風與建筑節能綜述

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地球大氣中各處接收到的太陽輻射能和放出的長波輻射能是不同的，因此，空氣在大氣中各處的溫度也不同，這就造成了氣壓的差別。大氣總是由氣壓高的地方向氣壓低的地方流動，而水平方向的大氣流動就形成了風。風能就是空氣的動能，風能的大小決定于風速和空氣的密度。利用風促進室內通風換氣和風力發電是建筑節能設計的主要方法。

1朝向設計

建筑朝向設計是建筑節能設計的重要內容。建筑朝向選擇的原則是冬季能獲得足夠的日照并避開主導風向，夏季能利用自然通風并防止太陽輻射。水平通風就是通常所說的“穿堂風”。水平通風是建筑在迎風面和背風面的空氣壓力差產生的內部空氣流動，夏季它可以降低建筑外表面溫度，促進室內氣流循環，改善室內熱環境，滿足人體舒適度，減少空調使用時間，節約能源。中國建筑氣候區由嚴寒地區、寒冷地區、夏熱冬冷地區、夏熱冬暖地區和溫和地區組成。嚴寒地區和寒冷地區在建筑朝向選擇上要避開冬季主導風向，避免建筑內部熱量的損失，提高能源利用效率。夏熱冬冷地區和夏熱冬暖地區在建筑朝向選擇上要盡量與夏季主導風向垂直，并且在內部空間設計通暢的通風路徑，利用自然風降低溫度，改善室內熱環境。合理的城市規劃能巧妙地利用風為城市營造舒適的居住環境。位于美國南卡羅來納州的Ashley和Cooper河之間半島上的城市查爾斯頓市(見圖1)，城市規劃設計為了利用涼爽的西北向夏季風，將街道東西向排列，從城市河岸的一側一直延伸到另一側，從而把風引入城市，讓整個城市擁有一個清涼的夏季。合理的小區規劃對居住建筑的節能也非常重要。南京聚福園小區內的建筑全為南北朝向，住宅建筑長軸和夏季東南風成30°～45°夾角，南部樓棟以3個單元、兩個單元拼接并且結合消防間距留出8～20m距離，形成樓棟風道，有利于夏季東南風暢通，并阻擋冬季東北風，從建筑朝向設計上為建筑節能提供了有利條件(見圖2)。

2空間設計

自然通風的效果與空間設計有著密切的關系。通過模型試驗，我們可以發現不同平面形狀上的空氣流動線路是不同的，風向也是其中關鍵的因素。在平面上，進出風口的位置關系影響著空氣流動線路?？諝饬鲃泳€路上的隔斷墻、家具等因素也會影響通風效果。建筑平面設計中使空氣流動線路暢通是改善自然通風效果，減少空調耗能的重要手段。在建筑剖面設計上，將進風口放在較低的位置，把出風口放在較高的位置，可以更好地改善室內熱環境。增大出風口面積也比增大進風口面積更有利于通風。在建筑空間內部提高頂棚高度，形成上下貫通空間，在頂部設置出風口，讓上升和滯留在室內上部的熱氣順暢排出，可節約機械排風所耗能源。為了促進氣流上升，通過設置太陽能煙囪也可以實現高效的低能耗通風(見圖3)。圖3太陽能煙囪示意圖由諾曼•福斯特爵士1994年擔綱設計的德意志商業銀行總部大樓于1997年竣工。這座53層、高298.74m的三角形高塔是世界上第一座高層生態建筑，也是目前歐洲最高的一棟超高層辦公樓。福斯特設計了一個三角形平面，電梯井、樓梯井直達頂層，三面圍繞的49層通風大廳成為塔樓的中心，13個3層高的花園盤旋環繞在大廳周圍。三角形平面把辦公區分成3個部分，各部分既有適宜管理的尺度，又有足夠的進深使周圍的專用辦公室能面對一個隨意的內部空間，提供一種沒有嚴格等級劃分，能促進相互交流的辦公氛圍。花園提供了日常交往的場所，在此能看到其他樓層上的人，這種設計方法旨在消除人們之間的心理隔閡。盡管花園和大廳增加了建筑物的空間，但這樣的建筑外形可使陽光最大限度地進入建筑內部，使內部的辦公室直接得到陽光，獲得最好的景觀，并結合自然對流與中央筒體的“煙囪效應”，使大廈具有良好的自然通風(見圖4)。

3地面設計

建筑地面設計中利用風來提高居住舒適度，節約能源的做法是高溫高濕地區的架空地面設計。在夏熱冬暖地區，夏季通常既炎熱又潮濕，通過架空地面設計，避免地面下的蓄熱和濕氣的滯留，促進通風，達到室內環境的舒適。有些建筑將一層架空，形成外部活動場所，既豐富了地面公共空間的功能，又解決了上部室內空間的濕熱問題，是建筑設計利用風實現環境舒適的綠色環保方法。

4墻體設計

建筑墻體的防風和引風設計是建筑節能設計的兩個方面。在寒冷地區，提高墻體密閉性，防止寒風侵入，可以節約采暖能源。在炎熱地區，設置雙層墻體，讓空氣在墻的空隙中流動，冷卻室內空間，可以節約制冷能源。在一些建筑設計中，透空墻體的設置，將室內空間需要的風引入室內，同時也不會失去其室內私密性。而更積極的建筑設計手法是設置導風墻，引風入室，并且安裝可控百葉板控制風量，主動利用風能，滿足室內環境使用要求。新近落成的諾基亞綠色大樓位于北京經濟技術開發區東部，占地面積70000多m2，集諾基亞大中國區總部、產品研發機構于一身，有近2000名員工在此辦公。大樓從設計階段就嚴格遵循美國綠色建筑協會制訂的“綠色建筑評估體系”標準，采用了“會呼吸的玻璃幕墻”等30多項獨具匠心的環保設計。大樓外墻是由中空的雙層玻璃墻構成，配合中央空調讓室內溫度不受室外溫度變化的影響，僅此一項即減少大樓能耗14%(見圖5)。

5窗戶設計

窗戶是風的進出口，通過窗戶的設計可以獲得良好的自然通風效果，節約能源。窗戶周邊的挑檐和側墻能起到固定式風斗的作用，可有效地將風引入室內。立軸旋轉窗是活動式的誘導風向裝置，它可以根據室外不同的風向，調整窗的旋轉角度，將風引入室內。窗戶尺寸對氣流速度和氣流流場有很大影響。合理選擇進風口和出風口的尺寸，可以控制氣流速度和氣流流場。將窗戶開口設計成可逐漸增加開口面積的徐變裝置，可以根據不同的室內外條件調節進出風量，實現最佳通風狀態(見圖6)。提高窗戶的氣密性，可以使窗戶在完全關閉狀態下杜絕縫隙風的進入。經過特別設計的窗戶也為建筑節能提供了有利條件。比如，進氣通風窗(見圖7)讓通風的空氣經過窗戶的玻璃夾層，讓建筑逸出的熱量或冷量來加熱或冷卻入室空氣，減少能耗。這種節能方式被用于芬蘭的帕米歐肺結核療養院，通過玻璃的熱損失被用來加熱入室的空氣。

6屋頂設計

采風設計是建筑屋頂設計的重要內容。采集到室內空間需要的空氣流是實現自然通風和節約能源的關鍵。通過屋脊采風是積極主動地通過屋脊形狀的設計，創造出屋頂正壓和負壓的合理分布，在正壓部位設置進風口，引導空氣進入室內(見圖8)。在主導風向固定的地區，可設置固定的采風口，在風向不固定的地區，可以多方向設置采風口。屋檐部分是局部風壓很大的地方，可以設置通向室內的風道，有效利用此處的風來改善室內的環境，減少能源消耗。

7風力發電

建筑設計中采用風力發電系統對于風能資源豐富的我國是非常好的綠色建筑設計方法。我國的陸地風能資源總儲量在10m高度層約有32.26億kW，可供開發利用的約占16%，相當于1996年全國發電裝機總量，與可開發的水電裝機容量為同一量級，各省份風能資源實際可開發量均超過百萬千瓦。風力發電的最大問題是其不穩定性，解決這個問題可以采取的方法有：與電網相連，采用大型蓄電池，采用“風力—光伏”互補系統，采用“風力—柴油機”互補系統。風輪機的輸出功率與風速的立方成正比，因而風力發電機常常被安裝在屋頂上，建筑師必須考慮工業產品的風輪機與建筑造型的協調問題。將風力發電機的風塔納入到統一的建筑設計中是協調二者關系的可行方法。將風力發電機的桿軸尺度、葉片數量和翼展形狀作為造型元素，參與到整個建筑造型的組合中來，可以創造出美觀的風力發電建筑物。

8結語

我國是一個發展中國家，人均能源資源相對貧乏，建設節能建筑是保證國家能源安全的重要途徑。利用風來實現建筑節能，是建筑師可行的設計理念，也是建筑師必備的設計技能。在建筑設計中利用好風，將有助于一個可持續發展的綠色建筑時代的到來。