空氣與空間
Air and Spaces
“建築物必須設計成將腐壞的呼氣與新鮮的空氣流分開的樣子，就如同新鮮的水流必須從被使用過的水中分開一樣。我們的想法是建築物本身的形狀將確保令人滿意的通風，傳統的方法因而就顯得冗繁了。圓頂塔和穹頂被變成了機器來吸引瘴氣：專家們爬上屋頂呼吸他們所創造的無形的聞起來可怕的螺旋狀物。……腐壞空氣的程度是度量建築師效率的標準。”
—— Alain Corbin，1996年，《惡臭與芬芳：氣味與法國社會想象》，p.98
“汙濁的空氣對人體系統的影響……空氣……處於汙濁狀態，孕育著物理，道德和社會退化與衰敗的隱患。”
—— Griscom John Hoskins，1850年，《空氣的使用與濫用》，第二版，p. 74
空氣，是我們每天呼吸的彈性液體，被我們吸入體內。對“空氣”的興趣已經發展成為了對大氣環流、天氣、我們所謂的“氣候”以及對我們身體和心理活力的更廣泛的迷戀。空氣質量（Air Quality）這個概念的形成，或許可以追溯到18世紀的西方社會對於空氣的新鮮程度及其供給的焦慮上。其實，我們每天接觸的室內空氣包含了各種微粒物質——細菌，病毒，動物皮屑，塵蟎，花粉，黴菌，一氧化碳以及易揮發的有機化合物。“病態建築綜合症” （Sick Building Syndrome）在1986年被世界衛生組織官方認證為一種疾病。病態建築綜合症是指不是由疾病或者很確定的病理引起的，人員在建築內停留後對健康或者舒適的不良反應。世界衛生組織報告稱，高達30％的新建和改建建築物可能會導致病態建築綜合症。
在過去五十到六十年間，大部分的建築，不論是何種大膽創新的外形，其實都遵照了同一種呆板又統一的公式：或鋼鐵或混凝土的框架，大面積的玻璃幕牆，用服務空間串聯不同樓層，輕質的內部裝飾材料，加上一套價值不菲的暖通系統。其實，“人工天氣”（artificial weather）的概念在1920s 就出現了，學者們試圖探索採用怎樣的建築設計策略能夠應對不同的氣候。在建築內部或內部與外部之間傳輸新鮮空氣的任務似乎早已承包給了建築師。如果說，設計者的目標是“用建築資源來捕捉空氣，使其循環，並驅逐它”，它能實現嗎？如果能，那麼更重要的是，在不同功能的建築中該如何實現？這是本文試圖探索的內容。
蘭徹斯特圖書館
The Lanchester Library
考文垂大學的蘭徹斯特圖書館聞名於它的可持續設計理念，是一座全自然通風和被動式降溫的公共建築。如果說萊斯特的女王大樓（The Queens Building）是使空氣“邊緣入，中心出”的類型，那麼相反地，蘭徹斯特圖書館選擇了“中心入，邊緣出”的策略。50米的縱深，對於設計者來說，建築的自然採光和通風問題著實成為了一大挑戰。最初的設計思路是在體塊之中只置入一個大的中庭，但經過簡單的菲涅爾平方計算（Fresnal Square calculation）之後發現，這種大的中庭設計遠不能夠實現均勻且良好的自然採光和通風環境，而平均地置入多個小天井會使光線更好地分佈在建築物內，尤其是閱讀區域（劍橋大學建築形態與土地使用研究中心項目）。於是設計者最終選擇了以網格式排布的形式（Mat-buildings）呈現，在每個象限置入一個小天井，從而使得平面圖呈現有規則地多孔狀，連接室內空間與空氣入口，再使陳舊的空氣從高處排出。
左右滑動 查看蘭徹斯特圖書館level 2 平面圖頂層平面圖 （C. Alan Short 2017, p.95）
新鮮空氣由天井下方的1.5米高的預製混凝土支架處進入。支架是相互獨立的，且與有緩衝作用的開口相連接，因而由風向不同而造成的氣壓差將會在被吸入使用空間之前被平衡。每個天井下有預熱盤管，在冬天會加熱從外部吸入的空氣。地板至天花板的高度約為4米，沒有垂吊式天花板的阻礙，使得汙濁的空氣懸浮在超過人體高度的地方。混凝土地板結構完全暴露在空氣中可以提供必要的熱儲備，尤其有利於夏天天花板底的輻射溫度降低帶來的夜晚通風——被動式降溫的重要組成部分之一。冬天時每層的暖氣流上升至天花板底，流經天花板，又從建築中心及邊緣處流出。設計者應用了堞形梁（castellated beams）而不是普通、實心的肋形樓板梁（downstand beams），確保了空氣在天花板底可以自由流通。中庭元素也可以幫助空氣自第二層以上的空間排出。
應用於蘭徹斯特圖書館的堞形梁
以下面兩張圖分析蘭徹斯特圖書館進氣與排氣策略：
蘭徹斯特圖書館進氣策略（C. Alan Short 2017, p.96）
1.吸入新鮮空氣
2.新鮮空氣供給泵
3.加熱槽
4.加熱電池
5.天井提供通風和採光
6.建築能源管理控制系統百葉窗
7.通風筒
8.可伸縮透明百葉窗
9.置入隔熱層的屋頂
蘭徹斯特圖書館排氣策略（C. Alan Short 2017, p.97）
1.輸入建築能源管理系統的二氧化碳和溫度感應器
2.帶有溫度控制的邊緣散熱器
3.每層高處的排氣風門
4.堞形梁
5.儲熱的混凝土天花板，被漆成白色以協助日光滲透
6.帶有遮陽的天井提供通風和採光
7.帶有風力防護的煙囪頂
8.建築能源管理控制系統窗口
若從建築語言上剖析蘭徹斯特圖書館，針對這種盒狀建築形態，Louis Sullivan 提出了一個有預見性的問題：我們應該如何賦予這種枯燥的堆砌，這種粗糙，這種質樸的設計以更高形式的敏感性和文化的優雅？我們該如何從這類現代建築中宣揚和平，美麗，崇高生活的福音呢？Sullivan 雖然倡導形式追隨功能，但他能夠依然保持著古典主義和裝飾主義的清醒，比如溫萊特大廈（Wainwright Building）。他曾經提出“在大型公共建築中所有窗戶都應該相同，因為它們本身就是相同的”這樣的建議，然而現代的許多建築師選擇抵制了 Sullivan 在商業舞臺上的憤怒和他的諷刺意味，因為他們意識到這可能導致許多機會的流失。例如在蘭徹斯特圖書館的設計中，磚石堆砌的體量進行了有變化的排布，西南和東南方向上的立面在特徵上有很大不同，窗戶陣列也經過了調整。
The Johns Hopkins Hospital
通風設計作為19世紀建築領域的一個重要題材，多半是出於對公共健康問題的考慮，而非關於舒適的世俗問題。約翰・霍普金斯醫院由 John Shaw Billings 及其團隊設計。Billings 早先就表明了自己對於通風和設計的興趣，他注意到工程師們通常偏向於特定設備或系統來實現，而他則希望最終建築本身就可以實現這一問題，他稱之為“一種供暖和通風的實驗室”。英國皇家建築師協會（Royal Institute of British Architects）在1890年參觀過醫院建築後，回應道“該醫院是一所很棒的實驗室，可以用來教授衛生法規在暖氣，通風，房屋排水和其他衛生方面的實際應用”。
總體來講，約翰・霍普金斯醫院的供暖和通風設備較為複雜。空氣通過被動方式以管道形式輸送。病房被排布為獨立的建築（或稱為“亭子Pavilions”）來保證空氣對流。用來排出廢氣的病房煙囪被設計成沿屋頂排布，從側面看位於由紅磚和石材形成的立面之上。
約翰・霍普金斯醫院隔離病房樓，1890年（Alistair Fair，2014年，p.360）
在 Billings 的最終方案中，他設計了三個類型的病房建築。第一個是線型的“形似夜鶯”的普通病房樓（The Common Ward building），第二個是由中心發散的八角形病房樓（The Octagon Ward building），第三個是有許多獨立房間組成的隔離病房樓（The Isolation Ward building）。需要注意的是，此處的“隔離”並不是指那些患上某種傳染病的人，而是指人們認為這些病人是很“無禮的”，可能只是有著難聞的氣味。中央鍋爐為這些病房提供動力，管道連接著床之間的盤管，每個盤管都可以單獨調整。
建成後的約翰・霍普金斯醫院普通病房樓剖面圖，由窗戶之間的管道吸入的空氣在低處被加熱，再從樓板和屋頂附近被吸走（Alistair Fair，2014年，p.369）
普通病房樓是東西朝向，有一間日光室向南。Billings 1875 年曾設想在通風室之上置入兩層病房，但實際建成後只在二樓排布了一層病房，而一樓用來置入取暖和通風設備了。外部的空氣由置入外牆中的管道吸入，由控制桿決定是將空氣之間吸入病房，還是轉到加熱器中加熱。其餘管道將空氣從窗戶底下送入從而減弱氣流。同時，空氣從兩個地方排出，一是天花板附近，一是由床下的柵格處從地板附近排出。其中，天花板附近的排氣多用於天氣炎熱時。其中部分病房還有附加的風扇，能在天氣炎熱時帶來涼爽的微風。所有病房在設計時都預留了置入電扇的條件。
隔離病房樓運用了和普通病房樓相似的通風策略，只不過通風量更大一些。開放式的壁爐提供了暖氣，並且置入洗漱臺的雙面壁櫥也有一定的通風作用。中央走廊的兩端都是開放的。空氣通過通風櫥排出，煙囪旁的管道可以起到輔助作用。
約翰・霍普金斯醫院八角形病房樓剖面圖（Alistair Fair，2014年，p.371）
在八角形病房樓中，空氣從邊緣進入，再通過中央管道的上下柵格被吸走。管道的設計比較複雜，包含一個鍋爐煙道和盤管，以及其他管道以便將菸灰從中央壁爐中吸走。
Billings 在醫院開幕式上的講話也呼應了他的設計：“醫院是生命之流在其中不停地改變的活的有機體。”
利物浦人人劇院
Liverpool Everyman Theatre
由 Haworth Tompkins 及其團隊設計的利物浦人人劇院 （Liverpool Everyman Theatre）可以算作是可持續性公共建築設計的經典之作了。出色的低能耗設計，使其於2014年獲得了英國皇家建築師協會的斯特靈獎（RIBA Stirling Prize 2014）。
利物浦人人劇院 Liverpool Everyman Theatre
“我們的客戶想要一個非常非常可持續性的、低能耗的劇院，所以自然通風看起來就成為了一個顯然的解決方案。” Jonathan Purcell，Waterman 建築服務公司的主管如是說道，他負責為禮堂營造一個無窗戶的人工環境來解決通風問題。
新鮮空氣由位於建築後部的安靜的Arad街上的通風入口進入，而後通過聲衰減器進入一個巨大的以混凝土包裹的氣室，其位於劇場舞臺後方的車間底下。在夏天時空氣通過一個與地面接觸的巨型空洞得以被冷卻，然後再進入禮堂。空氣先經過舞臺下方，然後通過第二個聲衰減器，進入座椅下方的馬蹄形的氣室。最終，新鮮空氣再由座椅下方的柵格處傳出。由觀眾和燈光產生的熱量能加劇氣壓差，使得氣流上升，被高2.5米的排風靜壓室捕獲，再通過管道運輸給四座煙囪，它們分別被設計團隊命名為約翰（John）、保羅（Paul）、喬治（George）和林戈（Ringo）。
建築頂部的四個煙囪將渾濁的空氣排出
事實上，由於受到街道、地基和底層樓板高度的限制，空氣進氣口尺寸和位置早已經被固定了。規定要求建築物必須滿足為450位觀眾、40位員工和演員提供每人每秒10升的新鮮空氣，最少供氣量在5立方米每秒。因此，設計團隊只能通過改變煙囪的維度來提供高質量的空氣並且及時排出廢氣，滿足這一要求。
此外，劇院另設有額外兩組空調處理機（Air Handling Units/AHUs），作為在自然通風不能達到需求時的後備選項。設計團隊會在冬天時利用空調處理機預加熱吸入的空氣。全自動化的控制設備能夠根據臨界溫度調整氣流。
劇場禮堂通風策略
除禮堂以外，低能耗服務策略意味著能使公共活動室和主排練廳也實現自然通風。公共活動室的通風策略與禮堂相似——空氣由街面入口進入，通過地面柵格，再由屋頂煙囪排出。主排練廳由屋頂上的集風口來實現進氣和排氣。空氣由臨Arad街的立面上方吸入，而輻射板為房間提供熱量。大堂也通過正立面上的推拉窗口實現自然通風。在這些空間裡產生的熱氣通過一個巨大的天井排出。唯一需要機械通風的部分是地下室小酒館。
劇場主排練廳和大堂通風策略
住宅通風
Ventilation in Your Home
老住宅通風
對於比較老舊的住宅建築來說，安裝現代機械通風系統可能會在技術和經濟上有一定難度。因此，在安裝機械系統時，可以首先考慮控制汙染源，並且保持家中的過濾器和管道清潔。若在炎熱潮溼的地區，進行局部排風（Local Exhaust）有可能會使房間內部氣壓減弱，從而導致外部溼潤的空氣進入牆體空隙，水汽冷凝。在有限的環境條件下，開窗進行自然通風也許是更好的選擇。自然通風（Natural Ventilation）的基本原理是使外部新鮮空氣來置換室內陳舊空氣，其更多是作為一種降溫策略。為了使自然通風更加有效，引入室內的氣體應當儘可能地涼爽且乾燥。白天可以關閉窗戶限制房間吸收熱量，晚上打開窗戶使空氣流通。如果自然通風不能達到理想的效果，那麼可能需要在房間裡加入機械通風系統。
新住宅通風
相比較老住宅，新建築在技術上的限制要少些。機械通風在新住宅中一般通過三種方式實現，即僅進氣（Supply-Only）、僅排氣（Exhaust-Only）和進出平衡（Balanced）。僅進氣通風系統吸入外部新鮮空氣，在室內形成高氣壓，從而將陳舊的空氣從室內“擠”出，在這一過程中也可以防止外部汙染物進入室內。Arup設計的倫敦眼就應用了這一技術。在僅排氣系統中，室內空氣被吸出，從而使得室外氣壓高於室內，形成氣流，例如廚房的排氣扇。進出平衡系統是僅進氣和僅排氣系統的結合，也是目前大部分家庭所應用的通風方式。
被動式房屋Passivhaus
能將自然通風技術運用到極致的，當屬被動式房屋了，例如由結構工程師Barry Honeysett設計建造的德文郡山谷房（Devon Valley House）。住宅建築位於艾克塞河（River Exe）的山坡上，房屋稍向下傾斜，使得一部分被隱藏在景觀之中。住宅依照被動式節能房的原則建造，具有極佳的隔熱性能。採暖策略是在陽光充足的情況下在屋頂上使用太陽能集熱器提供熱水，並在較冷的月份使用燃木鍋爐來加熱水。空間取暖所需的熱量很少，這是由較低樓層的地板採暖提供的。帶有熱回收系統（MVHR）的機械通風裝置全年提供新鮮空氣，並確保幾乎沒有熱量散失。
德文郡山谷房實體模型
房屋遠離主路，是典型的現代農業建築。牆面大面積留白，加上兩個相當於一扇穀倉門的大小的開口，使得建築語言簡潔明瞭。淺波紋金屬屋頂從建築的北端伸出，形成了一個有遮蓋的緩衝空間，延長了戶外進餐和娛樂的時節。
德文郡山谷房內部（在建）
工業設計中的通風系統
Air Filtration in Industrial Design
在人員密集，空氣流動性差的飛機上，如何把感染的風險降到最低，民航局也給出了一個解釋，這與工業設計中的通風系統設計密不可分。
1.0飛機的通風系統
與其他交通工具較為不同的是，飛機上採用的通風系統設計為“垂直通風系統”，簡而言之，空氣會從你的座位上方和機艙兩側的新風口處吹出，最終經過你的腳側靠近地板的格柵被抽回。除此之外，在風口的空氣過濾上， “高效微粒過濾”系統（HEPA）可以去除空氣中99.97%以上的直徑為0.003微米的微粒。
飛機通風系統示意圖
HEPA 過濾系統示意圖
研究顯示，新冠肺炎病毒（2019-nCov）尺寸約為0.1微米，HEPA 系統具備攔截新冠病毒的能力。此外，HEPA 空氣濾對病毒亦有抑制作用，被截留在空氣濾的病毒，短時間後便會喪失活力。眾多人長時間在密閉而狹小的空間，的確容易導致疾病的傳播。所以飛機的設計者考慮到傳染病傳播擴散的問題從而設計了這個系統。
HEPA 過濾網的應用不僅僅是在飛機的通風系統中，更廣泛應用於各類工業建築的空調通風系統，以及空氣淨化器中。Dyson Pure Cryptomic 系列任何一款都使用與以前的 Pure 型號相同的微粒過濾器，可以過濾 99.97％ 的汙染物，最小可至0.3微米，可以捕獲細菌，花粉和黴菌孢子之類的對呼吸道不利的因素，而經過重新設計的活性炭過濾器可吸收異味，家庭煙氣和二氧化氮和苯等氣體。其中 HEPA 和碳過濾器大約需要每12個月更換一次，但甲醛催化劑過濾器可以延長淨化器本身的使用壽命。用戶能夠通過戴森應用程序跟蹤過濾器的運行狀況，並查看有關當前空氣質量的讀數；在淨化器本身的正面還設有一個顯示屏，以顯示必要的數據。
Dyson Pure Cryptomic
2.0汽車通風系統設計
● 座椅通風
座椅通風並沒有座椅加熱普及，然而卻是一個用戶痛點，炎炎夏日，即使車內溫度適宜，也難以避免背後被汗浸透。通風，顧名思義，是要讓風穿過座椅，所以通風系統一般必須搭配在配置較高的真皮座椅上，並且座椅需要採用打孔工藝，才能便於風量的流通。但是座椅內部基本都是發泡的材質，通風性相對有限，所以需要在座椅的內部增加通風設備。
Audi A5 Cabriolet 座椅通風系統示意圖
然而這種設計具有很嚴格的標準，除去對於人體工程學的考量更加複雜之外；會不會影響乘客的乘坐舒適性；在調節座位的位置時，是否會影響通風設備的正常工作；通風系統的是否耐用以及通風系統的有效程度，這些都是工程師需要考量的。而衡量通風系統的好壞，則主要取決於風扇的質量，以及產生的噪音是否對整車環境造成影響。這也是為什麼座椅通風不能像座椅加熱一樣普及的原因。
人機交互X座椅通風
佛吉亞的智能座椅產品叫Active WellnessTM，作為第二代智能座椅，Active WellnessTM 2.0 在座椅的內部嵌入了非接觸式傳感器，來監測駕駛員和/或乘客的心跳和呼吸節奏，然後通過一種特殊的按摩模式及座椅通風系統提供新鮮氣流，讓疲倦的乘客精神煥發或幫助處於緊張狀態的駕駛員放鬆下來。
Active WellnessTM 2.0
創新通風系統設計
Dr.Schneider 公司的 Climate+ 系列所設計的創新通風系統，詮釋了未來汽車內部功能需求整體趨勢：除了傳統的功能，加熱、製冷，更以舒適的通風系統為主要中心。展示了一個緊湊、智能和實用的汽車內部空間，除了通風和空氣清潔功能，還可以通過散發香味創造舒適氛圍。
觸屏控制的衛星式出風口，只在使用者需要時才出現。無葉片出風口也通過傳感器來控制，既可以點式，也可以寬幅式完美地融合在儀表板中。各種不同的出風模式，比如：新鮮海風模式，可以個性化地調節出風的方式。隱藏式出風口、縫隙出風口、柔性葉片、無噪音出風口、帶有空氣清潔功能的出風口和離子化空氣芳香出風口。按照空氣模式可以通過觸屏、手勢、攝像頭或遙控對其進行控制。
隱藏式出風口
斜葉片式出風口
超薄出風口
觸屏控制的衛星式出風口
家裝風水
Fengshui Decor Tips
設計實驗室
Design Lab