生态建筑设计中的被动式通风冷却技术
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摘要：基于自然通风原理的被动式冷却方法，利用空气动力与自然资源实现建筑夏季的冷却。在遵循自然法则的基础上满足建筑空间的舒适要求，是当前生态建筑设计的一个重要策略。从适应自然降低建筑能耗的思路出发，简要分析了其技术原理，并且结合建筑设计探讨了这项技术的应用方式。
关键字：被动式冷却PDEC系统自然通风
随着可持续发展战略思想的深入、绿色生态理念的提出以及人们对空气环境要求的提高，在今天全球能源、“建筑综合症”，流感等问题的多重压力下，被动式通风冷却这一传统的、健康的、生态适宜技术越来越受到人们的重视。它可以在低能耗、对环境无危害的状态下实现室内冷却降温，从而改变当前建筑使用大量机械设备来创造舒适环境的做法。通过合理的技术设计手法处理建筑与自然的关系，已经成为生态建筑设计的发展趋势。
1．现代被动式通风冷却技术的实现形式
1.1风压通风
风压通风就是利用建筑的迎风面和背风面之间的压力差实现空气的流通。压力差的大小与建筑的形式、建筑与风的夹角以及建筑周围的环境有关。当风垂直吹向建筑的正立面时，迎风面中心处正压最大，在屋角和屋脊处负压最大。
1.2热压通风
热压通风是利用建筑内部空气的热压差，即通常讲的“烟囱效应”，利用热空气上升的原理来实现，热压作用与进、出口的高差和室内外的温差有关。与风压式自然通风不同，热压式自然通风更能适应常变和不良的外部风环境。如同济大学建筑系馆中庭就是利用热压通风的生态案例。
1.3风压与热压相结合的通风
在建筑的自然通风设计中，风压通风与热压通风是同时存在的，互为补充、密不可分的。一般来说，在建筑进深较小的部位多利用风压来直接通风，而进深较大的部位则多利用热压来达到通风效果。
借助于自然通风的被动式冷却技术是生态技术策略的一个重要方面，如何采用合理的被动式设计来创造舒适的建筑使用环境，减少能耗的同时又能创造出满足人的需求以及环境效益，在当前生态建筑设计探索与建筑节能设计研究方面都有重要的意义。
2．利于自然通风的建筑要素
被动式通风冷却技术的设计，要结合建筑周围环境气候、建筑形式、剖面方式，综合考虑门窗开口和遮阳等因素对通风的影响。对于大进深建筑，利用热压通风、风压通风以及热压与风压相结合的通风方式，通过对风井、水平风道、中庭，以及双层维护结构的合理利用，分析地区环境气候条件中的有利因素，实现被动式通风冷却技术的环境和经济效益。
2.1竖向风井
竖向风井利用烟囱效应和热压原理，包括气井、烟囱和通风塔等多种形式，是一种传统的建筑形式要素，其中蕴含了深刻的“绿色”本质。满足夏季室内通风及冬季壁炉排烟作用
。其中竖向风井越高，底部空间与外部温差越大，而进出口位置的选择也直接影响通风效果。在建筑改造中，可以充分利用建筑内部空间设计出能显著改善室内通风环境的竖向风井。
2.2水平风道
水平风道即建筑内部水平方向的通风构造形式。应与建筑空间组织、剖面和细部构造设计有机结合，利用风压、被动式太阳能以及必要的机械辅助设备为自然通风提供动力。BRE未来大楼则是利用双层楼板内安装了暖气系统及制冷设备，外部空气进入楼板后被加热或制冷。与众不同的是，BRE大楼的双层楼板与南向利用太阳能的双层界面系统形成了整体统一的通风循环体系。
2.3中庭（庭院、天井）
中庭主要是利用空气流动理论中的文丘里效应或烟囱效应，带动建筑底层的空气向上流动，热空气和污浊空气由顶部排出室外。中庭在建筑主体中的位置不同，分为单边围合、双边围合、三边围合和四边围合，几种模式具有相同的生态原理，但却具有不同的生态效应。平面进深较大的建筑，利用中庭解决采光通风问题，调节室内环境。中庭相对于庭院在调节建筑热工环境方面具有更强的适应性。合理的中庭形式与恰当的技术措施可以有效利用气候和自然资源，实现建筑生态效益最大化。
2.3.1中庭适宜的空间尺度
中庭有各种平面形状和形式，而最常见的是矩形平面。从剖面形式上，又有上下垂直形、向上内收形（A字形）和向上外扩形（V字形）等。不同形状及大小的空间，使用效果和生态意义也是不同的。有研究表明狭长和高耸的空间形式对夏季降温有利，而宽敞又低矮的中庭则有利于冬季获取更多阳光。另外，剖面为正V字形的中庭，每一层都有一部分面积可获取阳光照射，但其退台式的断面形式削减了烟囱效应。相反，剖面A字形的中庭上部楼层可以为下部楼层提供遮荫的同时渐缩的断面有助于烟囱效应的发挥。
2.3.2考虑中和面的不利影响
利用中庭的烟囱效应可实现对相邻房间的自然通风，然而，建筑师往往忽略了一个物理现象―中和面效应。某处中庭内空气压力高于室外空气，则气流由室内向室外运动。而在中庭竖直方向上存在一点，此处室内外压力相同，通过该点的水平面，物理学上称之为中和面。因此只有处于中和面以下的窗洞，空气才由室外流入中庭并由顶部排出，中和面以上的窗洞若开启，将成为出风口。为避免影响中和面以上房间通风效果以及污浊空气的回流，相邻中庭的门窗应关闭，但这直接影响自然通风。或者将通风窗像烟囱一样高高顶出屋面，通过提高出风口的高度强化中庭的通风效果。
2.4地道系统
地道系统是能为室内送来冷风的有效途径。把它同利用烟囱效应的特朗伯墙、太阳能烟囱、楼梯间和狭窄的内庭院以及室外水体等结合起来使用是非常有效的。“烟囱”是暖空气的出口，而地道是冷空气的入口。在干旱的敦煌地区无固定风向的时间较多，并且该建筑布局难以形成穿堂风，因此，自然通风考虑以热压为主，辅助考虑风压影响，在夏季高温季节，开启地道通风机，向房间送入温度较低的地道风进行降温。甚至能加湿进来的冷空气，由蒸发增强制冷效果；在湿润气候区，地道必须避免空气中的水蒸气在其内冷凝而积水。
2.5通风立面系统
通风立面系统是当今生态建筑中所普遍采用的一项先进技术，被誉为“可呼吸的皮肤”，包括单层和双层维护结构。其中单层围护结构的建筑室内空间通风依靠外围护界面上直接开洞来实现，洞口的尺寸、室内空间墙面、室内家具的不同布置、窗口的大小尺寸以及在垂直面商的位置将直接影响室内气流运行轨迹。双层维护结构之间留有一定宽度的空气夹层，并设置可调节的深色百页。在冬季，空气夹层和百页利用太阳能加热空气，提高建筑外墙表面温度，对建筑的保温有利；在夏季，则可以利用热压原理将热空气不断从夹层上部排出，使室内空气流动达到降温的目的。对于高层建筑来说，直接对外开窗容易造成室内风速过大，而双层维护结构则是较好的通风构造形式。
3．现代被动式通风冷却技术的应用
3.1穿堂风式通风冷却
根据伯努利流体原理可知，流动空气的压力随其速度的增加而减小，从而形成低压区。在建筑中局部留出横向的通风道，当风从通道吹过时，会在通道中形成负压区，从而带动周围空气的流动。通风的通道要在一定方向上封闭，而在其他方向开敞，从而形成明确的通风方向。穿堂风可以利用空间布局、建筑开窗等设计手段直接实现，小进深建筑中应用较多，其中通风口的布置是影响室内通风效果的一个最重要因素。
3.2纵向预冷式通风冷却
根据自然通风原理，与具有空气预冷作用的功能构件结合，利用较低的能源消耗对空气进行预先冷却并导入建筑内部，达到被动式通风改善室内空气质量与冷却降温的双重目的。为了便于气流的控制和预冷技术的应用多采用纵向通风模式，其中包括利用文丘里效应的拔风作用上引风冷却系统和捕风器的逆流原理的下引风蒸发冷却系统
3.2.1上引风冷却系统
拔风效应下的上引风冷却系统主要是借助于空气流动理论的文丘里效应或烟囱效应，与预冷构件设计的结合，在竖向的通风管道中形成向上的空气动力，带动一定空间内的空气流动。以文丘里效应为例空气在流经建筑的通风塔顶端时候被压缩，流速增大的同时在通风塔的顶部产生负压区，从而引导底层空气向上流动，其中最常用的预冷介质是地下土壤和水体。
3.2.2被动式下引风蒸发冷却系统（PDEC)
PDEC系统是依据空气流动原理，与传统的风塔冷却原理相同，在建筑顶部设计用于捕风的装置，将自然风引入建筑内部，并且在引风道的顶部通过一定技术手段或者设备，直接或间接来预冷外界引入的热空气，从而形成一个被动式下引风冷却系统。根据夏季冷负荷要求，利用现代计算机流体力学模拟技术（CFD）设计出体系化的组合单元。应该根据自然风环境、建筑基址的气候条件与周边建筑的遮挡情况，设计出特定造型的捕风装置，控制来至不同方向的自然风进入建筑，既可以采用单向也可以利用多向，有效控制进入室内的气流。
4．结语
目前有日照明文规定和成果文件体现，但是自然通风在少数城市外还没有形成广泛的明文规定。而自然通风应用需要经济、环境、技术、心理和社会的统一，在节约和舒适统一的层面上，运用适宜方式加以利用。这就要求我们应该合理审视自然通风的应用价值，使其在我们的意识中与生活中有针对性的体现。
本文通过对被动式通风冷却系统的原理、实现形式，应用等方面的叙述，目的是将风环境理念下的设计模式与思想引入到现实生活中去。因为人是建筑的使用者，而通风技术也是为人服务。在以后的工作中会继续对风环境进行分析，详细总结资料为未来的研究者提供有价值的指导和借鉴。
参考文献
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[2]王鹏，谭刚，生态建筑中的自然通风、世界建筑，2002:62-65
[3]雷涛，袁镔，生态建筑中的中庭空间设计探讨，建筑学报，2004（8）68～69
[4]钟军立，曾艺君，建筑的自然通风设计浅析，重庆建筑大学学报，2004（4）18～21
作者：李胜杰 天津城市建设学院规划与建筑系硕士研究生
刘俊源 天津城市建设学院规划与建筑系硕士研究生
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