自然通風在建筑中的應用

1、自然通風的簡介及其在建筑中的應用簡介摘要：在建筑設(shè)計中通過引入自然風方式加強人與自然的聯(lián)系，提高人們的生活質(zhì)量和環(huán)境質(zhì)量，以節(jié)約建筑能耗，保護人類身心健康。使人類與自然相近、相親、相融。 關(guān)鍵詞：自然通風；建筑；熱壓;風壓 前言： 隨著空調(diào)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們越來越能主動的控制室內(nèi)環(huán)境，創(chuàng)造前所未有的室內(nèi)舒適氣候要求，從而使人們逐漸淡化對自然通風這種氣候適宜性技術(shù)的應用。然而，在今天全球能源緊張、節(jié)能壓力增大、空氣品質(zhì)（IAO）惡化以及建筑綜合征（SBS）等發(fā)生的情況下，全球的科學家不得不重新審視自然通風技術(shù)。在這樣的背景下，把自然通風這種建筑生態(tài)技術(shù)引入現(xiàn)代建筑中，有著重要的意義。一 空氣流

2、動原理空氣總是從高壓區(qū)流向低壓區(qū)，導致自然氣流的原因有自然風和對流。大氣環(huán)流 太陽輻射、地球重力和地球自轉(zhuǎn)共同造就了這個星球上常年不衰的自然風。赤道地區(qū)溫度高，熱空氣上升，極低地區(qū)溫度低，冷空氣下降，形成環(huán)流。不過，地球徑圈方向的環(huán)流不止一個，而是有三個，各個環(huán)流并不相互孤立。這些環(huán)流在地球自轉(zhuǎn)慣性力的影響下，方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，形成了低緯度地區(qū)的信風帶和高緯度地區(qū)的西風帶。由于海陸間熱力效應，亞洲大陸季風現(xiàn)象明顯。季風的特點是大范圍盛行，并且風向隨季節(jié)有明顯變化。以我國為例，長江以南、華北和東北部分地區(qū)都處于季風區(qū)，夏季盛行東南季風，冬季盛行西北風。我國的建設(shè)活動，大多都發(fā)生在季風地區(qū)。自然風和對

3、流自然風和對流是自然通風的驅(qū)動力，其中，自然風帶來的通風強度要遠高于對流。如果自然風在建筑物的不同開口處造成的氣壓不同，就能在建筑內(nèi)部形成氣流，氣流的強度和方向受建筑物開口大小和位置的影響。對流是由冷熱空氣密度不同而產(chǎn)生的，當建筑物與室外存在溫差時，就可以形成對流通風。對流通風強度較弱，但是能夠在無風天氣里實現(xiàn)通風。 近地氣流 地面約2千米厚的大氣層，通常被稱為邊界層或摩擦層，這層大氣的氣流受地面影響很大，多湍流，氣象復雜。由于受到地面各種阻礙物的作用，邊界層中風速隨高度增加而增加，風向也在地球自傳慣性力作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)。局部地貌 建筑師和規(guī)劃師通常從風玫瑰圖獲取有關(guān)的信息。需要注意的是風玫瑰圖

4、的數(shù)據(jù)往往在開闊地采集，由于受到局部地貌和微氣候的影響，建筑物所在位置的氣流情況可能與風玫瑰圖的描述有顯著差異。建筑物附近的樹木和其他結(jié)構(gòu)都會影響該地的風向和風速。二 自然通風方式自然通風主要通過建筑上有目的的開口產(chǎn)生空氣流動，而這種空氣流動主要是在壓差的作用下進行的。壓差是動力，各開口則決定了阻力。根據(jù)壓差的形成機理不同自然通風可分為以下幾種。1 熱壓作用下的自然通風在外圍護結(jié)構(gòu)的不同高度上設(shè)有窗孔a和b，兩者的高差為h。假設(shè)窗孔外的靜壓力分別為Pa、Pb，窗孔內(nèi)的靜壓力分別為Pa、Pb，室內(nèi)外的空氣溫度和密度分別為，和，。g h (- ) 稱為熱壓。如果室內(nèi)外沒有空氣溫度差或者窗孔之間沒有

5、高差就不會產(chǎn)生熱壓作用下的自然通風室內(nèi)某一點的壓力和室外同標高未受擾動的空氣壓力的差值稱為該點的余壓。僅有熱壓作用時，窗孔內(nèi)外的壓差即為窗孔內(nèi)的余壓，該窗孔的余壓為正，則窗孔排風；如該窗孔的余壓為負，則窗孔進風。如果以窗孔a的中心平面作為一個基準面，任何窗孔的余壓等于窗孔a的余壓和該窗孔與窗孔a的高差和室內(nèi)外密度差的乘積之和。該窗孔與窗孔a的高差h愈大，則余壓值愈大。室內(nèi)同一水平面上各點的靜壓都是相等的，因此某一窗孔的余壓也就是該窗孔中心平面上室內(nèi)各點的余壓。余壓值從進風窗孔a的負值逐漸增大到排風窗孔b的正值。在O-O平面上，余壓等于零，這個平面稱為中和面。位于中和面的窗孔上是沒有空氣流動的。

6、某一窗孔余壓的絕對值與中和面至該窗孔的距離有關(guān)，中和面以上的窗孔余壓為正，中和面以下的窗孔余壓為負。2 風壓作用下的自然通風某一建筑物周圍的風壓分布與該建筑的幾何形狀和室外的風向有關(guān)。風向一定時，建筑物外圍護結(jié)構(gòu)上某一點的風壓值可用下式表示： K稱為風壓系數(shù)或空氣動力系數(shù)。K值為正，說明該點的風壓為正值，K值為負，說明該點的風壓為負值。不同形狀的建筑物在不同方向的風力作用下，風壓系數(shù)分布是不同的。風壓系數(shù)要在風洞內(nèi)通過模型試驗求得或通過計算流體力學 (CFD) 模擬計算獲得。同一建筑物的外圍護結(jié)構(gòu)上，如果有兩個風壓值不同的窗孔，風壓系數(shù)大的窗孔將會進風，風壓系數(shù)小的窗孔將會排風。如果建筑處在風

7、速為w的風力作用下，由于，沒有熱壓的作用。在風的作用下，迎風面窗孔的風壓大于背風面窗孔的風壓。因為沒有熱壓的作用，室內(nèi)各點的余壓均保持相等。如果只開啟迎風窗a，關(guān)閉背風窗b，不管窗內(nèi)外的壓差如何，由于空氣的流動，室內(nèi)的余壓逐漸升高，當室內(nèi)的余壓等于迎風窗的風壓時，空氣停止流動。如果同時打開背風窗,由于室內(nèi)余壓高于背風窗外風壓,空氣將從背風窗流出。隨著空氣的向外流動，室內(nèi)的余壓下降，這時，室外空氣由迎風窗流入室內(nèi)。一直到迎風窗的進風量等于背風窗的排風量時，室內(nèi)余壓才保持穩(wěn)定。3 風壓和熱壓共同作用的自然通風某一建筑物受到風壓熱壓的同時作用時，外圍護結(jié)構(gòu)上各窗孔的內(nèi)外壓差就等于各窗孔的余壓和室外風

8、壓之差。窗孔a的內(nèi)外壓差為： 窗孔b的內(nèi)外壓差為：三 自然通風的優(yōu)勢與局限1 自然通風的優(yōu)勢自然通風最明顯的優(yōu)勢就是能耗極低，盡管如此，也不能忽視其在空間效率和舒適度方面的優(yōu)勢。降低能耗自然通風完全依靠自然力來實現(xiàn)，與機械通風和降溫相比，自然通風消耗的能源可以忽略不計。不僅如此，自然通風的初期投資和運行成本都遠低于機械通風。以長遠的眼光看，提高能源效率與減少開支、減少碳排放是高度一致的。 自然通風，主要通過建筑設(shè)計來實現(xiàn)，無需龐大的設(shè)備和管道, 提高空間利用率。用于實現(xiàn)自然通風的構(gòu)件，大約僅占樓層建筑面積的0.3%左右?？紤]到這些構(gòu)件往往具有多重功能，比如窗戶即能采光，也能通風。因此，這些占用

9、的面積幾乎可以忽略。然而，典型的機械通風系統(tǒng)要占用樓層面積的47%，此外，通風管道還會占用約層高的15%。如果采取自然通風策略，可以節(jié)省出可觀的建筑面積和空間，讓室內(nèi)空間更加寬敞。雖然自然通風和機械通風都能起到換氣和降溫的效果，但是機械通風無法與微妙的自然風媲美。尤其是在夏季，拂過陣陣涼風，讓人精神振奮。自然通風往往能夠與自然采光很好的結(jié)合起來，與室外景色的聯(lián)系還增加了室內(nèi)人員的愉悅之情。提高工作效率帶來的經(jīng)濟收益，通常大大超過用于改善室內(nèi)環(huán)境的開支，但是這一點卻經(jīng)常被忽視。2 自然通風的局限自然通風依靠自然力來實現(xiàn)，通風時段和通風強度都不能隨心所欲。 自然通風依賴自然力，不完全受人控制，不過

10、換句話說，自然通風同時擺脫了對電力的依賴。人類已發(fā)明出一些被動式設(shè)施，用于控制和促進自然通風。在許多建筑中，人們安裝風扇來輔助自然通風。受室外空氣質(zhì)量制約當室外空氣質(zhì)量惡化時，自然通風就變得不那么受歡迎了。雖然可以利用植被和紗窗減少一部分飛塵，但是在自然通風過程中，空氣不能有效的被過濾。尤其是那些對室內(nèi)空氣質(zhì)量要求極高的建筑，比如精密實驗室，需要過濾進入的空氣，并保持室內(nèi)正壓。所幸，這種情況所占比例非常小。四 自然通風在建筑中的應用1 屋頂?shù)淖匀煌L在炎熱地區(qū)，屋頂?shù)牡脽崃渴遣蝗莺鲆暤?，尤其對頂層住戶產(chǎn)生極大的影響。對屋頂適當?shù)牟扇∽匀煌L的措施，能有效的利用風的流動，帶走蓄積于屋頂?shù)臒崃?。?/p>

11、風隔熱屋面，通常有以下兩種方式：（圖4） （1）在結(jié)構(gòu)層上部設(shè)置架空隔熱層。這種做法把通風層設(shè)置在屋面結(jié)構(gòu)層上，利用中間的空氣間層帶走熱量，達到屋面降溫的目的，另外架空板還保護了屋面防水層。 （2）利用坡屋頂自身結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)層中間設(shè)置通風隔熱層，也可得到較好的隔熱效果。2 通風墻體通風墻體即將需要隔熱的外墻做成帶有空氣間層的空心夾層墻，并在下部和上部分別開有進風口和出風口。通風間層厚度一般為30100。夾層內(nèi)的空氣受熱后上升，在內(nèi)部形成壓力差，帶動內(nèi)部氣流運動，從而可以帶走內(nèi)部的熱量和潮氣。外墻加通風間層后，其內(nèi)表面溫度可大幅度降低，而且日輻射照度愈大，通風空氣間層的隔熱效果愈顯著，故對東西向

12、墻更為明顯。（圖5）是通風墻體的示意圖和典型構(gòu)造做法。國內(nèi)已經(jīng)有了對通風墻體探討的實例，并取得了一定的經(jīng)驗。在北京鋒尚國際公寓中通風墻體得到了嘗試應用。建筑外墻在EPS聚苯板與具有遮陽功能的瓷板幕墻之間形成流動的空氣層，利用熱壓的原理在空氣層內(nèi)部實現(xiàn)自然通風，流通的氣流可以帶走空氣間層的熱量，實現(xiàn)為圍護結(jié)構(gòu)降溫；同時還帶走了間 4 層內(nèi)部的水蒸氣，保護了保溫層。（圖6）3 雙層玻璃幕墻雙層幕墻又稱“會呼吸的皮膚”，由內(nèi)外兩道幕墻組成（圖7a）。兩層玻璃幕墻之間留一個空腔，空腔的兩端有可以控制的進風口和出風口。在冬季，關(guān)閉進出風口，利用“溫室效應”，提高圍護結(jié)構(gòu)表面的溫度；夏季，打開進出風口，利

13、用“煙囪效應”在空腔內(nèi)部實現(xiàn)自然通風（圖7b）。為了更好的實現(xiàn)隔熱，通道內(nèi)一般設(shè)置有百葉等遮陽裝置（圖7c）。雙層玻璃幕墻在保持外形輕盈的同時，能夠很好的解決高層建筑中過高的風壓和熱壓帶來的風速過大的問題，能解決夜間開窗通風而無需擔心安全問題，可加強圍護結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能，并能降低室內(nèi)的噪音。在節(jié)能上，雙層通風幕墻由于換氣層的作用，比單層幕墻在采暖時節(jié)約能源4252，在制冷時節(jié)約能源3860，是解決建筑節(jié)能的一個新的方向。4 通風中庭目前，大量的建筑中設(shè)計有中庭，主要是平面過大的建筑出于采光的考慮。我們可利用建筑的中庭內(nèi)的熱壓形成自然通風。由福斯特主持設(shè)計的法蘭克福商業(yè)銀行就是一個利用中庭進行

14、自然通風的成功案例。在這一案例中，設(shè)計者利用計算機模擬和風洞試驗，對60層高的中庭空間的通風進行分析研究。為了避免中庭內(nèi)部過大的紊流，每12層作為一個獨立的單元，各自利用熱壓實現(xiàn)自然通風，取得良好的效果。5 風塔早在幾千年前，風塔就在古埃及得到流行，如今在中東地區(qū)，仍然可以見到它的蹤影。風塔由垂直豎井和風斗組成。在通風不暢的地區(qū)，可以利用高出屋面的風斗，把上部的氣流引入建筑內(nèi)部，來加速建筑內(nèi)部的空氣流通。風斗的開口應該朝向主導風向。在主導風向不固定的地區(qū)，則可以設(shè)計多個朝向的風斗，或者設(shè)計成可以隨風向轉(zhuǎn)動。例如在英國貝丁頓零能耗發(fā)展項目中，設(shè)計了可以隨風向轉(zhuǎn)動的風斗，配合其他措施，利用自然風壓

15、實現(xiàn)了建筑內(nèi)部的通風6 拔風井拔風井利用煙囪效應，造成室內(nèi)外空氣的對流交換。英國諾丁漢大學朱比麗分校是一個成功的生態(tài)建筑案例。如圖（11）在建筑中結(jié)合樓梯間設(shè)計，在頂部集成機械抽風和熱回收裝置，完成建筑的通風。在機械的輔助下，充分利用“煙囪效應”在建筑內(nèi)部形成自然風循環(huán)。新鮮的空氣通過處于風塔上部的機械抽風裝置被引入到風道中，然后進入到各層樓板的夾層空間，進而進入到室內(nèi)；而廢氣通過走道和樓梯間的低壓抽風作用，最終又回到風塔上部，再經(jīng)過熱回收或蒸發(fā)冷卻裝置，通過風斗排出。7 太陽能強化自然通風加熱采熱構(gòu)件，并使建筑內(nèi)部的空氣上升，形成熱壓，引起空氣流動。下圖為嘗試設(shè)計的某太陽能辦公樓方案。方案在西側(cè)設(shè)置了太陽能通風井。通風井受太陽輻射溫度升高，內(nèi)部空氣上升并從上部開口排出，在井內(nèi)形成負壓，迫使各層走道的空氣流向通