088建筑中自然通风浅析正文

建筑中自然通风浅析重庆大学蒋琳赵建辉崔天龙恩深摘要:本文介绍了自然通风的基本原理以及自然通风技术在建筑中的应用。引用实例分析了自然通风研究中的几种方法,突出了其环保节能特性。从自然通风的通风方式、气流组织形式等方面提出了现阶段研究中存在的问题及进一步研究的方向。关键词:建筑；自然通风；分析方法0.引言在人类社会文明的进化过程中,环境起着至关重要的作用。然而,随着世界经济的迅猛发展,人类对自然的索求剧增。尤其是随着居住条件的改善以及人们对居住环境热舒适要求的提高,空调能耗在建筑能耗中的比例也相应增加。在我国,据2001年同济大学对上海部分居民调查[1]显示空调普及率达97.2%,家庭空调耗电量约1127ｋＷｈ/年,且我国的能源利用率较低,1995年我国的能源利用率只相当于经济合作与发展组织成员70年代后期的水平。为了降低能耗,许多建筑采取了减少通风量,尤其是减少新风量并增加房间密闭性等措施,再加上运行管理不善及室内建筑装饰材料散发的挥发性有机混合物的增加,导致室内空气质量恶化。基于此,建筑及建筑设备专业人士开始重新考虑自然通风(ＮａｔｕｒａｌＶｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ)技术在建筑中的应用问题。特别是,2003年在我国和其它国家突然爆发的ＳＡＲＳ疫情,引起了国内外暖通空调界人士对室内空气质量问题和建筑空调应用方式的广泛重视,引发了对自然通风技术的新一轮探讨。1.自然通风的实现方法采用自然通风有两方面的意义:一是实现了被动式制冷。自然通风可在不消耗不可再生能源情况下降低室内温度,带走潮湿污浊的空气,改善室内热环境。二是可提供新鲜清洁的自然空气,有利于人体的生理和心理健康。建筑中常用的自然通风实现方式主要有以下几种:1.1利用风压实现自然通风自然通风最基本的动力是风压和热压。在具有良好的外部风环境的地区,风压可作为实现自然通风的主要手段。在我国大量的非空调建筑中,利用风压促进建筑的室内空气流通,改善室内的空气环境质量,是一种常用的建筑处理手段。风洞试验表明:当风吹向建筑时,因受到建筑的阻挡,会在建筑的迎风面产生正压力。同时,气流绕过建筑的各个侧面及背面,会在相应位置产生负压力。风压通风就是利用建筑的迎风面和背风面之间的压力差实现空气的流通。压力差的大小与建筑的形式、建筑与风的夹角以及建筑周围的环境有关。当风垂直吹向建筑的正立面时,迎风面中心处正压最大,在屋角和屋脊处负压最大。另外,伯努利流体原理显示,流动空气的压力随其速度的增加而减小,从而形成低压区。依据这种原理,可以在建筑中局部留出横向的通风通道,当风从通道吹过时,会在通道中形成负压区,从而带动周围空气的流动,这就是管式建筑的通风原理。通风的管式通道要在一定方向上封闭,而在其他方向开敞,从而形成明确的通风方向。这种通风方式可以在大进深的建筑空间中达到较好的通风效果。1.2利用热压实现自然通风自然通风的另一原理是利用建筑内部空气的热压差——即通常讲的“烟囱效应”——来实现建筑的自然通风。利用热空气上升的原理,在建筑上部设排风口可将污浊的热空气从室内排出,而室外新鲜的冷空气则从建筑底部被吸入。热压作用与进、出风口的高差和室内外的温差有关,室内外温差和进、出风口的高差越大,则热压作用越明显。在建筑设计中,可利用建筑物内部贯穿多层的竖向空腔——如楼梯间、中庭、拔风井等满足进排风口的高差要求,并在顶部设置可以控制的开口,将建筑各层的热空气排出,达到自然通风的目的。与风压式自然通风不同,热压式自然通风更能适应常变的外部风环境和不良的外部风环境。建在英国卡斯廷的ＢＲＥ(ＢｕｉｌｄｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＥｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ)办公建筑(见图1)是一座利用热压差组织自然通风的典型实例。这是一座对旧建筑改造更新的生态建筑。采取了一系列的环保措施和生态技术。最为引人注目的是南侧主立面上五个高耸的风塔,可以吸收太阳能加热内部空气。热空气上升,产生热压差,逐渐形成上升气流,形成自然通风;同时配有太阳能低压风扇,在炎热的天气条件下,增强风塔的抽风效能。在炎热天气里,开启地下水池处的进风口,利用水面冷却空气,然后送入室内;在气候温和的季节里,建筑则打开窗户进行通风。整个建筑达到100%的面积自然通风,避免了高强度的夏季空调制冷,可有效节约电能。1.3风压与热压相结合实现自然通风在建筑的自然通风设计中,风压通风与热压通风往往是互为补充、密不可分的。一般来说,在建筑进深较小的部位多利用风压来直接通风,而进深较大的部位则多利用热压来达到通风效果。位于英国莱彻斯特的蒙特福德大学女王馆就是这方面的一个优秀实例。建筑师肖特和福特将庞大的建筑分成一系列小体块,既在尺度上与周围古老的街区相协调,又能形成一种有节奏的韵律感,同时小的体量使得自然通风成为可能。位于指状分支部分的实验室、办公室进深较小,可以利用风压直接通风;而位于中间部分的报告厅、大厅及其它用房则更多地依靠“烟囱效应”进行自然通风(图2)。图1英国ＢＲＥ办公楼图2英国蒙特福德大学女王馆示意图同时,建筑的外维护结构采用厚重的蓄热材料,使得建筑内部的得热量降到最低。正是因为采用了这些措施,虽然女王馆建筑面积超过10000ｍ2,相对于同类建筑而言,全年能耗却很低[2]。1.4机械辅助式自然通风在一些大型建筑中,由于通风路径较长,流动阻力较大,单纯依靠自然风压与热压往往不足于实现自然通风。而对于空气污染和噪声污染比较严重的城市,直接的自然通风还会将室外污浊的空气和噪声带入室内,不利于人体健康。在这种情况下,常常采用一种机械辅助式的自然通风系统。该系统有一套完整的空气循环通道,辅以符合生态思想的空气处理手段(如土壤预冷、预热、深井水换热等),并借助一定的机械方式加速室内通风。1.5双层维护结构双层维护结构是当今生态建筑中所普遍采用的一项先进技术,被誉为“可呼吸的皮肤”。双层维护结构一般由双层玻璃或三层玻璃组成,在两层玻璃之间留有一定宽度的空隙形成空气夹层,并配有可调节的深色百页。在冬季,空气夹层和百页可以形成一个利用太阳能加热空气的装置,提高建筑外墙表面温度,有利于建筑的保温采暖;在夏季,则可以利用热压原理将热空气不断从夹层上部排出,达到降温的目的。对于高层建筑来说,直接对外开窗容易造成紊流,不易控制,而双层维护结构则能够很好的解决这一问题(图3)。2.自然通风技术的分析方法1)网络法:自然通风的网络法是利用伯努利方程和流体网络原理,把每个房间看成网络中的一个节点,把通风口视为局部阻力,再利用专用软件(如ＮａｖＩＡＱ软件)进行分析计算。其优点是方法简便快捷,特别使用于实际工程计算,缺点是准确性差,仅对较大的风速有效,对单面风无效。2)ＣＦＤ(计算流体力学:ＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌＦｌｕｉｄＤｙｎａｍｉｃｓ)方法。利用连续性方程、动量方程、湍能方程、能量方程、组分方程等控制方程对空气流动进行分析,然后利用计算软件进行计算机模拟,得出可视化的直观效果图,其缺点是计算复杂,计算量大,费用高。3)网络法与ＣＦＤ相结合。两者结合可对复杂建筑进行求解,用网络法计算各个房间之间的换气量,用ＣＦＤ方法求解房间内部的温度分布,两者结合计算快速,分析翔实。我国清华大学在这方面已开展了较多的研究工作。4)实验方法:ａ)利用热线风速仪等设备直接测量风速,利用所测数据进行分析,这种方法要求响应时间短,需同时测量各个方向。ｂ)依据质量守恒定律,利用色谱分析仪或红外分析仪测量投向室内的示踪气体ＳＦ6或ＣＨ43.现在研究中有待于进一步解决的主要问题不同时刻不同地点的浓度,从而了解室内通风效果。是其受室外气候条件和建筑物维护结构影响较大图3双层维护结构示意图1)自然通风是人们易于接受的通风方式,但,所以如何根据室内和室外的不同热湿状况,结合楼宇自控系统,设计合理的自然通风自动控制系统成为目前急需解决的问题。在这方面,国外做了一定的尝试[4],我们可以借鉴。2)ＳＡＲＳ的流行和传播,对建筑中的通风空调系统提出了新的挑战。围绕防止疫情传播和本较高,限制了它在好处的满足人们的需求考文献:,张晓东.生态建筑〔Ｍ〕.南京:东南大学出版社,2002..〔Ｊ〕.世界建[4]本体育馆空调及其自动控制新技术[Ｊ].暖通空[5]孙技术.河北建筑科技学院学报.2004，21（1）者：蒋琳，女，1982.1生，在读硕士研究生，地址：重庆大学B区5舍117室，邮编：400045，交叉感染,合理设计自然通风的气流组织形式,确保及时置换室内污浊空气,保证室内空气的新鲜程度,特别对于医院传染性病房和手术室,如何引入室外自然风才能有效降低医护人员的感染率。上述问题都是自然通风技术应用中需要加以解决的问题。3)太阳能利用和自然通风系统密不可分,但是太阳能利用的初投资和成自然通风系统的使用,有必要进行进一步研究和相关设备的研发。4)自然通风的优点十分明显,但是其在时间和强度方面往往不能恰到。研究自然通风的脉动规律,用机械通风模拟自然通风,以更大程度上满足人们的要求。这也是一个很好的研究方向[5]。参[1]周浩明[2]王鹏,谭刚.生态建筑中的通风〔Ｊ〕.世界建筑,2000,(4):62-65[3]薛恩伦.重视环境、文化传统与生态平衡的高技派建筑筑,2000,(4):26-29.陈滨,陈向阳.日调.2003,32(2):48-51.培杰.建筑中的自然通风作电话：[phone]，Email:[e-mail]