生態(tài)建筑中的自然通風(fēng)技術(shù)

生態(tài)建筑中的自然通風(fēng)技術(shù)

風(fēng)是人類棲息地的生態(tài)因素。它可以減少能源消耗，減少污染，改善空氣質(zhì)量和人類舒適度，為居民和用戶提供良好的生活和工作環(huán)境。在炎熱地區(qū)的建筑中,自然通風(fēng)降低室溫,驅(qū)除異味,保持房間空氣新鮮,是實(shí)現(xiàn)生態(tài)建筑的重要手段。1空氣流進(jìn)入開口的壓力差在建筑中,自然通風(fēng)主要是靠建筑物的一些開口(門,窗等)和空間組織(過道,中庭,天井等)來實(shí)現(xiàn)的,如果建筑物的開口兩側(cè)存在壓力差Δp,空氣就會在這個壓力差的作用下產(chǎn)生流動,空氣流過此開口時所受到的動力也就等于Δp。其中:v—空氣流過窗孔時的流速;ρ—空氣的密度;形成這種壓力差主要有風(fēng)壓和熱壓兩種方式,兩種作用都有著不同的機(jī)理與作用方式,建筑物的通風(fēng)效果卻往往是兩種作用綜合作用的結(jié)果。1.1風(fēng)機(jī)通風(fēng)實(shí)驗(yàn)風(fēng)壓是指空氣流受到阻擋時產(chǎn)生的靜壓。當(dāng)風(fēng)吹過建筑物時,由于建筑物的阻擋,迎風(fēng)面氣流受阻,靜壓增高;側(cè)風(fēng)面和背風(fēng)面將產(chǎn)生局部渦流,靜壓降低。這樣便在迎風(fēng)面與背風(fēng)面形成壓力差,室內(nèi)外的空氣在這個壓力差的作用下由壓力高的一側(cè)向壓力低的一側(cè)流動。建筑物四周的風(fēng)壓分布與建筑物的幾何形狀和風(fēng)向,風(fēng)速等因素有關(guān)。風(fēng)向一定時,建筑物外圍結(jié)構(gòu)上某一點(diǎn)的風(fēng)壓值可以用下式表示:其中空氣動力系數(shù)k與建筑物的形狀和風(fēng)向等有關(guān),要通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行求得。所以通常對建筑物進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)風(fēng)壓作用下的通風(fēng)效果。風(fēng)對建筑物產(chǎn)生的作用力可以分解成一個水平的阻力和一個垂直的升力.對風(fēng)壓的利用往往是利用水平方向的阻力來設(shè)計(jì)和組織通風(fēng)的。在設(shè)計(jì)時,建筑師們需要充分考慮建筑物的朝向,以爭取自然通風(fēng),盡量將窗布置在主導(dǎo)風(fēng)向,前后有窗,以形成穿堂風(fēng)(crossventilation)。表1是Fordham.M對某一歐洲建筑關(guān)于穿堂風(fēng)與單側(cè)通風(fēng)情況通風(fēng)率的比較,可以得到穿堂風(fēng)房間每小時的通風(fēng)換氣次數(shù)最高可以達(dá)到200多次,而單側(cè)通風(fēng)的房間的每小時的通風(fēng)換氣次數(shù)卻只相當(dāng)于穿堂風(fēng)房間的五分之一。垂直方向的力會產(chǎn)生伯努力(Bernoulli)效應(yīng)。例如進(jìn)風(fēng)面的斜屋頂,它所形成了巨大的抽吸力(suction),這種形式的屋頂起到兜風(fēng)的作用。風(fēng)壓引起的另一個效應(yīng)就是文丘里(Venturi)效應(yīng),氣流流動時,會因?yàn)榭臻g的收縮而引起加速,于是收縮段形成負(fù)壓區(qū)。我國傳統(tǒng)民居中常用的廳堂與過廊的轉(zhuǎn)換及在排風(fēng)出口設(shè)置的風(fēng)塔(windtower)都是利用文丘里效應(yīng)來通風(fēng)。所以建筑師對空間大小的錯落變化的設(shè)計(jì)不僅豐富了建筑物的空間結(jié)構(gòu)布局也為室內(nèi)空氣的流動提供了加速裝置。圖1中這座大樓中,不僅房間進(jìn)深小,利于形成穿堂風(fēng),并且在熱源處設(shè)置了通風(fēng)塔以形成負(fù)壓區(qū),創(chuàng)造出強(qiáng)大的抽吸力,使空氣通過風(fēng)塔排出。同時通風(fēng)塔具有較高的高度,又產(chǎn)生了煙囪效應(yīng),所以排風(fēng)效果很好。1.2余壓、中和面由于建筑物內(nèi)外空氣的氣溫差產(chǎn)生了空氣密度的差別,于是形成壓力差,驅(qū)使室內(nèi)外的空氣流動。室內(nèi)溫度高的空氣比重小而上升,并從建筑物上部風(fēng)口排出,這時會在低密度空氣原來的地方形成負(fù)壓區(qū),于是,室外溫度比較低而比重大的新鮮空氣從建筑物的底部被吸入,從而室內(nèi)外的空氣源源不斷地進(jìn)行流動,見圖2。人們形象的稱這種由于熱壓而引起的自然通風(fēng)為“煙囪效應(yīng)”(stackeffect)?？諝獾臏囟炔詈痛翱字g具有高差是實(shí)現(xiàn)熱壓通風(fēng)的必要條件,沒有溫度差或者高差都不會產(chǎn)生熱壓作用。余壓與中和面是與熱壓作用相關(guān)的重要概念。室內(nèi)某一點(diǎn)的空氣壓力和室外同標(biāo)高未受擾動的空氣壓力的差值稱為該點(diǎn)的余壓。在圖3中余壓值從進(jìn)風(fēng)孔a的負(fù)值逐漸增大到排風(fēng)窗口b的正值。在a-a平面上,余壓等于零,這個面稱為中和面。建筑師們在設(shè)計(jì)中采用煙囪,通風(fēng)塔,天井,中庭等多種形式為自然通風(fēng)創(chuàng)造了條件。在圖4中,建筑師將建筑入口和樓梯間設(shè)計(jì)成一個圓柱形的玻璃通風(fēng)塔,風(fēng)從四周的外墻進(jìn)入,在建筑內(nèi)升溫后從玻璃塔的上部排出。很有特色的是,由于玻璃塔對太陽光熱的吸收與透過,使塔內(nèi)的空氣進(jìn)一步升溫,提高了通風(fēng)塔內(nèi)空氣與室內(nèi)外空氣的熱壓差,從而帶動了各樓層的空氣循環(huán),使整棟建筑具有良好的通風(fēng)效果。在RWEAG這個多層的辦公大樓當(dāng)中具有一個通風(fēng)豎井(ventilationshaft),由于煙囪效應(yīng),空氣從通風(fēng)豎井的地底部流入,從豎井的頂部流出(見圖5)。但是,這樣的流動未必能使全樓得到很好的通風(fēng)換氣。在解決這個問題的時候,設(shè)計(jì)者在通風(fēng)豎井(centralventilatingshaft)的上部巧妙地設(shè)計(jì)了一個凸面的圓盤,這樣便形成了文丘里效應(yīng),由于文丘里效應(yīng)產(chǎn)生的負(fù)壓,提高了中和面的高度,使得排風(fēng)口以下基本處在負(fù)壓區(qū)內(nèi),這樣便使自然風(fēng)能夠在樓房的整個高度上進(jìn)風(fēng),使整棟樓房都接受到新鮮的空氣。1.3風(fēng)壓作用與風(fēng)向的影響建筑中的自然通風(fēng)往往是風(fēng)壓與熱壓共同作用的結(jié)果,只是各自作用的強(qiáng)度不同,對建筑整體自然通風(fēng)的貢獻(xiàn)不同。由于風(fēng)壓作用受到天氣,環(huán)流,建筑形狀,周圍環(huán)境等因素的影響,具有不穩(wěn)定性,所以在與熱壓同時作用時可能還會出現(xiàn)減弱通風(fēng)效果的情況。由圖6可見,當(dāng)風(fēng)向與熱壓作用的流線相同時,自然通風(fēng)將相互促進(jìn);反之,相互減弱。2小區(qū)和建筑單體設(shè)計(jì)自然通風(fēng)容易受到外在因素的影響。建筑物會由于周圍環(huán)境的地形起伏、水陸分布、綠化等狀況,而受到水陸風(fēng)、山谷風(fēng)、林原風(fēng)、街巷風(fēng)、天井風(fēng)、庭園風(fēng)等地方風(fēng)的影響,于是在進(jìn)行小區(qū)和建筑單體設(shè)計(jì)是就要充分考慮如何利用這些地方風(fēng)和如何防止這些風(fēng)所帶來的危害。2.1適時通風(fēng)通風(fēng)不同的氣候的地區(qū)對自然通風(fēng)的要求是不同的,對于濕熱的南方地區(qū),如我國的廣州地區(qū),在設(shè)計(jì)中不僅要盡量組織自然通風(fēng),同時要進(jìn)行間歇通風(fēng),以防止“泛潮”時期引起室內(nèi)濕度的增加。此外,對于離海洋遠(yuǎn)或有山嶺阻擋的地方,可在中午前后,把大部分門窗關(guān)閉,防止室外的熱流進(jìn)入室內(nèi),而在早晚打開門窗進(jìn)行通風(fēng)換氣。所以利用自然通風(fēng)要充分考慮建筑物的周邊環(huán)境及其特殊的氣候。2.2建筑間距的確定在設(shè)計(jì)中要盡量使房屋的縱軸垂直于夏季主導(dǎo)風(fēng)向,以獲得良好的通風(fēng)效果;同時建筑物之間適當(dāng)?shù)拈g距與合理的樓群布局也是非常重要的。一般來講,在綜合考慮了風(fēng)向投射角與房間中風(fēng)速、風(fēng)場和渦漩的關(guān)系上,房屋間距應(yīng)該為0.7～1.1H(H為樓房的高度)。同時,建筑群的平面布局以錯列式和斜列式較好。2.3調(diào)節(jié)自然通風(fēng)例如開口的位置不同會影響室內(nèi)風(fēng)的流場的分布,同時窗的檐口出挑的大小,窗扇的開啟方式與開啟角度,遮陽板與百葉的形式等對自然通風(fēng)都有較大的影響。2.4室外的綠化可以改變流進(jìn)氣流的狀況。當(dāng)風(fēng)流過室外的綠化帶時,風(fēng)可以被降溫,減弱風(fēng)速,同時可以改變風(fēng)的流動的路線,這在南方引涼風(fēng)入室中有很有價值的作用。2.5機(jī)械裝置對自然風(fēng)的作用由于風(fēng)在高大室內(nèi)空間流動時,會與空間內(nèi)設(shè)有的各種各樣用途的設(shè)施與設(shè)備和墻壁等接觸撞擊,使風(fēng)消耗很多的能量,僅僅靠風(fēng)力與建筑物所形成的壓力無法使建筑物完成良好的自然通風(fēng),便要借助機(jī)械裝置對自然風(fēng)提供動力,見圖7。這種混合式的自然通風(fēng)(mixed-modeventilation)是進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口的被動式通風(fēng)與風(fēng)機(jī)的抽吸形成的主動壓差式通風(fēng)相結(jié)合的結(jié)果。3自然通風(fēng)系統(tǒng)的作用自然通風(fēng)已經(jīng)成為生態(tài)建筑中的一項(xiàng)重要內(nèi)容,越來越受到建筑師與居