淺談建筑中的自然通風(fēng)技術(shù)應(yīng)用

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[摘要]本文首先介紹了建筑中自然通風(fēng)技術(shù)的作用原理，指出了自然通風(fēng)的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，進(jìn)而論證了在建筑設(shè)計中如何實現(xiàn)自然通風(fēng)，提出自然通風(fēng)這項傳統(tǒng)的技術(shù)要與建筑所處地域的自然地理氣候特征相適應(yīng)，并輔以實例分析了自然通風(fēng)與地域氣候的完美結(jié)合。旨在引起在地域建筑設(shè)計中對自然通風(fēng)傳統(tǒng)適宜技術(shù)的重視。[關(guān)鍵詞]自然通風(fēng)?原理?優(yōu)勢?地域建筑?設(shè)計隨著空調(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(fēng)這種氣候適宜性技術(shù)的應(yīng)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，人們不得不從新審視自然通風(fēng)這一傳統(tǒng)的氣候適宜性技術(shù)，自然通風(fēng)這種古老而有效的技術(shù)在今天得到了前所未有的重視。空調(diào)的產(chǎn)生，使人們可以主動地控制居住環(huán)境，而不是象以往一樣被動地適應(yīng)自然；空調(diào)的大量使用，使人們漸漸淡化了對自然通風(fēng)的應(yīng)用。而在空調(diào)技術(shù)得以普及的今天，迫于節(jié)約能源、保持良好的室內(nèi)空氣品質(zhì)的雙重壓力下，全球的科學(xué)家不得不重新審視自然通風(fēng)這一傳統(tǒng)技術(shù)。在這樣的背景下，把自然通風(fēng)這種傳統(tǒng)建筑生態(tài)技術(shù)重新引回現(xiàn)代建筑中，有著比以往更為重要的意義。一、自然通風(fēng)技術(shù)的原理通常意義上的自然通風(fēng)指的是通過有目的的開口，產(chǎn)生空氣流動。這種流動直接受建筑外表面的壓力分布和不同開口特點的影響。壓力分布是動力，而各開口的特點則決定了流動阻力。就自然通風(fēng)而言，建筑物內(nèi)空氣運動主要有兩個原因：風(fēng)壓以及室內(nèi)外空氣密度差。這兩種因素可以單獨起作用，也可以共同起作用。1、風(fēng)壓作用下的自然通風(fēng)風(fēng)的形成是由于大氣中的壓力差。如果風(fēng)在通道上遇到了障礙物，如樹和建筑物，就會產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)換。動壓力轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓力，于是迎風(fēng)面上產(chǎn)生正壓(約為風(fēng)速動壓力的0.5-0.8倍)，而背風(fēng)面上產(chǎn)生負(fù)壓(約為風(fēng)速動壓力的0.3—0.4倍)。由于經(jīng)過建筑物而出現(xiàn)的壓力差促使空氣從迎風(fēng)面的窗縫和其他空隙流入室內(nèi)，而室內(nèi)空氣則從背風(fēng)面孔口排出，就形成了全面換氣的風(fēng)壓自然通風(fēng)。某一建筑物周圍風(fēng)壓與該建筑的幾何形狀、建筑相對于風(fēng)向的方位、風(fēng)速和建筑周圍的自然地形有關(guān)。2、熱壓作用下的自然通風(fēng)熱壓是室內(nèi)外空氣的溫度差引起的，這就是所謂的“煙囪效應(yīng)”。由于溫度差的存在，室內(nèi)外密度差產(chǎn)生，沿著建筑物墻面的垂直方向出現(xiàn)壓力梯度。如果室內(nèi)溫度高于室外，建筑物的上部將會有較高的壓力，而下部存在較低的壓力。當(dāng)這些位置存在孔口時，空氣通過較低的開口進(jìn)入，從上部流出。如果，室內(nèi)溫度低于室外溫度，氣流方向相反。熱壓的大小取決于兩個開口處的高度差和室內(nèi)外的空氣密度差。而在實際中，建筑師們多采用煙囪、通風(fēng)塔、天井中庭等形式，為自然通風(fēng)的利用提供有利的條件，使得建筑物能夠具有良好的通風(fēng)效果。3、風(fēng)壓和熱壓共同作用下的自然通風(fēng)在實際建筑中的自然通風(fēng)是風(fēng)壓和熱壓共同作用的結(jié)果，只是各自的作用有強(qiáng)有弱。由于風(fēng)壓受到天氣、室外風(fēng)向、建筑物形狀、周圍環(huán)境等因素的影響，風(fēng)壓與熱壓共同作用時并不是簡單的線性疊加。因此建筑師要充分考慮各種因素，使風(fēng)壓和熱壓作用相互補(bǔ)充，密切配合使用，實現(xiàn)建筑物的有效自然通風(fēng)。4、機(jī)械輔助式自然通風(fēng)在一些大型建筑中，由于通風(fēng)路徑較長，流動阻力較大,，單純依靠自然風(fēng)壓與熱壓往往不足以實現(xiàn)自然通風(fēng)。而對于空氣污染和噪聲污染比較嚴(yán)重的城市，直接的自然通風(fēng)還會將室外污濁的空氣和噪聲帶入室內(nèi)，不利于人體健康。在這種情況下，常常采用一種機(jī)械輔助式的自然通風(fēng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)有一套完整的空氣循環(huán)通道，輔以符合生態(tài)思想的空氣處理手段(如土壤預(yù)冷、預(yù)熱、深井水換熱等)，并借助一定的機(jī)械方式加速室內(nèi)通風(fēng)。二、自然通風(fēng)技術(shù)的優(yōu)勢自然通風(fēng)是當(dāng)今建筑普遍采取的一項改革建筑熱環(huán)境、節(jié)約空調(diào)能耗的技術(shù)，采用自然通風(fēng)方式的根本目的就是取代（或部分取代）空調(diào)制冷系統(tǒng)。而這一取代過程有兩點至關(guān)重要的意義：一是實現(xiàn)有效被動式制冷，當(dāng)室外空氣溫濕度較低時自然通風(fēng)可以在不消耗不可再生能源的情況下降低室內(nèi)溫度，帶走潮濕氣體，達(dá)到人體熱舒適，即使室外空氣溫濕度超過舒適區(qū)，需要消耗能源進(jìn)行降溫降濕處理，也可以利用自然通風(fēng)輸送處理后的新風(fēng)，而省去風(fēng)機(jī)能耗，且無噪聲。這有利于減少能耗、降低污染，符合可持續(xù)發(fā)展的思想。二是可以提供新鮮、清潔的自然空氣（新風(fēng)），有利于人的生理和心理健康。室內(nèi)空氣品質(zhì)的低劣在很大程度上是由于缺少充足的新風(fēng)?？照{(diào)所造成的恒溫環(huán)境也使得人體抵抗力下降，引發(fā)各種“空調(diào)病”。而自然通風(fēng)可以排除室內(nèi)污濁的空氣，同時還有利于滿足人和大自然交往的心理需求。

  三、自然通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計中的限制性條件自然通風(fēng)技術(shù)作為一種免費的技術(shù)，它的應(yīng)用必然受到環(huán)境的限制。對于室外環(huán)境溫、濕度比較溫和的地區(qū)（如英國），該技術(shù)的應(yīng)用非常成熟，下面基于他們的應(yīng)用經(jīng)驗，介紹有關(guān)自然通風(fēng)技術(shù)應(yīng)用的限制性條件。（一）室內(nèi)得熱量的限制應(yīng)用自然通風(fēng)的前提是室外空氣溫度比室內(nèi)低，通過室內(nèi)空氣的通風(fēng)換氣，將室外風(fēng)引入室內(nèi)，降低室內(nèi)空氣的溫度。很顯然，室內(nèi)、外空氣溫差越大，通風(fēng)降溫的效果越好。對于一般的依靠空調(diào)系統(tǒng)降溫的建筑而言，應(yīng)用自然通風(fēng)系統(tǒng)可以在適當(dāng)時間降低空調(diào)運行負(fù)荷，典型的如空調(diào)系統(tǒng)在過渡季節(jié)的全新風(fēng)運行。對于完全依靠自然通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行降溫的建筑，其使用效果則取決于很多因素，建筑的得熱量是其中的一個重要因素，得熱量越大，通過降溫達(dá)到室內(nèi)舒適要求的可能性越小?，F(xiàn)在的研究結(jié)果表明，完全依靠自然通風(fēng)降溫的建筑，其室內(nèi)的得熱量最好不要超過40W/m2。（二）建筑環(huán)境的要求應(yīng)用自然通風(fēng)降溫措施后，建筑室內(nèi)環(huán)境在很大程度上依靠室外環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)，除了空氣的溫、濕度參數(shù)外，室內(nèi)的空氣品質(zhì)和噪音控制也將被室外環(huán)境所破壞。根據(jù)目前的一些標(biāo)準(zhǔn)要求，采用自然通風(fēng)的建筑，其建筑外的噪音不應(yīng)該超過70dB；尤其在窗戶開啟的時候，應(yīng)該保證室內(nèi)周邊地帶的噪音不超過55dB。同時，自然通風(fēng)進(jìn)風(fēng)口的室外空氣質(zhì)量應(yīng)該滿足有關(guān)衛(wèi)生要求。（三）建筑條件的限制應(yīng)用自然通風(fēng)的建筑，在建筑設(shè)計上應(yīng)該參考以上兩點要求，充分發(fā)揮自然通風(fēng)的優(yōu)勢。1、建筑位置周圍是否有交通干道、鐵路等一般認(rèn)為，建筑的立面應(yīng)該離開交通干道20米，以避免進(jìn)風(fēng)空氣的污染或噪音干擾；或者，在設(shè)計通風(fēng)系統(tǒng)時，將靠近交通干道的地方作為通風(fēng)的排風(fēng)側(cè)。地區(qū)的主導(dǎo)風(fēng)向與風(fēng)速根據(jù)當(dāng)?shù)氐闹鲗?dǎo)風(fēng)向與風(fēng)速確定自然通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計，特別注意建筑是否處于周圍污染空氣的下游。周圍環(huán)境由于城市環(huán)境與鄉(xiāng)村環(huán)境不同，對建筑通風(fēng)系統(tǒng)的影響也不同，特別是建筑周圍的其它建筑或障礙物將影響建筑周圍的風(fēng)向和風(fēng)速、采光和噪音等。2、建筑形狀形狀建筑的寬度直接影響自然通風(fēng)的形式和效果。建筑寬度不超過10米的建筑可以使用單側(cè)通風(fēng)方法；寬度不超過15米的建筑可以使用雙側(cè)通風(fēng)方法；否則，將需要其它輔助措施，例如煙囪結(jié)構(gòu)或機(jī)械通風(fēng)與自然通風(fēng)的混合模式等。建筑朝向為了充分利用風(fēng)壓作用，系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)口應(yīng)該面對建筑周圍的主導(dǎo)風(fēng)向。同時建筑的朝向還涉及減少得熱措施的選擇。開窗面積系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)側(cè)外墻的窗墻比應(yīng)該兼顧自然采光和日射得熱的控制，一般為30%-50%。建筑結(jié)構(gòu)形式建筑結(jié)構(gòu)可以是輕型、中型或重型結(jié)構(gòu)。對于中型或重型結(jié)構(gòu)，由于其熱惰性比較大，可以結(jié)合晚間通風(fēng)等技術(shù)措施改善自然通風(fēng)系統(tǒng)的運行效果。3、建筑內(nèi)部設(shè)計層高比較大的層高有助于利用室內(nèi)熱負(fù)荷形成的熱壓，加強(qiáng)自然通風(fēng)。室內(nèi)分隔的形式直接影響通風(fēng)氣流的組織和通風(fēng)量。建筑內(nèi)豎直通道或風(fēng)管可以利用豎直通道產(chǎn)生的煙囪效應(yīng)有效組織自然通風(fēng)4、室內(nèi)人員室內(nèi)人員密度和設(shè)備、照明得熱的影響對于建筑得熱超過40W/m2的建筑，可以根據(jù)建筑內(nèi)熱源的種類和分布情況，在適當(dāng)?shù)膮^(qū)域分別設(shè)置自然通風(fēng)系統(tǒng)和機(jī)械制冷系統(tǒng)。工作時間工作時間將影響其它輔助技術(shù)的選擇（如晚間通風(fēng)系統(tǒng)）。（四）室外空氣濕度的影響應(yīng)用自然通風(fēng)對降低室內(nèi)空氣溫度效果明顯，但對調(diào)節(jié)或控制室內(nèi)空氣的濕度，效果甚微。因此，自然通風(fēng)措施一般不能在非常潮濕的地區(qū)使用。四、建筑中的自然通風(fēng)考慮因素自然通風(fēng)技術(shù)在運用的過程中，要充分結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂颉h(huán)境條件，采取相適應(yīng)的技術(shù)措施，才能保證自然通風(fēng)達(dá)到良好的生態(tài)效能。自然通風(fēng)在考慮普通的諸如氣候、建筑朝向、室外綠化、通風(fēng)構(gòu)造細(xì)部等要素的影響外，越來越多的考慮以下兩點要素：①太陽能強(qiáng)化自然通風(fēng)。太陽能強(qiáng)化自然通風(fēng)的建筑構(gòu)件主要有屋面太陽能煙囪、Trombe墻以及與建筑一體化安裝的太陽能空氣集熱器。為了在夏季達(dá)到更好的冷卻效果，通常將這些作法與其他建筑構(gòu)件復(fù)合成一個有組織的自然通風(fēng)系統(tǒng)；②計算機(jī)模擬自然通風(fēng)。計算機(jī)模擬技術(shù)，特別是計算立體力學(xué)（CFD）對自通通風(fēng)設(shè)計有著非常重要的作用，它利用連續(xù)性方程、動量方程、能量方程等控制方程對空氣動力進(jìn)行分析，然后利用計算機(jī)軟件進(jìn)行計算機(jī)模擬，得出可視化的直觀效果，對建筑師設(shè)計出合理的建筑風(fēng)環(huán)境提供了重要的參考。因此，隨著計算機(jī)模擬技術(shù)的不斷發(fā)展，計算機(jī)模擬對自然通風(fēng)的設(shè)計無疑會產(chǎn)生巨大的推動作用。總之，自然通風(fēng)技術(shù)作為一種與氣候相適宜的生態(tài)技術(shù)，在實際運用的過程中，應(yīng)該結(jié)合太陽能、建筑材料、自然采光、地下蓄冷蓄熱、自動控制等技術(shù)，并運用計算機(jī)模擬技術(shù)，對實際的案例進(jìn)行分析，定量的對其進(jìn)行深入的研究。相信隨著生態(tài)、可持續(xù)發(fā)展理念的不斷發(fā)展，自然通風(fēng)這種廉價、健康的通風(fēng)方式將會越來越多地被利用。