捕风器:一种鲜为人知的被动节能自然通风神器

古代篇:捕风塔——中东传统建筑元素

在中东地区,存在着一种名为捕风塔(Wind Tower)的古老被动通风降温技术,它的结构类似一个烟囱,为垂直管状结构,由外部的集风口和内部的管道两部分组成。捕风塔是古老的伊斯兰建筑在可持续发展方面的一个杰出的传统建筑元素,已有2000多年的历史,它在中东传统建筑中所起的作用类似于现代的空调系统。[1]

中东古老建筑元素:捕风塔 wind tower

图:中东古老建筑元素:捕风塔

捕风塔的工作原理主要是:考虑采用纵向的通风结构,利用风压和热压的综合作用加强通风效果,形成较强的对流,由于高处的风速一般比地面风速大,它可以捕获地面较高处的空气,并将它们引入室内(尤其是地下室),形成室内空气流动,为建筑降温。

传统捕风塔通风原理 wind tower

图:传统捕风塔通风原理

捕风塔位于建筑屋顶上部,高度从10~15m不等,开口有单向、双向、四向、八向等,这些塔通过顶部的开口捕获“风”,并经过狭窄的风道将它们引入室内,为建筑提供被动通风与降温。

传统捕风塔风口类型 wind tower

图:传统捕风塔风口类型[2]

捕风塔在传统伊斯兰庭院中被广泛应用,是具有重要“空间”象征意义的元素,而这种元素对于伊斯兰传统建筑的文化传承具有重要的意义。

捕风塔 wind tower

现代篇:捕风器——传统与现代的结合

传统的捕风塔(Wind Tower)通常与建造融为一体,由石块或者砖石混合建成,结构厚重导致支撑困难,且缺少风量调节功能,在中东以外的非炎热地区使用,在冬季会灌入冷风,不仅降低室内热舒适度,还浪费大量热量。

现代的捕风器(Wind Catcher)是在传统捕风塔的基础上发展而来,在原理上与传统捕风塔类似,在材料上有所不同——采用现代轻质、易加工的材料制作而成,并加入了许多创新,比如:增加了风量调节阀,与太阳能光伏电池结合,甚至与光导管结合——既通风又采光,等等。

安装于屋顶的捕风器 自然通风 wind catcher

图:安装于屋顶的捕风器

捕风器通常为立方体形状(当然也可以做成圆柱体),四面开口便于捕捉不同方向的风,开口设置成一定角度的防雨百叶,百叶内侧风口布置细密的过滤网用来阻止昆虫和大颗粒物进入。在捕风器内部,4个薄片状的隔板将捕风器等分成4个截面为等腰直角三角形的空间,每个空间既可以作为迎风面引入室外新鲜空气,也可以作为背风面排出室内污浊的热空气。在捕风器的底部,设置有手动或电动风阀,用来调节风量大小以及在冬季关闭捕风器。英国Monodraught开发的一款捕风器,在其顶部安装有太阳能电池,可为电动风阀供电,省去了外部电源的接入 [3]。

太阳能捕风器结构及工作原理 wind catcher

图:太阳能捕风器结构及工作原理[3]

捕风器作为被动式通风技术的其中一种,与其他自然通风方式相比,其优点是无论风向如何,总能将风捕捉并引入室内。捕风器特别适用于地下室以及大进深的房间,这些建筑空间利用开窗通风的换气效果有限,在不借助于机械通风的情况下室内空气品质极差;捕风器是一种零能耗被动式绿色建筑技术,可以完美取代机械通风系统,避免了机械通风带来的能耗、噪声、维护等问题

地下空间安装捕风器 自然通风

图:地下空间安装捕风器

即使在建筑的普通空间中,捕风器也是很有必要的。在夏季的夜间,当所有房间窗户都关闭时,捕风器依然可以给室内进行夜间通风,既保证了建筑的安全性又可以将蚊虫排除在外。

捕风器 自然通风

国外有研究人员对捕风器在学校教室中的应用进行了相关研究,发现捕风器在白天可以将教室内的平均温度降低1.5℃,室内最高温度可以比室外最高温度低约3。[4]

还有研究人员对一所政府办公建筑进行了研究,结果显示,在使用捕风器对建筑物进行夜间通风后,室内温度可以降低高达4。[4]

参考资料:
[1] Alheji Ayman Khaled B,王立雄.浅析捕风塔被动降温技术在现代建筑中的应用——以沙特阿拉伯地区为例[J].建筑节能,2018,46(02):57-60+65.
[2] 波斯建筑术语——风塔:https://www.douban.com/note/639107378/
[3] Monodraught捕风器:https://www.monodraught.com/products/natural-ventilation
[4] 吉喆.浅析捕风器的节能技术与应用[J].建筑与环境, 2012 (4) :67-69.

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