风与建筑节能综述

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地球大气中各处接收到的太阳辐射能和放出的长波辐射能是不同的，因此，空气在大气中各处的温度也不同，这就造成了气压的差别。大气总是由气压高的地方向气压低的地方流动，而水平方向的大气流动就形成了风。风能就是空气的动能，风能的大小决定于风速和空气的密度。利用风促进室内通风换气和风力发电是建筑节能设计的主要方法。

1朝向设计

建筑朝向设计是建筑节能设计的重要内容。建筑朝向选择的原则是冬季能获得足够的日照并避开主导风向，夏季能利用自然通风并防止太阳辐射。水平通风就是通常所说的“穿堂风”。水平通风是建筑在迎风面和背风面的空气压力差产生的内部空气流动，夏季它可以降低建筑外表面温度，促进室内气流循环，改善室内热环境，满足人体舒适度，减少空调使用时间，节约能源。中国建筑气候区由严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区和温和地区组成。严寒地区和寒冷地区在建筑朝向选择上要避开冬季主导风向，避免建筑内部热量的损失，提高能源利用效率。夏热冬冷地区和夏热冬暖地区在建筑朝向选择上要尽量与夏季主导风向垂直，并且在内部空间设计通畅的通风路径，利用自然风降低温度，改善室内热环境。合理的城市规划能巧妙地利用风为城市营造舒适的居住环境。位于美国南卡罗来纳州的Ashley和Cooper河之间半岛上的城市查尔斯顿市(见图1)，城市规划设计为了利用凉爽的西北向夏季风，将街道东西向排列，从城市河岸的一侧一直延伸到另一侧，从而把风引入城市，让整个城市拥有一个清凉的夏季。合理的小区规划对居住建筑的节能也非常重要。南京聚福园小区内的建筑全为南北朝向，住宅建筑长轴和夏季东南风成30°～45°夹角，南部楼栋以3个单元、两个单元拼接并且结合消防间距留出8～20m距离，形成楼栋风道，有利于夏季东南风畅通，并阻挡冬季东北风，从建筑朝向设计上为建筑节能提供了有利条件(见图2)。

2空间设计

自然通风的效果与空间设计有着密切的关系。通过模型试验，我们可以发现不同平面形状上的空气流动线路是不同的，风向也是其中关键的因素。在平面上，进出风口的位置关系影响着空气流动线路。空气流动线路上的隔断墙、家具等因素也会影响通风效果。建筑平面设计中使空气流动线路畅通是改善自然通风效果，减少空调耗能的重要手段。在建筑剖面设计上，将进风口放在较低的位置，把出风口放在较高的位置，可以更好地改善室内热环境。增大出风口面积也比增大进风口面积更有利于通风。在建筑空间内部提高顶棚高度，形成上下贯通空间，在顶部设置出风口，让上升和滞留在室内上部的热气顺畅排出，可节约机械排风所耗能源。为了促进气流上升，通过设置太阳能烟囱也可以实现高效的低能耗通风(见图3)。图3太阳能烟囱示意图由诺曼•福斯特爵士1994年担纲设计的德意志商业银行总部大楼于1997年竣工。这座53层、高298.74m的三角形高塔是世界上第一座高层生态建筑，也是目前欧洲最高的一栋超高层办公楼。福斯特设计了一个三角形平面，电梯井、楼梯井直达顶层，三面围绕的49层通风大厅成为塔楼的中心，13个3层高的花园盘旋环绕在大厅周围。三角形平面把办公区分成3个部分，各部分既有适宜管理的尺度，又有足够的进深使周围的专用办公室能面对一个随意的内部空间，提供一种没有严格等级划分，能促进相互交流的办公氛围。花园提供了日常交往的场所，在此能看到其他楼层上的人，这种设计方法旨在消除人们之间的心理隔阂。尽管花园和大厅增加了建筑物的空间，但这样的建筑外形可使阳光最大限度地进入建筑内部，使内部的办公室直接得到阳光，获得最好的景观，并结合自然对流与中央筒体的“烟囱效应”，使大厦具有良好的自然通风(见图4)。

3地面设计

建筑地面设计中利用风来提高居住舒适度，节约能源的做法是高温高湿地区的架空地面设计。在夏热冬暖地区，夏季通常既炎热又潮湿，通过架空地面设计，避免地面下的蓄热和湿气的滞留，促进通风，达到室内环境的舒适。有些建筑将一层架空，形成外部活动场所，既丰富了地面公共空间的功能，又解决了上部室内空间的湿热问题，是建筑设计利用风实现环境舒适的绿色环保方法。

4墙体设计

建筑墙体的防风和引风设计是建筑节能设计的两个方面。在寒冷地区，提高墙体密闭性，防止寒风侵入，可以节约采暖能源。在炎热地区，设置双层墙体，让空气在墙的空隙中流动，冷却室内空间，可以节约制冷能源。在一些建筑设计中，透空墙体的设置，将室内空间需要的风引入室内，同时也不会失去其室内私密性。而更积极的建筑设计手法是设置导风墙，引风入室，并且安装可控百叶板控制风量，主动利用风能，满足室内环境使用要求。新近落成的诺基亚绿色大楼位于北京经济技术开发区东部，占地面积70000多m2，集诺基亚大中国区总部、产品研发机构于一身，有近2000名员工在此办公。大楼从设计阶段就严格遵循美国绿色建筑协会制订的“绿色建筑评估体系”标准，采用了“会呼吸的玻璃幕墙”等30多项独具匠心的环保设计。大楼外墙是由中空的双层玻璃墙构成，配合中央空调让室内温度不受室外温度变化的影响，仅此一项即减少大楼能耗14%(见图5)。

5窗户设计

窗户是风的进出口，通过窗户的设计可以获得良好的自然通风效果，节约能源。窗户周边的挑檐和侧墙能起到固定式风斗的作用，可有效地将风引入室内。立轴旋转窗是活动式的诱导风向装置，它可以根据室外不同的风向，调整窗的旋转角度，将风引入室内。窗户尺寸对气流速度和气流流场有很大影响。合理选择进风口和出风口的尺寸，可以控制气流速度和气流流场。将窗户开口设计成可逐渐增加开口面积的徐变装置，可以根据不同的室内外条件调节进出风量，实现最佳通风状态(见图6)。提高窗户的气密性，可以使窗户在完全关闭状态下杜绝缝隙风的进入。经过特别设计的窗户也为建筑节能提供了有利条件。比如，进气通风窗(见图7)让通风的空气经过窗户的玻璃夹层，让建筑逸出的热量或冷量来加热或冷却入室空气，减少能耗。这种节能方式被用于芬兰的帕米欧肺结核疗养院，通过玻璃的热损失被用来加热入室的空气。

6屋顶设计

采风设计是建筑屋顶设计的重要内容。采集到室内空间需要的空气流是实现自然通风和节约能源的关键。通过屋脊采风是积极主动地通过屋脊形状的设计，创造出屋顶正压和负压的合理分布，在正压部位设置进风口，引导空气进入室内(见图8)。在主导风向固定的地区，可设置固定的采风口，在风向不固定的地区，可以多方向设置采风口。屋檐部分是局部风压很大的地方，可以设置通向室内的风道，有效利用此处的风来改善室内的环境，减少能源消耗。

7风力发电

建筑设计中采用风力发电系统对于风能资源丰富的我国是非常好的绿色建筑设计方法。我国的陆地风能资源总储量在10m高度层约有32.26亿kW，可供开发利用的约占16%，相当于1996年全国发电装机总量，与可开发的水电装机容量为同一量级，各省份风能资源实际可开发量均超过百万千瓦。风力发电的最大问题是其不稳定性，解决这个问题可以采取的方法有：与电网相连，采用大型蓄电池，采用“风力—光伏”互补系统，采用“风力—柴油机”互补系统。风轮机的输出功率与风速的立方成正比，因而风力发电机常常被安装在屋顶上，建筑师必须考虑工业产品的风轮机与建筑造型的协调问题。将风力发电机的风塔纳入到统一的建筑设计中是协调二者关系的可行方法。将风力发电机的杆轴尺度、叶片数量和翼展形状作为造型元素，参与到整个建筑造型的组合中来，可以创造出美观的风力发电建筑物。

8结语

我国是一个发展中国家，人均能源资源相对贫乏，建设节能建筑是保证国家能源安全的重要途径。利用风来实现建筑节能，是建筑师可行的设计理念，也是建筑师必备的设计技能。在建筑设计中利用好风，将有助于一个可持续发展的绿色建筑时代的到来。