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基于自然通风的被动式节能建筑设计思路研究

发表时间：2021/6/3 来源：《基层建设》2021年第2期作者：杨现

[导读] 摘要：建筑在满足人们居住与使用需求的同时也在破坏着生态环境，让人与自然之间的矛盾更加尖锐。

        云南正元安泰建设工程设计咨询有限公司云南昆明 650228
        摘要：建筑在满足人们居住与使用需求的同时也在破坏着生态环境，让人与自然之间的矛盾更加尖锐。因此在进行建筑设计时，要能结合国家节能环保要求与可持续发展理念对建筑形式、功能等进行优化，有效提高建筑的节能性，让建筑对生态环境的负面影响降到最小。本文结合实际，主要就基于自然通风的被动式节能建筑设计策略进行探究论述，以供参考。
        关键词：被动式节能设计；自然通风；设计策略
        建筑是高能耗工程，会对自然环境产生严重污染与破坏。如高强度的开发与使用使原有的自然环境受到破坏，巨大规模的建筑个体的也让原有的微气候条件发生改变；同时建筑在开发、建设、使用以及拆除等全生命周期内都在损耗着大量资源【1】。因此在建筑设计中引入被动式节能理念与方法，充分利用自然通风提高建筑节能性具有重要意义。
        1建筑被动式节能与自然通风设计概述
        1.1被动式节能
        对于建筑的被动式节能设计，我们可以将其理解为对自然环境与气候的适应。在进行被动式节能设计时，相关人员需要充分了解当地的气候特征，并结合建筑造型与功能要求，灵活运用采光、通风、遮阳等技术来提高建筑对地区气候的适应性，在保证建筑安全与舒适的同时最大程度减少建筑能耗，降低建筑对自然环境的影响。在被动式节能设计理念下，设计人员主动运用可再生能源代替传统能源，减少建筑对传统能源的消耗，从而让可持续发展目标能够顺利实现。相较于其他的建筑设计技术与理念，被动式节能设计最大的特点就是能在不使用机械设备、不输入外部化学能量的基础上让建筑内部环境效果得到改善。在被动式节能设计理念下设计出的建筑环境是与自然环境能够相互协调、和谐共生的环境【2】。
        1.2自然通风设计
        研究与实践证明，良好的通风环境能够使建筑内部的负离子含量增加，从而让建筑环境更有利于人体健康。但目前大部分建筑内部的环境属于人工空调环境，人工空调环境虽然具有恒温恒湿的特点，但是无法让建筑室内空气富含充足的负离子。因此当人长期处于人工空调环境时，就会出现疲倦、头昏等不良状态。
        鉴于此，在进行建筑设计时也必须重视对自然风的运用。设计人员需结合当地气候特征、通风条件等，运用先进的知识理论与技术方法在建筑内部创造出良好的通风条件，以此提高建筑室内环境的舒适度与安全性，让建筑使用者的身体健康得到保障【3】。
        2基于自然通风的被动式节能建筑设计思路
        2.1准确计算风荷载改善建筑形体与结构
        研究与实践证明，建筑受风力影响明显，风荷载及其效应对整个超高层建筑结构的抗侧体系与基础抗倾覆设计都有着十分重要的影响【4】。因此在进行建筑设计时，设计人员要能在充分考虑风荷载及其效应的基础上合理设计建筑的形体以及结构。不同的建筑体型会影响风在建筑中产生的漩涡脱落状况。按照一般理论，当高度越高时，风速也就越大。因而在进行建筑设计尤其是建筑顶部设计时，要能合理调整体型，以此减小建筑的受风面积，防止建筑上部风压过大。如设计人员可采用变化的造型消除涡激共振。在设计过程中，根据当地气候特征以及常年的风力、风速来科学计算、合理确定建筑竖向的截面形状以及建筑宽度，通过对宽度以及竖向高度等的改变将建筑尾流场漩涡的泄放规律打破，从而避免风压对建筑的影响，达到节能环保的目的【5】。除此之外，在设计时还可在建筑的某些区域设置通风口来减小或消除风压影响。如我国上海环球金融中心在建筑顶部设计了一大巨大的洞口，利用这个洞口让风可以顺利、不受阻挡地通过建筑物，从而让建筑外部受到的风荷载大幅减少，并且也让整个建筑的造型更具艺术性与观赏性，让设计效果达到了优化。
        研究与实践证明，方形、圆形的建筑有较好的节能效果，因而在设计过程中应优先考虑运用。

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同时为了使风力资源得到充分运用，在设计时还可对建筑形体进行创新，如将圆形与方形作为基础，演化出一种新的折中形体。在设计建筑形体时设计人员可将圆形与方形有机组合，让建筑的四个角部有弧线产生，以此提升建筑的抗风性能，并让建筑整体的生态系统更加健康平衡。
        建筑在垂直方向上宜通过体型的有节奏变动或外部界面的空间变化等手法消除风在建筑主体上产生的涡激共振，减少由于结构构件数量增加所带来的投资影响以及对内部空间使用的制约。在设计过程中，设计人员可结合当地的气候特征，以降低建筑能耗、提高建筑舒适度为目标，运用BIM、CFD等先进的技术与软件构建建筑模型，虚拟出建筑不同形体下的通风效果，最终确定出最佳的设计方案。在以往的设计中，部分人员单纯认为顶部形状趋向于圆形且顶部面积越小的建筑形式就是适应风环境的最佳形式。其实不然，在设计时只有综合考虑建筑结构刚度、平面使用率以及内部环境舒适度等各项因素设计出来的建筑形式才最为科学合理。
        2.2构建生态腔体营造健康建筑环境
        在建筑内部构建生态腔体的做法主要是参考生物内部结构，让建筑能跟生物一样“自由呼吸”。在于建筑内部构建起生态腔体后，就不再依赖空调、通风管的设备向建筑内部输送空气以及新风，生态腔体会直接向建筑输送自然的空气、阳光、风等能量，并将建筑内污浊的空气输送出来。在于建筑中构造生态腔体时，首先应对当地的气候条件进行了解掌握，其次再根据建筑的形体特点以及使用功能需求等科学设计建筑纵向空间，并灵活运用井道、边庭、中庭等内部贯通的纵向空间形成良好的垂直腔体，让建筑可以自然的进行热压通风，从而让建筑内部的空气条件、通风条件以及温度条件等均得到有效改善。同时为了使建筑内部生态腔体的功能作用能充分发挥，在设计时还应当严格遵循开放性、整体性等各项设计原则，确保生态腔体的设计科学合理。
        建筑系统内部各项功能在运转过程中需要与环境进行信息、能量以及物质等方面的交流，因此建筑内部的生态腔体要具备开放性的特点。生态腔体要向外界或者说外部环境开放，接受并想建筑内部各功能系统输入自然能量，然后将建筑内部的废弃、热量等排放到自然界中。在设计时，生态腔体的开放性可以通过各种形式来实现，如通过建筑某区域设计可以开合的洞口或设计完全连通外界的口部等。通过这些生态墙体，建筑的耗能量将大大降低，建筑内部环境也会得到显著优化
        2.3构建呼吸表皮发挥自然风的作用
        为让自然风的功能作用在建筑中得到充分发挥，设计人员还可为建筑设计呼吸表皮，利用呼吸表皮来为建筑获取风、空气以及阳光等资源，有效达到节能环保目标。对于建筑的呼吸表皮，可将其理解为建筑的外衣，是分隔建筑能外部环境与内部环境的界面，它没有厚度内涵。建筑的呼吸表皮主要是基于生态腔体自然通风原理使建筑各系统功能能在运转过程中顺利与外界气流进行交换，将自然新风引入到建筑中，使建筑内部舒适宜人。
        3结语
        综上所述，基于自然通风的被动式节能建筑设计有利于降低建筑能耗，提升建节能性与舒适度，让建筑使用者享受到一个安全、健康的建筑环境。为此，在进行建筑设计时要能结合当地自然环境特征与气候特点，根据建筑在造型及使用功能方面的要求灵活运采用多种策略在建筑内营造出良好的自然通风条件，让建筑性能得到改善优化。
        参考文献：
        [1]蒋惠，范昕杰.被动优先的办公建筑节能设计实践——以上海西虹桥42-03地块为例[J].建筑技艺，2020（05）：99-101.
        [2]张雨婷，许从宝.基于自然通风的被动式节能建筑设计策略[J].城市建筑，2019，16（36）：51-53.
        [3]王力凯. 中庭结合空中庭院的高层建筑自然通风规律研究及生成设计初探[D].南京大学，2014.
        [4]朱璿伊. 武汉市高层居住建筑以通风为导向的被动式节能设计研究[D].武汉工程大学，2013.
        [5]卓晋勉.夏热冬暖地区被动式建筑节能设计探讨[J].福建建设科技，2012（02）：60-63.