探讨现代建筑屋顶自然通风的设计

【关键词】现代建筑屋顶；自然通风；设计原理；建筑节能；可持续发展

　　一、建筑自然通风概述

　　自然通风是一种具有很大潜力的通风方式，它具有节能、改善室内热舒适性和提高室内空气品质的优点，是人类历史上长期赖以调节室内环境的原始手段。在空调技术得以普及，机械通风广泛应用的今天，迫于节约能源、保持良好的室内空气品质的双重压力下，全球的科学家开始重新审视自然通风技术。自然通风在实现原理上有利用风压、利用热压、风压与热压相结合以及机械辅助通风等几种形式。现代人类对自然通风的利用已经不同于以前开窗、开门通风，而是综合利用室内外条件来实现。如根据建筑周围环境、建筑布局、建筑构造、太阳辐射、气候、室内热源等，来组织和诱导自然通风。在建筑构造上，通过中庭、双层幕墙、风塔、门窗、屋顶等构件的优化设计，来实现良好的自然通风效。21世纪是环保的世纪,是可持续发展的世纪。降低建筑能耗,使建筑的人工环境与自然环境达到动态的平衡,将是建筑在满足了基本的使用功能和美学要求后应追求的更高目标。屋顶的相关构造和设备配合建筑的其他围护结构体系创造的自然通风的条件,使建筑在实现以上几个目标方面具有更大的潜力。

　　二、自然通风的原理与模式

　　建筑的自然通风从动力来源上可分为完全自然通风和机械辅助自然通风两种模式。完全自然通风是由来自室外风速形成的“压差”和建筑表面的洞口间位置及温度造成的“温差”形成的室内外空气流动。按照热力学原理,建筑室内温度有沿高度逐渐向上递增的特点。该特点是建筑随层高增加而使上下之间温差加剧的主要原因,设计师也经常利用这一点,挖掘建筑自然通风的潜力。机械辅助自然通风是利用温差造成的热压和机械动力相结合而形成的室内外空气对流。与完全自然通风相比,虽然建筑内局部作为辅助动力的机械装置要消耗一定的能源,但通过这种装置重新组织气流,甚至在局部“强迫”气流改向,可以使自然通风达到更好的效果。在这两种通风模式中,屋顶都是形成温差,组织气流的重要环节,在整个自然通风系统中起着重要作用。

　　三、屋顶在完全自然通风中的作用

　　当室内存在贯穿整幢建筑的“竖井”空间时,就可利用其上下两端的温差来加速气流,以带动室内通风,其实质就是“温差———热压———通风”的原理。作为建筑共享空间的中庭就可以胜任这个“竖井”的职能,一般来说,其所占空间比例以超过整幢建筑的1/3 为宜。这种中庭的屋顶一般都具备两项性能:它们能让阳光射入中庭,将中庭内空气加热并产生上下温差；它们是全部或局部可开启的,在需要通风时能让气流找到出口。冲出屋面的突a兀空间除了做成烟囱外,还可以做成风塔风帽的形式甚至使其成为整个建筑造型的亮点。

　　四、屋顶在机械辅助自然通风中的作用

　　对于很多地区的建筑来说,完全自然通风并不是每个季节都适宜的;有些建筑受特定条件的制约,也不具备低进高出的气流走廊。这时的建筑自然通风就必须借助机械装置的辅助,或者是根据不同时段、不同季节进行完全自然通风和机械通风的轮换。英国诺丁汉大学朱比丽分校的主体建筑具备两套通风措施:在室外气候温和的时候,气流在凹进的中庭入口的引导下,经过大门口上部开启的百叶进入中庭内,再由中庭另一端屋顶上的玻璃百叶排出,这时是完全自然通风模式。在酷热或严寒季节,建筑的门窗关闭,新鲜的空气通过屋顶上风塔的机械抽风和热回收装置被引到风道中,然后进入各层楼板的夹层空间,进而在楼板低压发散装置的辅助下进入室内;而废气的排出是通过走道和楼梯间的抽风作用,最终又回到风塔上部,经过热回收和蒸发冷却装置,最终由风斗排出,这时采用的就是机械辅助的自然通风模式。太阳能集热片被集成在中厅屋顶的吸热强化玻璃中,其吸收的热能用于驱动机械抽风装置。

　　五、屋顶内部的自然通风

　　屋顶除了作为整个建筑自然通风系统的一个组成部分,利用天窗、烟囱、风斗等构造为气流提供进出口外,本身也可以成为一个独立的通风系统。这种通风屋顶内部一般有一个空气间层,利用热压通风的原理使气流在空气间层中流动,以提高或降低屋顶内表面的温度,进而影响到室内空气的温度。在日本的OM阳光体系住宅中,室外空气由屋顶下端被吸入空气间层,并被安装在屋顶上的玻璃集热板加热,受热后上升到屋顶的最高处。屋顶最高处设置了空气处理装置,包括空气阀门、热交换盘管和一个小型风机。这个装置既能将加热过的空气通过管道送到建筑的各个角落,又能将不需要加热的空气由排气管排出。建筑师在室内加建了一层包裹住整个屋顶及大部分外墙内表面的薄膜,使薄膜和原有外围护结构间的空气成为一道阻热层,起到了保温和热缓冲的作用。在屋顶上分别设置了连通空气阻热层和室内空气的风帽,使这个简单的小建筑可自由地选择机械通风,通过室内自然通风或空气阻热层内通风中的某一种或多种通风模式,来调节室内气候。

　　六、现代自然通风的建筑形式的实例

　　诺曼"福斯特的新德国议会大厦的修复工程充分利用了自然光和自然通风，并结合共生和热能再生系统，以最低的费用、最少的能耗获得最大的收益。议会大厦的圆穹顶是自然采光和自然通风的节能策略之关键。圆穹顶的核心是一个圆锥形。圆顶将上层较热的空气抽出，同时，轴向风扇和热交换器从废气中获得循环的能量。新鲜空气由室外从西门廊的顶部进入，以低速风的形式穿过整个会议厅，在大厅中缓缓上升，在浮力和抽风机作用下逸出穹顶上的开口。

　　清华大学伍舜德楼，在其南侧又设一边庭，内植花木，既净化空气，又美化环境，在其南北顶部各置一条形天窗，可根据四季的不同，需要开启和关闭，自然通风，冬暖夏凉，节省能源，外置遮阳板，夏日遮阳降温，西面入口置一实墙面，夏防西晒，冬挡寒风。

　　欧洲最大的自然通风建筑——斯特林设计的莱斯特大学工程馆与德"蒙特福特大学工程馆。莱斯特大学工程馆把机械空气处理系统强行独立出来，有意地将其作为技术形象的一部分。整个建筑明确讲究实效、合乎功能逻辑，带有机器时代的特点。

　　巴黎亚洲艺术博物馆据展览要求要需进行改造，改造极为自然，利用自然采光，自然通风；空间通透，上下空间自然连通，展室背景不封闭，有的以旋鼓楼体为展品背景，视觉空间散透，自然新颖；色调简洁淡雅，自然舒适，突出展品。

　　由以上的对比可见，自然通风的建筑并非以最终形式作为自己的设计成果，它更加关注的是生态意识在建筑设计中的贯彻，是与技术要求更好地配合、协调。它在建筑的最终形式上并未像现代主义建筑那样具有明确的要求与标志。它更注重的是适应环境，这也是其设计宗旨的体现，它给生态建筑的创作带来了更广阔的空间。

　　结束语

　　现代建筑屋顶对建筑节能和可持续发展的作用也逐渐成为了大家关注的焦点之一城市化进程的不断发展，城市地面交通和建筑之间的日益融合，我们寻求人、建筑环境、自然之间的和谐统一，而自然通风技术将再度成为城市生态建筑形式的主流。未来的建筑发展趋势将是自然化和人性化的统一。参考文献

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