自然风在房屋建筑设计中的应用与分析

摘要：随着能源的日趋短缺，作为能源消耗大户的建筑行业，通过节能手段来减少能源的消耗是十分有必要的。自然风的利用是近几年房屋建筑设计的新措施，本文主要探讨了房屋建筑设计中自然风的几种利用方式，值得推广应用。
关键词：房屋建筑；自然通风系统；节能；自然风；应用
众所周知，我国资源是比较短缺的，而建筑节能是有利于从根本上促进能源资源节约和合理利用，缓解我国能源资源短缺的压力。现阶段我国大力推进建筑节能，建筑节能处在关键时期。自然风被誉为仅次于太阳能的第二大可再生能源，自然风的利用潜力是巨大的。在低碳时代的今天，如何加强自然风应用成为了房屋建筑节能设计的新话题。
1 房屋建筑设计中自然风的应用技术
1.1 自然通风系统
建筑的自然通风系统利用风的物理特性促使空气在建筑内流动，是室外的空气在热压和风压的作用下对室内进行通风换气的一种系统形式，能引进新鲜且比室内温度适宜的室外空气，在炎热季节中，最大限度促地进空气流动，有效降低室内气温；在寒冷条件下，减小空气流动，以避免出现冷空气紊流，从而维持室内舒适度。自然通风可节省可观的能源负荷而达到节能环保的目的。按照建筑通风系统中的作用程度与范围不同，可将通风方式分为以下几种。
①利用风压自然通风
风压通风是通过水平方向的风力压差引导通风。风会在建筑的迎风面产生正压，在背风面产生负压，建筑周围的环境、建筑的形式、建筑与风的夹角等都会影响压力差的大小。通常说的“穿堂风”就是利用风压在建筑内部产生空气流动。由于自然风变化幅度较大，在不同季节的风向、风速会不同，应采取一定的构造措施来调节室内气流状况。
②利用热压自然通风
利用建筑内部的热压，通过室内空气在垂直方向上的温度压差使空气流动，产生“烟囱效应”。有时建筑周围高大建筑、植被的影响，以及自然风的不稳定性，导致建筑周围形不成足够的风压，此时便可利用热压原理来加速自然通风。
③机械辅助式自然通风
通常一些大型商业建筑、展览馆、体育馆等，通风路径长，流动阻力大，自然风压、热压不足以实现自然通风。尤其是空气和噪音污染严重的大城市，不宜直接自然通风，因为这样可能将室外污浊的空气和噪音带入室内，危害人体健康。所以这些情况下便可借助一定的机械方式来实现室内自然通风，改善室内的通风状况。
1.2 风能的利用系统
风能是一种清洁的可再生能源，目前使用较为成熟的风力能源利用系统是风车或称“风力涡轮机”，它们一般能够利用40%～50%的风能，效率高的甚至达到70%，要优于传统的水力发电和蒸汽循环发电系统。高而平稳上升的山脊上并靠近顶部是风力能源收集的理想位置，还需要有大面积平地与顺风的地方。靠近山脊较为理想，但也取决于斜坡度的倾斜度和风流的角度。
2 房屋建筑规划设计中自然风的应用
2.1 建筑物的朝向
在确定建筑物的朝向之前，应了解当地风的相关特性，如夏季和冬季主导风的方向及速度等，通常应尽量使建筑主立面朝向夏季主导风向。
2.2 建筑物的间距
如果建筑物南北向日照间距较小，后排建筑会被前排建筑遮挡，造成风压小，不利于风，而日照间距较大时，风压就强，自然通风效果也好。所以在建筑群的规划设计中，应适当加大建筑的间距，形成组团绿地，改善自然通风条件，同时也为人们提供良好的休息和交流的场所。
2.3 建筑群的布局
建筑群的布局宜采用散点式，可使中心建筑、公共绿地等有规律地或自由布置，取得较好的通风效果。路网设计可采用以曲代直的规划方法，创造出良好的自然通风环境。在建筑群的主要道路设计主通风道，再沿通风廊道流向各建筑，使自然风畅通。
3 房屋建筑单体设计中对自然风的应用
3.1 建筑中庭设计
建筑中庭具有调节室内微气候和节约建筑能耗的作用，在各类公共建筑应用较为广泛。中庭设计通常采用大面积玻璃维护结构，让阳光穿透室内，并阻挡来自室内的长波辐射，防止热量外溢，有利于提高冬季建筑室内温度；中庭内外空气压力差引起室内外空气流动，其垂直高度较大，可通过烟囱效应加快气流速度，排放室内多余热量，引入室外新鲜空气，降低了室内温湿度，节省了夏季空调费用。但为防止冬季的烟囱效应引入大量寒风，夏季的温室效应导致室内过热，应合理地设计中庭。
建筑的中庭设计，应根据外部情况，采取适当的技术措施形成诱导通风，改善室内环境，避免大量能源的耗费。建筑的平面形式和剖面形式应合理选择，对体型较大的建筑中庭设计，其敞口应大致朝向夏季主导风向，并且可增加它对外的开口面积，以解决大进深中庭的采光问题。中庭设计应该合理利用气压流动原理进行空间布局，创造良好的自然通风条件。如在中庭的夏季下风侧位置专设一项竖向拔风空间，产生烟囱效应，并兼作自然采光口，人们可通过调整竖向空间设计、上部窗口的开启大小来进行自然通风的控制；其竖向空间顶端设一弧形的蓄热墙，吸收热能，加强热压对通风的促进作用。中庭设计造风的一个重要手法是通过建筑设计手法制造环境各部位的温差，如采用玻璃中庭，可形成温度差异，改善通风条件，并且能在夏季防止过当得热。
3.2 建筑窗的设计
大多数建筑可通过门窗对房间进行单侧通风或对流通风来实现自然通风，而窗户的气流量取决于自然风在立面竖向分布的情况及窗户的面积。窗的设计涉及形状、方位、高度及开启的大小等，它们都会对室内气流情况产生影响。
不同形状窗产生的通风气流可能影响室内的不舒适区域，窗的形状在设计时应当考虑室内风影区的覆盖范围，因为风影区中的空气流动较少。窗的方位设计对房间中可获取的太阳能及热量的损失情况影响较大，冬季南向开大窗有利于获取更多的太阳热量，东向西向的窗户上常做遮帘，北面开小窗有利于减少热量散失。窗户的合理设计应成为良好的建筑装置，冬季也不影响建筑的保温效果，夏季既要能遮挡阳光，又同时获取最大的通风量。将窗户交错排列而不是成一条直线排列，将有利于加强空气流动。由于温差导致空气上升，所以窗的高度也会影响室内的通风效果。高处位置的窗户有助于气流流动，并能在阴天提供最好的采光；中部的窗可提供均匀的通风，但采光不均匀；低窗不能提供很好的通风条件，但可使光线经地面反射后均匀分布。所有建筑窗的大小均须满足日照、通风、及太阳能的遮挡或透入。在湿热地区，窗户面积宜大以便于通风；在寒冷地区，窗户宜大且密封性要好，即可充分吸收太阳能，又可以防止冷风渗透；在干热气候区，通常采用面积小的窗户，因为较小的窗户即可获得充分的采光，并防止更多的热量进入室内，但如果为改善通风条件而加大窗户尺寸，必须采取有效的遮阳防辐射措施。
3.3 通风换气塔的设计
风塔的设计一般利用热压通风原理，该系统通过烟囱效应使塔内空气上下流动。夏季高温时，塔内温度很高，烟囱效应使室内热空气被抽入塔顶，取而代之的是来自庭院的凉空气，这样在无风的情况下室内也可获得舒适的气流。风塔在结合下部的水景或者水盆后会具有更好的通风效果，水蒸发伴随的吸热现象，可以使风塔内部竖向空间温度差增大，从而使空流动加速，并且水的蒸发还能改善空气干燥的状况。
通风换气塔进出风口的高差对热压通风影响较大，塔越高，上下部之间的温差和压力差越大，空气流速就越大，所以利用热压通风的建筑一般会通过拔高的风塔来增加上下的压差。风塔的尺寸与位置与建筑周边的风环境有关，一般将风塔设置在建筑的迎风面会取得最高的利用效率，但为了改善整体建筑的通风效果，通常将风塔设在靠近建筑中心的位置，对四周的气流均可产生吸力。风塔进出风口的形式也会对热压通风造成影响，在出口处设置导风板，通过漏斗状的开口来压缩气流，增大风速，使产生的负压更大，增强了风塔拔风的效果。
3.4 双层玻璃幕墙设计
双层玻璃幕墙系统具有较好的节能潜力，有外挂式、空气环流式和走廊式双层玻璃幕墙等几种形式，被公认为具有“生态”意义的建造方式。在夏季，双层玻璃幕墙中间的遮阳百叶可遮挡较强的阳光辐射，积聚在外层窗和百叶之间的热空气上升至顶部排出，使夹层内的温度降低；寒冷的冬季，双层玻璃之间的空气层则起到保温作用。此外，双层玻璃幕墙还可有效解决高层建筑的通风问题，其外层的玻璃可阻挡高空的风力，避免直接开窗造成紊流，而由室内的窗户从幕墙的中间层引入新鲜空气。
4 结语
总之，在人们生态环保意识日益加强的趋势下，自然风的应用已经成为房屋建筑设计当中一项重要的内容，越来越受到人们的重视。自然风是种廉价、环保的自然资源，建筑师们应该在建筑设计中尽可能利用自然风，降低能耗，减少污染，走符合可持续发展原则的建筑创作之路，不断为保护好我们的自然环境做出应用的贡献。