建筑物理第5章5建筑围护结构与自然通风

第7讲：第5章：

5.4-建筑围护结构与自然通风1本讲主要内容：

7.1建筑围护结构作用举例

（1.墙体、2.门窗、3.屋顶、4.地面与楼面）

7.2建筑的自然通风降温设计7.3房间的开口和通风措施27.1建筑围护结构1.墙体

2.门窗

3.屋顶

4.地面与楼面37.1.1墙体墙体的作用：

保温隔热通风、采光防止结露和内部冷凝避免热桥节能4墙体----传统与现代传统技术：土墙、粘土砖墙、捕风墙体现代技术：复合墙体（保温、蓄热、防潮）防潮墙体（透气的实体墙、空心砖墙、防渗墙、防水罩面层）5墙体---------高技术墙体6墙体-----------喷洒降温7墙体实例1：薄大理石墙体

耶鲁大学贝奈克图书馆显得格外惹眼。它最大的特点是外面没有一扇窗户，甚至连入口都看不到。图书馆的外墙采用切割得极薄的白色大理石，阳光可以透过薄薄的石板散射到室内。由于藏品都是极为珍贵的图书资料，馆内需要全部采用人工恒温、恒湿技术。设计者巧妙的构思使得图书馆在采光和隔热之间找到了微妙的平衡8墙体实例2：TIM墙体（TransparentInsulatedMaterial）新型透明绝热材料及复合墙体对于普通的外保温墙体而言，往往比内保温更加优越，但位于外部的保温材料在很大程度上影响了蓄热墙体对于太阳辐射的吸收。为了更加充分的利用太阳能，发明了一种用透明绝热材料制成的新型复合墙体，其灵感源自生活在冰原地区的北极熊。北极熊周身上下的皮肤都是黑色的。黑色皮肤可以最大限度的吸收透过白色体毛的太阳辐射，而白色体毛则使这些热量不易向外散失，是很好的保温的材料。9

新型复合墙体分内外两部分：外部为两片玻璃，中间夹着吸管状的透明绝热材料，内部为表面涂成黑色的蓄热墙体。吸管的管径约为3.5mm，太阳的短波辐射可以顺利地通过，并被黑色墙体大量吸收。经过一段时间的延迟，热量逐渐传至室内。另一方面，黑色墙体受热后向外发出的长波辐射和热传导都会被透明绝热材料阻隔或吸收，从而大大的减少了热量的散失。这样，外墙就不单单是一个保温隔热的构件，而是变成一个不断吸收热量并均匀释放的热源。

在夏季，当阳光照射过于强烈的时候，可以通过遮阳设施将透明绝热材料遮盖起来，从而避免室内温度过高。

托马斯.赫尔佐格设计的巴伐利亚普拉赫双户住宅（1986-89）

据统计，采用这种新型墙体材料的建筑，每平米建筑面积每年可以节省能耗200千瓦时，基本上不再需要常规采暖。10

德国著名建筑大师托马斯·赫尔佐格：德国慕尼黑技术大学建筑系主任、教授自上世纪７０年代起便致力于关注生态的建筑设计，几十年来，他在理论与实践方面均取得了丰硕的成果。巴伐利亚双户住宅（德国）德国著名建筑师托马斯·赫尔佐格采用了一种由半透明隔热材料、蓄热墙、百叶相结合的隔热墙体系，以最大限度地利用太阳能。这样，冬季时墙面就成了面积很大的蓄热体，而夏季则可利用遮阳设施将半透明热阻材料遮盖起来以避免阳光的直射。被视为近20年来在太阳能建筑和建筑革新领域内的开拓者的托马斯·赫尔佐格曾在2003.2月年中国国家图书馆文津厅举办托马斯·赫尔佐格建筑＋技术展。托马斯·赫尔佐格11墙体实例3：—石材蓄热石材赫尔佐格和梅隆设计的“石头幕墙”

美国加州Napa山谷葡萄酒厂

造型简洁，是一个长100多米、进深25米、高9米的方盒子。整幢建筑用双层钢丝网作墙体骨架，里面用大小不等的石块填充。每当旭日东升或夕阳西下时，柔和的光线便从石头的缝隙中透射出来，形成了变化万千的光影效果，除了视觉上的震撼和文化上的怀旧之外，石头幕墙最为成功之处在于它很好的适应了当地昼热夜冷的山地气候。白天石头幕墙起到遮阳（空气可以进入）和蓄热的作用，夜间则发挥“蓄冷”作用，使建筑内部温度变幅较小，有利于满足酒厂对温度的特殊要求，在很大程度上降低了建筑能耗。当然，如果从热稳定性的角度讲，这种透空的石头幕墙也有一定缺点。与厚重而密闭的石墙相比，前者由于换气次数较大，内部温度波动也会略高。12赫尔佐格与德·梅隆

1950年两人生于瑞士的巴塞尔，自7岁认识后，共同完成了小学、中学、大学的课程，毕业于瑞士联邦工业学院，1978年合开建筑事务所至今，已成为建筑界最引人瞩目的搭档之一。他们的建筑作品遍及欧洲、美国和日本，近期最重要的作品是伦敦泰特现代艺术馆。2001年5月在美国，两人获得了国际建筑设计最高奖普特茨奖。设计的体育场馆有瑞士的巴塞尔体育馆，2006年德国慕尼黑世界杯足球赛体育场。北京中轴线的北端，出现一个世界关注的建筑—国家体育场，这是2008北京奥运的主会场。这座将载入奥运史册的建筑被专家和媒体称为“鸟巢”。既像飞鸟用树枝搭建的巢，又像中国古代的窗棂和中国陶瓷艺术中的开片瓷，外形自然朴素。13墙体实例4：双层墙面1981年的纽约州布法罗市胡克大厦（Hooker）玻璃间层宽1.5米，间层中设可以调节的遮阳百叶，且各层之间相互连通，加强了夏季的热压通风，取得了非常显著的节能效果，整栋建筑几乎无需空调系统。14墙体实例5：绿化墙体15南京大学办公楼1617窗（窗墙比、冷风渗透）窗与玻璃窗与遮阳通风与采光7.1.2窗18窗（窗墙比、冷风渗透）窗墙比与采光19玻璃----窗墙比与新材料在《民用建筑节能设计标准（采暖居住建筑部分）（GJG26—95）》中，除了根据地区气候情况分别对窗的传热系数加以限定外，还规定居住建筑北向、东西向和南向窗的窗墙比应分别控制在20%，30%和35%以下，其比例不同是考虑朝阳的窗子冬季又是建筑物透过日辐射得热的主要构件。尽管从建筑保温的角度来看，玻璃依旧是围护结构的薄弱环节，但建筑采光与建筑保温的关系已从难以调和变成相对简单的问题------。20玻璃的隔热建筑节能与缩小开窗面积直接有关。建筑师不希望因为减少开窗面积而影响通透性，因此采用隔热玻璃就非常重要。新型玻璃材料隔热玻璃的种类：

1.染色玻璃：加入矿物原料，减少眩光和避免过多的日辐射。

2.吸热玻璃：含有氧化亚铁，对红外线有高度的吸收特性，吸收特性随氧化亚铁的含量改变。

3.热反射玻璃：镀有金属，可以反射大量辐射热。可见光的透过率也相对较低，室内光线暗，以牺牲透光率为代价。

4.光化学玻璃：随所受的日辐射照度而改变日辐射透过率的玻璃。日辐射强时，玻璃颜色变暗，日辐射减弱，透过率恢复。

5.低辐射玻璃：这种玻璃能够使80%的可见光进入，并能将90%以上的长波辐射保留在室内，从而起到集热、保温的节能作用。

设计人可将它们组合成复合的构造形式，达到保温和采光要求。玻璃-----隔热21新型玻璃材料22新型复合玻璃材料中空玻璃或热反射中空玻璃

吸热玻璃或热反射玻璃都是以吸收或反射的方式遮蔽太阳辐射热，但传热系数却很高。将这两种玻璃与普通玻璃组合，中间封入特种气体做成中空玻璃，其传热系数将大大降低。这种复合玻璃既能使太阳辐射热的进入得到适当控制，又有较好的隔热性能。低辐射中空玻璃

由低辐射与普通玻璃复合而成。由于低辐射中空玻璃对于太阳光的高透过率和对于长波辐射热的高反射率，使其具有极好的保暖性能，适合于以采暖为主的寒冷地区使用。23新型复合玻璃材料低辐射-----热反射中空玻璃

将热反射玻璃放置在外侧，低辐射玻璃放置内侧复合而成。它既能极好的遮蔽太阳的辐射热，又有极低的传热系数，是一种理想的组合。中空玻璃中间充氮气，避免空气中含有水分，造成凝结后影响视觉通透性。硅气凝胶特种玻璃

硅气凝胶是一种聚合物，外观如同有机玻璃，轻质透明而坚硬，是一种效能特别高的保温隔热材料，其保温性能比同样厚度的普通泡沫塑料大4倍，在未来的玻璃产品中掺入硅气凝胶，可使门窗的保温隔热性能大幅度提高。24玻璃-----采光与保温

25玻璃-----采光与保温26玻璃-----采光与保温27由于玻璃可以让阳光直接入室内从而迅速升高室温，特别是随着新型玻璃材料的不断出现，玻璃的热工性能逐步改进，建筑采光与建筑保温之间的矛盾已日趋淡化，“遮蔽”与“阻隔”走向平衡。建筑节能与缩小开窗面积直接有关。建筑师不希望因为少开窗面积而影响通透性，因此采用隔热玻璃就非常重要。28双层屋顶7.1.3屋顶----双层屋顶29

屋顶——通风屋顶30屋顶----双层屋顶在围护结构内设通风间层，做成通风屋顶。利用热压和风压作用使间层内的空气流动，从而带走大部分进入间层的辐射热，减少了通过下层围护结构向室内的传热，可以有效地降低围护结构内表面的温度。这比较适合于湿热地区要求围护结构白天隔热好而夜间又散热快的建筑。白色屋顶面层在阳光作用下的表面温度，其最高温度可比黑色表面低25℃～30℃。所以，对同样结构的屋顶，只要改变外表面颜色，便可以取得较好的隔热效果。31绿化与覆土屋顶：利用水的蒸发和植被对太阳能的转化作用降温，包括蓄水屋面和植被屋面。327.1.4地面地面保温地面防潮地面供暖33地面保温地面是与人脚直接接触而传热的地面舒适条件取决于地面的吸热指数B值。根据B值，我国将地面分为三类：木地面、塑料地面等属1类；水泥砂浆地面属2类；水磨石地面及其它石类地面属3类。34地面供暖特点：地面埋管，低温供暖热舒适性好节能、平均辐射温度高类型：预埋管道，把管道固定在墙体、楼板和混凝土内将薄的塑料或铝板槽嵌入在地板内把管道固定在墙上，再抹上特制的石膏灰泥35

7.2建筑的自然通风降温设计建筑通风的分类：自然通风和机械通风建筑的自然通风

与其它相对复杂、昂贵的生态技术相比，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取的一项比较成熟而廉价的技术措施。采用自然通风方式的根本目的就是取代(或部分取代)机械通风和空调制冷系统。一方面，自然通风可以在不消耗不可再生能源的情况下降低室内温度、带走潮湿气体、改善人体热舒适，这有利于减少能耗、降低污染，符合可持续发展的思想。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。9.2.1自然通风的生态意义367.2.2自然通风的三种功能：

第一，用室外的新鲜空气更新室内由于居住及生活过程而污染了的空气，以保持室内空气的洁净度达到某一最低标准的水平。这是任何气候条件下都应该予以保证的，此类要求可称为健康通风。第二,增加体内散热及防止由皮肤潮湿引起的不舒适以改善热舒适条件，此类通风可称为热舒适通风。第三种,当室内气温高于室外的气温时，使建筑构件降温，此类通风名为建筑的降温通风。377.2.3自然通风形成的动力因素建筑物中的自然通风，是由于其开口处（门、窗、过道等）存在着空气压力差。形成空气压力差的原因：一是热压；二是风压。（一）热压通风热压的大小：主要由室内外空气温度差和进排气口高度差决定。热压的计算公式：38室内外空气温度差越大，进出风口高度差越大，则热压作用越强。对于室外环境风速不大的地区，烟囱效应所产生的通风效果是改善热舒适的良好手段。热压通风（烟囱效果）39

在厨房、浴室及厕所等可应用垂直管道通风。在此，通风道向上延伸可通过几层楼高，这样形成的热压就可以有效的应用于自然通风。40热压通风（烟囱效果）热压差与高差由于热压取决于室内外温度与气流通道的高度（即开空间的垂直距离）之乘积，因此只有当其中的一个因素有足够大的量时，才具有实际重要的意义。

在居住建筑中，气流通道的有效高度很小，在一般的单层房屋高度2米左右，故必须有相当大的室内外温差，才能使由热压引起的气流具有实际用途。但这种较大的温差值只是在冬季、主要是在寒冷的地区才能得到。因此，在夏季为得到有实际用途的通风，热压就显得太小了。

41（二）风压通风夏季组织通风的主要方式风压是当风吹到建筑物上时，在迎风面上，由于空气流动受阻，速度减弱，使风的部分动压变为静压，亦即使建筑物迎风面上的压力大于大气压，在迎风面上形成正压区。在建筑物的背风面、屋顶、两侧，由于气流曲绕过程中，形成空气稀薄现象，在该处压力小于大气压力，形成负压力。由于正负压的存在，这就使整个建筑产生了压力差。

有风压促成的气流，可以穿过整个房间，通风量会大大超过热压促成的气流，是夏季组织通风的主要方式。42风压通风----夏季组织通风的主要方式43风压通风----夏季组织通风的主要方式风压与气流形成当开口位于存在压力差的二点上时，该二点之间就会形成一股气流。压力差越大，通过的气流量就越大。甚至当开口关闭时，压力差也决定着靠渗透而通过的气流量。44风压通风----夏季组织通风的主要方式（一）、要求建筑有较理想的外部风环境（平均风速一般不小于2-3米/秒）。（二）、建筑应面向夏季主导风向，房间进深较浅（一般以小于14米为宜），以便于形成穿堂风。建筑附近的其他建筑、围墙、树木等都会影响风的分布，因此可以通过这些因素来调节建筑围护的风环境。如果希望利用风压来实现较为理想的自然通风。45窗户开启方式与位置通风组织46建筑自然通风实例在干热地区，利用风压通风最为著名的乡土建筑要数巴基斯坦（海德拉巴）地区的捕风塔。47建筑自然通风实例除巴基斯坦外，从伊朗、伊拉克，一直延伸到北非的埃及也都有类似的装置。捕风塔优于普通的开窗通风之处，主要在于建筑物顶高度高、遮挡少，因而风速较大。对于海德拉巴地区来说，由于受季风的影响，夏季主导风向非常固定，因而那里捕风塔的开口方向是固定的。但对于伊朗、埃及等地，捕风塔需要有更强的灵活性，以适应不同方向的来风。48捕风塔通风示意图建筑自然通风实例497.2.4建筑朝向、间距与建筑群的布局（一）建筑朝向选择的原则：

首先要争取房间自然通风（使房屋纵轴尽量垂直于夏季主导风向，我国大部分地区的主导风向为南、偏南、东南），同时综合考虑防辐射、防雨。如图—风向投射角50建筑朝向、间距与建筑群的布局----高层建筑的风影风影建筑物体型的大小，主要对邻近建筑的通风、日照和遮荫等方面有影响。空地上的建筑在其背风面会造成“风影”，该处的风速比建筑物正面的低得多。51建筑间距：如正吹风，为保证后一排房屋的通风，其两排房屋的间距为前栋房屋高度的4-5倍。在投射角（建筑朝向偏转一定角度，使风向与建筑纵轴成一角度α）为45°左右时，房屋间距应为前栋房屋高度H的0.7~1.1倍。建筑布局：建筑群的平面布局以错列、斜列较好，这样可使风从斜向导入建筑群内部。（二）建筑群布局52建筑朝向、间距与建筑群的布局从通风的角度来看，以错列、斜列较行列为好适合寒冷地区53建筑朝向、间距与建筑群的布局2002年全国经济适用房住宅设计方案竞赛一等奖作品（建筑群的布局）54建筑朝向、间距与建筑群的布局2002年上海市优秀住宅设计作品------碧云花园（一等奖）557.3房间的开口和通风及通风构造的设置房间开口的位置和面积影响室内空气流速和室内流场是否均匀。56房间的开口和通风措施不同开口位置风场分布不同。图中c图开口位置较好57建筑平面布置与剖面处理的基本原则1、合理安排平面的组合形式，主要房间在迎风面。房间不能正对夏季主导风向时，可采取措施导风入室。2、利用楼梯间、天井等增加内部开口面积，并组织自然通风。3、开口位置恰当，使室内气流流场均匀。4、门窗及有关构造的设置有利于导风、排风和调节风向、风速。58建筑自然通风实例1：福斯特的德国新议会大厦(1979)，进风口位于建筑檐口，出风口位于玻璃穹顶的顶部。福斯特还利用深层土壤来蓄冶和蓄热，并使之与自然通风相结合(在夏季使空气预冷，在冬季使空气预热)，产生理想的节能效果。59英国建筑大师福斯特

像福斯特这样的建筑师可以说前无古人。他和手下日益扩展的队伍总能不超支地按时盖好一幢幢豪华大厦。福斯特据称有4000万英镑资产，80万英镑年俸，那是因为他30多年来建造了许多高级建筑物，成就无人能及。福斯特在世界设计界久负盛名，世界最大的机场香港新机场以及香港中环汇丰银行大厦的设计就出自他的手，欧洲最高建筑、德国的法兰克福商业银行大厦也是他的杰作。英国著名建筑师福斯特勋爵在2008奥运工程北京新机场的设计竞赛中脱颖而出，赢得了该项工程的设计招标。

60建筑自然通风事例2：伦佐．皮亚诺设计的Tjibaou文化中心(1997)

利用风压进行自然通风的现代经典作品，自问世以来，文化中心以其浓郁的地域氛围