生態(tài)建筑腔體被動式通風策略分析
李曉丹，李文婧
（中國礦業(yè)大學（北京）力學與建筑工程學院，北京 100083）
[摘要]生態(tài)建筑具有有機整體性，所以，被動式通風效果的充分發(fā)揮，在整體設計上應關注建筑位置、朝向、形狀等；在表皮設計上應關注外墻形式及導風構件等；在室內設計上，對應空氣在建筑腔體中循環(huán)流動的研究及應用。本文在建筑室內空間環(huán)境的研究問題上，將室內空間作為具有有機整體性的建筑腔體考慮，以被動式通風主要作用原理為分類依據(jù)，結合典型案例，對以熱壓、風壓為主要驅動力的腔體內部整體通風策略予以梳理研究。
[關鍵詞]生態(tài)建筑；建筑腔體；被動式通風
[中圖分類號]TU834.3 [文章編號]1002-8498( 2016)10-0060-06
0 引言
在空前的能源壓力、生態(tài)壓力和社會壓力下，未來建筑活動遵循生態(tài)原則是必然趨勢。生態(tài)建筑理論認為建筑同生物一樣，與外界進行有機的能量交換，并有高效、低耗地減少自身能耗的趨向，從而借鑒生物的環(huán)境適應性策略進行建筑及其建造活動的研究和評估。從建筑的結構關系來看，生態(tài)建筑可以分為作為圍護界面的“外殼”，即建筑表皮( architectural skin)及室內空間，即建筑腔體( architectural chamber)。建筑腔體設計是針對建筑內部空間的仿生設計，著重研究通過平衡內部空間構成要素，使建筑在運作機制上與生物腔體相似，從而高效低能地營造具有適宜人居的內部環(huán)境的建筑空間。
研究發(fā)現(xiàn)，本質上50%以上的室內環(huán)境質量低劣是由于缺少充足的通風。在相對溫和氣候下，生態(tài)建筑可以通過腔體內部被動式通風應對該問題。即通過合理組織室內空間結構引導空氣流動，將隨季節(jié)變化的自然通風與少量經過調節(jié)（加熱或冷卻）的機械通風結合使用。既節(jié)約能源，又滿足了建筑內環(huán)境的2個基本要求：排除室內污濁的空氣與濕氣；增強人的熱舒適度。實踐證明，腔體被動式通風與其他策略配合使用時，能夠滿足冬、夏季室內設計溫度分別為19℃和25℃，并使生態(tài)高層建筑一般節(jié)約建筑生命周期中20%~40%的能源消耗。此外，還有助于緩解長期處于人工封閉環(huán)境所致的“建筑綜合征”。
被動式通風效果的充分發(fā)揮，在整體設計上應關注建筑位置、朝向、形狀等；在表皮設計上應關注外墻形式及導風構件等；在室內設計上，進行空氣在建筑腔體中循環(huán)流動的研究及應用。目前在國際上，建筑表皮率先得到了深入研究及應用，但對于建筑室內生態(tài)空間的研究相對零散。因此，針對腔體內部的熱壓風壓分布、自然通風換氣特性，優(yōu)選對應設計策略，引導風在建筑內部的路徑在使用者頻繁活動的區(qū)域（樓層以上2m之內）；保證室內各處對新鮮空氣的最小需求，同時又不導致室內變冷和過多的熱損耗。
本文在建筑室內空間環(huán)境的研究問題上，不再延續(xù)傳統(tǒng)的空間類型分類標準（形式、功能），而是將室內空間作為具有有機整體性的建筑腔體考慮，以被動式通風主要作用原理為分類依據(jù)，結合典型案例，對以熱壓、風壓為主要驅動力的腔體內部整體通風策略予以梳理研究。
1 被動式通風原理與建筑腔體通風解析
被動式通風是指以非機械設備干預為主要手段實現(xiàn)室內空氣加強對流的現(xiàn)象。被動式通風是室內外溫差形成的熱壓及室外風壓共同作用的結果。主要影響因素包括：進出風口面積、進出風口高度差、室內外溫差、通風路徑狀況等。被動式通風有利于革除傳統(tǒng)建筑（以美國高層辦公建筑為典型）依賴全封閉外圍護體系與空調系統(tǒng)的弊病。但其同時存在壓差不穩(wěn)定的缺點，在組織大體量建筑室內有序氣流時，為增加通風效果可控性、延長被動式通風使用時間，在合理設計、引導腔體內氣流路徑的同時，可以使用簡單機械設備輔助自然通風。
要獲得良好有序、隨季節(jié)自動微調的室內通風，需要遵循被動式通風原理，將室內空間作為具有有機整體性的建筑腔體進行通風系統(tǒng)設計，并將被動式通風主導因素作為建筑物的朝向和布局、通風構件的選擇（如風帽、中庭），以及空氣進出建筑物途徑（通風原則）的主要考慮因素之一。比如，高層中的服務核能起到遮陽與擋風的作用，服務核的布置方式是中心核、兩端設置、一端設置，決定了在樓層的哪一部分開窗，哪一部分布置中庭，這影響了整個建筑中氣流進入、緩沖、流通的途徑。再如，腔體內空氣流動路徑的組織，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、小室等來分配氣流到達指定的區(qū)域（如中庭及與之相通的走廊）。集中的氣流路徑有利于預熱、過濾和熱回收，這些在局部的氣流路徑中較難實現(xiàn)。另一方面，局部路徑一般以模塊形式布置，并且組成在室內連通的網(wǎng)絡，未來如需改造，這種布置方式有更大的靈活性（如下文案例：西
蒙斯學生宿舍）。
根據(jù)建筑在使用類別、平面構成、使用區(qū)域方面的不同，可供選擇的通風元素及其組合形式多種多樣，其腔體內部通風路徑也不相同。即不同的建筑條件，需要采用不同的建筑通風形式。
盡管被動式通風生態(tài)建筑形態(tài)繁多．但其依據(jù)的通風主導因素具有共性。一般情況下，被動式通風依賴熱壓、風壓的共同作用，但二者總有其一占主導地位。本文以被動式通風主導因素作為劃定建筑類型的標準，對大量同類建筑進行通風模式簡化，并根據(jù)其共性特征進行歸類。通過每種類型的典型案例，分析不同內部空間結構輔助通風的方式，從而探討建筑腔體內部整體通風策略。這是在華中科技大學學者引進并提出的“建筑腔體”概念基礎上，進一步研究如何完善腔體建筑的生態(tài)運行機制的其中一種方式，即腔體內的自然通風策略。這有利于掌握一些范例性的腔體內部通風手段，有利于進一步提取類型模式，有利于推進建筑室內生態(tài)空間的規(guī)范化研究和實踐。
2建筑腔體通風策略
建筑腔體通風策略包括以熱壓主導的被動通風策略、以風壓主導的被動通風策略兩大方面。
當被動式通風以熱壓為主時，進排風口高度差成為影響通風量的主要因素。因此，相對低層建筑，高層建筑可以采用更多通風形式。但低多層建筑結構相對簡單，空氣流動的途徑較易控制，室內各房間也更易接受自然采光和通風。即使在太陽輻射和通風量偏低時，一些地區(qū)仍能通過簡單機械輔助實現(xiàn)全年無空調的適宜居住環(huán)境，如下文案例：色列本一古里安大學熱交換實驗室多層建筑。
當被動式通風以風壓為主時，建筑布局和進深因素影響通風方式。因此，較狹長或體量較小的建筑物適宜單側通風和對流通風；平面深度較大的建筑可通過屋面形式（如下文案例：奇芭歐文化中心）或分割體量（如下文案例：蒙特福德大學機械館）實現(xiàn)被動通風。
2.1熱壓通風
熱壓驅動的自然通風是空氣密度不同的2個或者更多區(qū)域之間的空氣交換，溫度差和濕度差都可以導致空氣密度的差異，通常以溫度差為主。腔體內熱壓通風方式包括單純熱壓通風、以升溫方式輔助熱壓通風和以降溫方式輔助熱壓通風3種。相比風壓通風，熱壓通風提供的換氣量更加穩(wěn)定。
2.1.1單純熱壓自然通風策略解析
單純熱壓自然通風無須機械輔助，一次完成后不必隨季節(jié)交替微調、養(yǎng)護，就能對室內微氣候起到一定的改善作用；可結合建筑功能空間，形式多樣且較成熟。但如果依賴其發(fā)揮更大的調節(jié)作用，就需要滿足進排風口有效高度差夠大、熱壓壓頭明顯的要求。這就需要增加通風構件的尺寸，從而對建筑外觀造成影響，建筑造價也會相應升高。如諾丁漢的英國國內稅收中心，利用建筑入口和樓梯間作為熱壓通風通道，外觀就會表現(xiàn)出高聳的煙囪式樓梯間和風帽。由于不能主動調節(jié)，單純熱壓通風較難滿足全年的熱舒適要求，一般作為改善室內氣候的輔助方法，并可在夜間或季節(jié)過渡期等時間段使用。
實踐中，通過增加與外界的接觸面積增加換氣效果，充分利用“煙囪效應”等自然通風原理，單純的熱壓通風也能在一定時段代替機械通風。以美國麻省理工學院西蒙斯學生宿舍（Simmons hall，見圖1）為例。
西蒙斯學生宿舍位于準工業(yè)區(qū)狹長基地內�；�“多孔形態(tài)建筑學”，宿舍被設計成一個具有“滲透性( permeability)”和“多孔性(porosity)”的海綿體( sponge)：立面有5個尺寸夸張的巨大開口，作為走廊、主要的公共活動平臺和主人口。剖面鑲嵌多個連通頂部大窗戶的光井——迷你塔( mini -towers)，每座塔可作為1～2個學生小團體活動場所。宿舍單元具有標準的尺寸，內有9個可開啟外窗。
自由嵌套的“海綿狀空間”如同蓮藕內的氣腔一樣，增加并精密控制了與外界進行能量交換的總面積：立面開口引進空氣與光照；迷你塔可以增大采光并具有煙囪的拔風效應；各海綿體間由進排風口有效高度差產生明顯的熱壓壓頭，引起空氣流動；氣候變化時，人為開關窗戶的整體變化結果會與“海綿狀空間”一起，對建筑腔體內環(huán)境進行實時、微妙的調節(jié)。
2.1.2 以升溫方式輔助熱壓通風
以升溫方式輔助熱壓通風有電機加熱輔助熱壓通風、太陽能輔助熱壓通風等多種形式；其原理相似，都是以升溫方式增加室內溫度差，從而增強通風效果，保證室內換氣量。以升溫方式輔助熱壓通風可以在通風的同時，可控性地提升室內溫度，比較適合氣候較寒冷地區(qū)或四季分明地區(qū)的冬季。以色列本．古里安大學熱交換實驗室( heat transferlaboratory, Ben-Gurion University of the Negev.) -個內置煙囪和電加熱元件的多層建筑為例，它采用電機加熱輔助熱壓通風，結合有利于引導空氣自然對流的腔體內部形態(tài)，實現(xiàn)了多層建筑全年被動通風和加熱的目的。
如圖2所示，由合成金屬或石膏成分構成的管道分別安置在南、北墻內部，兩者均頂部敞開，底部閉合。南側管道內置金屬管及電機。在建筑物的每一層有2個端口連接內部空間：北側端口靠近地面，南側的端口靠近天花板。該系統(tǒng)的運作情況如下：冬季：電機加熱南側管道，熱量通過對流從金屬管的外表面轉移至周圍空氣，并且通過輻射向周圍散失。在管道內被加熱的空氣向上流動至頂部，并從管道排入室內空氣中。熱空氣從每個樓層的頂部管口流進室內空間，從底部管口流出，形成氣流。如果保持空氣在內部空間的流速，此建筑內部可以保持20~ 26℃的熱舒適溫度。夏季：電機關閉，南側管道內空氣受太陽輻射強度大于北側管道，南側熱空氣上升，經由與冬季相反的路徑到達北側管道，完成空氣循環(huán)的閉合回路，形成微氣候，保證夏季通風換氣量。
2.1.3 以降溫方式輔助熱壓通風
以降溫方式輔助熱壓通風有雨水循環(huán)輔助熱壓通風、空調系統(tǒng)輔助熱壓通風等多種形式，其原理相似，都是以降溫方式增加室內溫度差、濕度差，從而增強通風效果，保證室內換氣量。以降溫方式輔助熱壓通風可以在通風的同時，可控性地降低室內溫度，比較適合氣候較炎熱地區(qū)或四季分明地區(qū)的夏季。這里以荷蘭烏得勒支大學明納爾特大樓( Minnaert)為例。它采用雨水循環(huán)輔助熱壓通風，以雨水循環(huán)作為天然冷媒循環(huán)，引導腔體內部空氣流向，并增大建筑腔體底部與外部空間溫度差及濕度差，取得良好被動通風和降溫效果。
明納爾特大樓是烏紹夫校區(qū)擴建的一部分。該地溫熱海洋氣候與墻體隔熱保溫的規(guī)定標準存在矛盾：過于封閉的表皮使內部燈光、人和設備等所產余熱無法及時散失；室內環(huán)境具有散熱要求。為此，建筑設置了一個位于二層中央的交通樞紐大廳（見圖3）。大廳通高2層，中間有- 10m×50m的水池，頂部有5個斜插的瀉槽。它將收集的大量雨水經過過濾凈化后，從隱蔽于底部的開口處泄入水池。池中的雨水作為“空調系統(tǒng)”的天然冷媒，通過管道穿行于室內；經過白天的“內循環(huán)”吸收室內余熱，晚上被泵送到屋頂瀉槽中，向外散發(fā)吸收的熱量，冷卻之后再排放回水池中，形成降溫的“外循環(huán)”。管道周圍空氣與管道中水體存在一定的熱量交換，腔體內部各點由于水循環(huán)溫度由低變高，空氣溫度也存在差值。氣流隨著水循環(huán)的路線做相應循環(huán)流動，形成與外界相通的能量循環(huán)。
2.2風壓通風策略解析
風產生圍繞在建筑物周圍的速度和壓力場。風壓驅動的自然通風是流場中風速和壓力不同的2個或者更多區(qū)域之間的空氣交換。建筑物周圍的壓力場一般是由上風側的正壓（速度上遞減）以及平行于空氣流的正面和下風側的負壓區(qū)域來表征（與穩(wěn)定風速模式相關聯(lián)的靜壓比較時）。相應地，腔體內風壓通風方式有正壓通風和負壓通風2種。
與熱壓自然通風相比，風壓自然通風能提供較大的瞬時通風量，但其風向和風速大小具有不確定性，這使得各個區(qū)域的換氣量在不同的時刻具有不同的變化規(guī)律。因此，可以使用相關軟件模擬（如，DeST，COMIS，CFD等），從宏觀角度把握腔體內部的空氣流動、壓力分布和污染物的傳播情況，從而更好地構建腔體空間。無論風在腔體內部的流動形式是層流、過渡流還是紊流，其決定因素都是通道形狀和壓差，所以即使計算機條件不充分，也可以借鑒已有成熟空間形式達到一定的通風效果。有研究表明，如不使用機械輔助，風壓通風建筑進深宜小于5倍室內凈高；單面通風時，進深宜小于2.5倍凈高；外墻最小開口面積宜≥5%。
2.2.1正壓通風
獲得單純正壓通風的腔體內空間組織形式相對成熟。對正壓通風策略的實踐，主要是集中在過濾外部空氣，使進入室內的氣流較穩(wěn)定，空氣的品質提高；以及通過背風面開口等一系列措施合理組織正壓通風，使新鮮氣流均勻到達各個主要空間。正壓通風對建筑朝向、形狀、布局和進深的要求較高。當空氣流動大而快時，室內流速也相應變得不易控制。也可以通過建筑群的規(guī)劃，建筑之間相互遮擋，引導風的流向，從而使某些地段建筑有效利用正壓通風。這在我國傳統(tǒng)民居密集建造的群體優(yōu)化效應中已經得到體現(xiàn)。
在對正壓通風的利用方面，建筑表皮研究及應用更為深入（如楊經文的梅納拉UMNO大廈）。腔體內部的正壓通風，一般是利用通過門窗洞口進入建筑內部的自然風形成正壓，從而帶動室內空氣的流動。合理組織橫向通風路徑，使風能夠從迎風面的洞口進入并從背風面的洞口流出，形成“穿堂風”；或與中庭等豎向通風構件相連，使室外風從開口進入并從中庭頂部排出，與建筑的熱壓通風相結合，有效提高室內通風效果（見圖4）。
通過分析大量個案，將大體量建筑腔體內部運用正壓通風，歸類為以下2種形式：①將建筑內部劃分成一系列的小體塊，以蒙特福德大學( MontverdeUniversity)機械館為例；②將建筑設計成具有統(tǒng)一功能的單元序列，以奇芭歐文化中心( TjibaouCultural Center)為例。
蒙特福德大學機械館位于英國萊徹斯特。機械館一般平面為矩形，進深大，功能多，人工產熱多，需要采用大規(guī)�？照{系統(tǒng)。本機械館打破常規(guī)的設計格局，將龐大的建筑分成一系列小體塊。一方面在尺度上與周圍古老街區(qū)相協(xié)調，另一方面在體量上使自然通風成為可能。如圖5所示，位于分支部分的實驗室、辦公室進深較小，利用正壓通風；位于中央部分的報告廳、大廳采用“煙囪效應”進行熱壓通風。
奇芭歐文化中心位于澳大利亞東側的新卡里多尼亞Tino半島，炎熱潮濕，常年多風。適用自然通風最大限度地降溫除濕。建筑群由10個被稱為“容器”( case)的棚屋狀單元組成，棚屋共有3種尺寸，組成3組“村落”( village)，一字排開。貝殼狀立面正對夏季主導風向，形成正壓，而在下風向產生吸力，促進腔體內部空氣流動。風由彎曲的外表皮進入，經內外表皮之間的空腔過渡后，從豎直內表皮上的百葉窗進入室內通廊。百葉窗由機械自動
控制，隨風力變化開合，動態(tài)性調節(jié)室溫與通風（見圖6）。
2.2.2負壓通風
負壓通風是風壓通風的另一種有效利用方式。由文丘里效應知，當風吹過建筑物時，在建筑物的背風面端口附近氣壓相對較低，從而產生吸附作用并導致室內空氣流動。像飛機機翼飛行原理一樣，可以通過建筑物外觀坡起等形式，加強腔體內外負壓壓差，從而增強通風效果。負壓通風同樣對建筑物所在地的風向、風速及風的紊流度有一定要求，其組織的室內氣流會比正壓通風稍顯穩(wěn)定。與負壓式通風機組配合使用時，可以滿足建筑在無風天氣時室內環(huán)境的要求。
通過坡起的屋頂造型在背風面形成負壓區(qū)，能夠同時引導腔體內空氣橫向和縱向流動，從而為腔體內有序氣流的組織提供動力。以漢諾威26號展廳( Hall 26 for the Deutsche Messe AG)為例。
26號展廳位于Deutsche Messe AG貿易團地區(qū)，具有適應大跨度空間理想形式的懸掛式屋面結構，以滿足空間寬敞、沒有支柱、可以進行靈活布置展示區(qū)的需要；具有代表性的波浪形屋頂，不僅使功能性空間的高度足以呼應大廳的巨大面積，同時有效引導氣流運動，使機械通風被減到最小。
當風吹向展廳時，受到大體量展廳的阻擋，大部分風由波浪形屋面引導著從其上方通過，此時波浪形屋面背風面附近氣壓相對較低。流速越快，流體產生的壓力就越小，即氣壓越低。（伯努利定律，即p +pv2/2 +p g h=恒量）在背風面端口處產生吸附作用并導致室內空氣向上流動。屋脊上安裝有翼片，可根據(jù)外界風的方向調整，并防止室內空氣回流（見圖7）。
展廳距地4. 7m處設置了專門的玻璃管道將室外空氣吸入腔體。涼爽的新鮮空氣下沉至使用者頻繁活動的區(qū)域高度，充分吸收使用者及機器產熱上升后，在屋頂背風面端口處負壓的吸附作用下，由經過熱流運動設計的舒展內部屋面形式加以引導，到達背風面端口處，由此排出腔體。基于動態(tài)性、整體性考慮的腔體通風設計使該建筑在空調方面的投資費用節(jié)省了50%。
3 結語
自然風是一個重要的地段環(huán)境能源。它能否在生態(tài)建筑中得以充分運用，影響到生態(tài)建筑的整體運營效果。由于被動式通風主導因素的不同，建筑腔體的通風策略包括以熱壓主導的被動通風策略、以風壓主導的被動通風策略2大方面。根據(jù)提供或改善壓差的方式不同，再進行具體細分。因為用戶接受度具有彈性，加上各通風方式可加以計算機、風機等進行不同程度的控制和輔助，使得各種通風策略的適用范圍增大，并可高效混合利用。一般而言，熱壓作用是相對穩(wěn)定的驅動力，其中通過升溫增大熱壓壓差的方式，適用于有增溫除濕需求
的室內環(huán)境；通過降溫增大熱壓壓差的方式，適用于有制冷加濕需求的室內環(huán)境。風壓作用隨著風向、風速的變化而變化，對腔體內通風換氣的供給不夠穩(wěn)定，但能帶來較高的瞬時通風量。較常見于位于具有導風作用的建筑群中適當區(qū)位的建筑，以及選區(qū)于常年主導風向穩(wěn)定區(qū)域的建筑；一些濱水生態(tài)建筑也常利用風壓通風。近期，在體育場館、會議中心等易出現(xiàn)通風換氣問題的大體量建筑中，出現(xiàn)了許多機械輔助風壓通風的實踐。具體到使用正壓通風還是負壓通風，則可視自然風條件、建筑外形與功能能夠提供何種壓差，使之對腔體內環(huán)
境的影響更為有效而定。
氣候雖然是不斷變化的，但某一地區(qū)的氣候有其恒定的變化規(guī)律，這使生態(tài)腔體被動式通風策略為鄉(xiāng)土建筑的進一步發(fā)展提供了契機。此外，隨著生態(tài)建筑向“Eco-Tech”轉變的趨勢日益明顯，借助相關工程技術與計算機技術等的輔助調節(jié)，越來越多的腔體建筑將能夠更好地完成高能低耗、自覺應變的運營。
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