砖或混凝土等贮热量大的材料构成，还可附加设置蓄热板，达到在气候寒冷时能有效地蓄存太阳能并使之得以分配;在夏季则需在封闭阳台的外皮上开设进出风口，利用间接除热降低封闭阳台的温度。3基于自然通风的缓冲空间设计方法自然通风(或机械辅助式自然通风)是当今生态建筑所普遍采用的一项较成熟且经济的节能技术措施，自然通风可以在少消耗不可再生能源的情况下降低室内温度，带走潮温气体，达到人体热舒适，减少能耗，降低污染，实现有效被动式制冷;另一方面自然通风可以提供新鲜、清洁的自然空气(新风)，有利于人的生理和心理健康。建筑的自然通风主要是利用风压原理和热压原理，其中人们常说的“穿堂风”就是利用风压在建筑内部产生空气流动，风压通风的前提条件是建筑有较理想的外部风环境，室内外之间存在压力差;自然通风的另一种机理是利用空气的热压原理，即平常所讲的“烟囱效应”。热空气(比重小)上升，从建筑上部风口排出，室外新鲜的冷空气(比重大)从建筑底部被吸人，室内外温度差越大，进风口与出风口高度差越大.则热压作用越强。在许多情况下，由于自然风向的不稳定，或由于周围高大建筑、植被的影响，建筑周围形成不了足够的风压，这时就需要利用热压原理来加速自然通风。建筑的中庭、竖向楼梯间和管道等，竖向高度大，能产生较强的烟囱效应，运用热压原理将这些空间设计成气候缓冲空间，增强建筑内部空间的自然通风效果是可行的。高层建筑因受高空强风影响，建筑表皮一般采用全封闭式，需要消耗大量的不可再生能源并引发空调病等问题，这是与可持续发展观念相违背，由此也就引发了如何使高层建筑设计结合自然、降低能耗以及改善室内气候环境，即开展绿色高层建筑设计的探索。中庭空间的引人是解决上述问题的有效途径之一。中庭空间由于竖向高度较大，具有明显的空气垂直分层现象，所以往往是污染空气上升，可在中庭屋顶上设置出风口：新鲜空气从建筑底部进人，并利用土壤、树林或水体的相对低温降低空气温度。此外，利用伯努利效应，将中庭断面按文丘里管渐缩原理设计，可强化通风效果。因为随着截面的变小，断面内自下而上的空气流速增大，从而加大了中庭与周围房间的空气压力差，有利于组织通风。 基于太阳能的气候缓冲空间设计与基于自然通风的气候缓冲空间设计只是从两个方面来论述气候缓冲空间的设计方法，事实上二者是紧密相关的。一个良好的气候缓冲空间的设计一般会同时采用这两种方法，只是侧重点不同，基于太阳能的气候缓冲空间需要空气的流动(通风)来传递能量，而基于自然通风的气候缓冲空间需要太阳能来加热空气促进热压力的形成，当前出现的双层表皮形成的气候缓冲空间是这两种设计方法相结合的最好典范。利用双层玻璃作为维护结构，玻璃之间留有一定宽度的通风道，从而形成气候缓冲空间。在冬季，主要是基于太阳能的气候缓冲空间，产生温室