高层建筑生态效益评价与设计的研究

5.2.3.1　通风双层幕墙

通风双层幕墙是一种建筑表皮的生态构造手法，也称敞开式外循环呼吸幕墙（与之相对的是封闭式内循环呼吸幕墙，依赖暖通机械系统，偏重调节建筑内部气温），一般应用在高层办公建筑中。根据材质、空气层厚度等方面的不同，双层表皮能呈现出许多不同的形式，以适应不同的设计要求。

通风双层幕墙之所以适用于高层办公建筑，一是由于高度越高风压越大，导致高层建筑不能直接对外开窗，而双层表皮使高层建筑开窗通风成为可能；二是传统高层办公建筑高度依赖机械手段维持内环境，而合理设计的双层幕墙能够降低空调和通风系统负荷；另外，办公楼大多位于噪声、污染严重的市区，双层幕墙能够有效隔绝外部有害环境，改善办公空间品质。

这种外墙构造本质上是一种热缓冲区，即在室外与有采暖和降温要求的房间之间，增加一个没有采暖和降温要求的空间对新鲜空气进行缓冲和调节，使室内获得温度、速度适宜的气流。冬季时，双层表皮的空气间层处于封闭状态，在受到太阳辐射后成为保温层，以内循环的方式维持室内舒适度。

双层幕墙由传统立面层（内表皮）、附加的外表皮、内外表皮之间的空气层三部分组成。空气间层内通常需要附加遮阳构件、控制气流的百叶、机械辅助通风系统、能量回收装置等。基于热压和风压通风原理，外表皮下部设进风口，上部设排风口，空气及热量在间层中与内表皮交换，内表皮上设可开启窗。其通风组织的成功与否关键取决于空气间层的分隔形式。

有实验表明，双层玻璃幕墙在不同朝向上均有较好的热工性能，在辐射强烈的西向放热优势最明显，南向次之。有通风功能的外循环式幕墙，有较强的控制室外与空气腔温差的能力。当室外有适宜风压时，幕墙可采用通风口全开的风压通风模式；当室外为静风环境时，幕墙可采用上下风口的热压通风模式^[12]。

5.2.3.2　单层外墙界面

1. 窗墙比

建筑窗墙比、围护结构上开口的尺寸、窗户的形式及开启方式的不同处理，能够直接影响建筑内部最终获得的通风效果。根据测定，窗地比为15%～25%范围内、开口宽度为开间宽度的1/3～2/3时，获得的室内通风效果最好。开口在平面上的相对位置对室内气流分布起决定性影响。

2. 开窗形式

（1） 外窗开启方向

外窗的种类有很多，如固定窗、平开窗、下悬窗、中悬窗、上悬窗、立式转窗、多向开启窗、平行外推窗等。不同的外窗开启方向、窗扇形式，对导风效果会产生不同的影响。

窗扇迎向来风方向开启，能为室内导入风速较快的气流；窗扇背向来风方向开启，对导风最为不利。当室外来风方向与建筑外墙面呈一定角度时，宜选择左开或右开的平开窗、立式转窗；当室外来风方向垂直于建筑外墙面时，宜选择下、中、上悬窗；当需要从下方向上引入气流时（如整体式双层幕墙的内表皮开窗），宜选择下悬窗。

深圳建筑科学院办公大楼的设计，就特别注意了不同立面的外窗开启方式。具体见章节3.2.2。

（2） 空气流动窗

空气流动窗的原理是，通过增加空气借助建筑外表面的面积、加长气流流动路径，从而达到预热空气的目的，使空气可以不通过导风管道和换热装置就能被房间利用。这种窗同时还具有回收排出室外的空气的余热的作用。其大小需根据风荷载来确定。

阿尔瓦·阿尔托设计的位于芬兰的帕米欧结核病疗养院，就利用了空气流动窗这种构件（图5—25）。室外空气被带入玻璃夹层之中，迂回后进入房间。同时，空气在此过程中的热损失可以用来加热后续引入的空气。

另一种构造较为复杂的空气流动窗，也称为“进气通风窗”。这种窗使空气在多层玻璃板中流动（图5—26），从而将空气温度提升到接近室内气温。与之相对的，在排风方面可以使用“排风通气窗”，或者通过管道将需要排出的空气带到换热器所在的区域。排风通气窗能够减少整个建筑的导热热损失。

图5—25　帕米欧结核病疗养院的病房外窗

图片来源：《太阳辐射·风·自然光——建筑设计策略》

(www.xing528.com)

图5—26　进气通风窗构造

3. 导风板

由于场地条件、建筑朝向、开口位置等原因，建筑开口不能面向主导风向而使风速受限时，在围护结构上的开口周边设置片墙能改变建筑周围的正压区和负压区，引导气流流入房间，且能明显增加进入室内的气流速度。

导风板设计要点：

（1） 导风板长度与位置一定时，室外来风方向与墙面夹角为30°～60°时，室内风速最高。

（2） 导风板出挑长度至少为窗户宽度的0.5～1倍、导风板之间的距离至少为窗户宽度的2倍时，导风效果最佳（图5—27）。

图5—27　导风板推荐尺寸

图片来源：作者改绘自《太阳辐射·风·自然光——建筑设计策略》

（3） 当导风板超过一定长度后，导风板增加带来的风速增加不明显。

5.2.3.3　屋顶界面

在高层建筑的屋顶构造，有时会结合屋面采光通风器进行设计。通风器连通的是贯穿建筑内部的气井、烟囱，它通常同时承担着通风、采光、太阳能集热的复合功能（图5—28）。这种井道的狭长形态，与上海里弄住宅的梯间井十分类似，且同是利用了热压原理实现通风。

由伊东丰雄设计的日本仙台媒体中心，就将这种井道运用得极为精彩。贯穿七层建筑的13根形态各异的管道，一直延伸到屋顶。管道综合了交通核心、通风、采光、信息传递、外部形象表达等多重功能，完美地体现了建筑界面的生态效应、技术性及艺术性的结合。

图5—28　屋面采光通风器示意

5.2.3.4　绿植辅助通风

1. 原理

利用现代技术条件把绿植的配置与建筑的围护结构结合起来设计，不但可以达到防风和建筑节能的目的，还可以取得独特而简洁美观的效果。与传统砖石材料外围护结构相比，植物墙（意指设置覆土层的小型植株或生长在铁丝网上的爬藤植物）修建起来更加经济，对调节室内外环境起到积极的作用，而且能为钢铁森林的现代城市提供野生动物栖息的场所。研究发现，利用植物对建筑的热工性能进行调节，在暴露的墙壁外覆盖植物屏障，可以使墙壁的能量效率提高8%^[13]。

2. 设计原则

当建筑优先考虑夏季降温时，应选择藤叶茂密、生长期与夏季时间相应的多年生植物；当建筑优先考虑冬季保暖时，应选择遮挡较少的枝状植物。注意，无论如何不要使植物遮挡住太阳能收集洞口，除非植物能够根据季节变化被移开。

外围护界面利用植物的弊端是后期维护复杂，一旦维护不利，不仅达不到预期的效果，更会造成经济损失，恶化办公室内环境。因此，在选择植物的时候要特别注意，优先选择不需或少需维护的物种。