自然通風(fēng)在建筑中的應(yīng)用

1、自然通風(fēng)的簡(jiǎn)介及其在建筑中的應(yīng)用簡(jiǎn)介摘要：在建筑設(shè)計(jì)中通過(guò)引入自然風(fēng)方式加強(qiáng)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(hù)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(fēng)；建筑；熱壓;風(fēng)壓 前言： 隨著空調(diào)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越能主動(dòng)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(duì)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，全球的科學(xué)家不得不重新審視自然通風(fēng)技術(shù)。在這樣的背景下，把自然通風(fēng)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(dòng)原理空氣總是從高壓區(qū)流向低壓區(qū)，導(dǎo)致自然氣流的原因有自然風(fēng)和對(duì)流。大氣環(huán)流 太陽(yáng)輻射、地球重力和地球自轉(zhuǎn)共同造就了這個(gè)星球上常年不衰的自然風(fēng)。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(guò)，地球徑圈方向的環(huán)流不止一個(gè)，而是有三個(gè)，各個(gè)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(fēng)帶和高緯度地區(qū)的西風(fēng)帶。由于海陸間熱力效應(yīng)，亞洲大陸季風(fēng)現(xiàn)象明顯。季風(fēng)的特點(diǎn)是大范圍盛行，并且風(fēng)向隨季節(jié)有明顯變化。以我國(guó)為例，長(zhǎng)江以南、華北和東北部分地區(qū)都處于季風(fēng)區(qū)，夏季盛行東南季風(fēng)，冬季盛行西北風(fēng)。我國(guó)的建設(shè)活動(dòng)，大多都發(fā)生在季風(fēng)地區(qū)。自然風(fēng)和對(duì)

3、流自然風(fēng)和對(duì)流是自然通風(fēng)的驅(qū)動(dòng)力，其中，自然風(fēng)帶來(lái)的通風(fēng)強(qiáng)度要遠(yuǎn)高于對(duì)流。如果自然風(fēng)在建筑物的不同開(kāi)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(qiáng)度和方向受建筑物開(kāi)口大小和位置的影響。對(duì)流是由冷熱空氣密度不同而產(chǎn)生的，當(dāng)建筑物與室外存在溫差時(shí)，就可以形成對(duì)流通風(fēng)。對(duì)流通風(fēng)強(qiáng)度較弱，但是能夠在無(wú)風(fēng)天氣里實(shí)現(xiàn)通風(fēng)。 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(fù)雜。由于受到地面各種阻礙物的作用，邊界層中風(fēng)速隨高度增加而增加，風(fēng)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(fēng)玫瑰圖獲取有關(guān)的信息。需要注意的是風(fēng)玫瑰圖

4、的數(shù)據(jù)往往在開(kāi)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(fēng)玫瑰圖的描述有顯著差異。建筑物附近的樹(shù)木和其他結(jié)構(gòu)都會(huì)影響該地的風(fēng)向和風(fēng)速。二 自然通風(fēng)方式自然通風(fēng)主要通過(guò)建筑上有目的的開(kāi)口產(chǎn)生空氣流動(dòng)，而這種空氣流動(dòng)主要是在壓差的作用下進(jìn)行的。壓差是動(dòng)力，各開(kāi)口則決定了阻力。根據(jù)壓差的形成機(jī)理不同自然通風(fēng)可分為以下幾種。1 熱壓作用下的自然通風(fēng)在外圍護(hù)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(méi)有空氣溫度差或者窗孔之間沒(méi)有

5、高差就不會(huì)產(chǎn)生熱壓作用下的自然通風(fēng)室內(nèi)某一點(diǎn)的壓力和室外同標(biāo)高未受擾動(dòng)的空氣壓力的差值稱為該點(diǎn)的余壓。僅有熱壓作用時(shí)，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(fēng)；如該窗孔的余壓為負(fù)，則窗孔進(jìn)風(fēng)。如果以窗孔a的中心平面作為一個(gè)基準(zhǔn)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(diǎn)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(diǎn)的余壓。余壓值從進(jìn)風(fēng)窗孔a的負(fù)值逐漸增大到排風(fēng)窗孔b的正值。在O-O平面上，余壓等于零，這個(gè)平面稱為中和面。位于中和面的窗孔上是沒(méi)有空氣流動(dòng)的。

6、某一窗孔余壓的絕對(duì)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(fù)。2 風(fēng)壓作用下的自然通風(fēng)某一建筑物周圍的風(fēng)壓分布與該建筑的幾何形狀和室外的風(fēng)向有關(guān)。風(fēng)向一定時(shí)，建筑物外圍護(hù)結(jié)構(gòu)上某一點(diǎn)的風(fēng)壓值可用下式表示： K稱為風(fēng)壓系數(shù)或空氣動(dòng)力系數(shù)。K值為正，說(shuō)明該點(diǎn)的風(fēng)壓為正值，K值為負(fù)，說(shuō)明該點(diǎn)的風(fēng)壓為負(fù)值。不同形狀的建筑物在不同方向的風(fēng)力作用下，風(fēng)壓系數(shù)分布是不同的。風(fēng)壓系數(shù)要在風(fēng)洞內(nèi)通過(guò)模型試驗(yàn)求得或通過(guò)計(jì)算流體力學(xué) (CFD) 模擬計(jì)算獲得。同一建筑物的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)上，如果有兩個(gè)風(fēng)壓值不同的窗孔，風(fēng)壓系數(shù)大的窗孔將會(huì)進(jìn)風(fēng)，風(fēng)壓系數(shù)小的窗孔將會(huì)排風(fēng)。如果建筑處在風(fēng)

7、速為w的風(fēng)力作用下，由于，沒(méi)有熱壓的作用。在風(fēng)的作用下，迎風(fēng)面窗孔的風(fēng)壓大于背風(fēng)面窗孔的風(fēng)壓。因?yàn)闆](méi)有熱壓的作用，室內(nèi)各點(diǎn)的余壓均保持相等。如果只開(kāi)啟迎風(fēng)窗a，關(guān)閉背風(fēng)窗b，不管窗內(nèi)外的壓差如何，由于空氣的流動(dòng)，室內(nèi)的余壓逐漸升高，當(dāng)室內(nèi)的余壓等于迎風(fēng)窗的風(fēng)壓時(shí)，空氣停止流動(dòng)。如果同時(shí)打開(kāi)背風(fēng)窗,由于室內(nèi)余壓高于背風(fēng)窗外風(fēng)壓,空氣將從背風(fēng)窗流出。隨著空氣的向外流動(dòng)，室內(nèi)的余壓下降，這時(shí)，室外空氣由迎風(fēng)窗流入室內(nèi)。一直到迎風(fēng)窗的進(jìn)風(fēng)量等于背風(fēng)窗的排風(fēng)量時(shí)，室內(nèi)余壓才保持穩(wěn)定。3 風(fēng)壓和熱壓共同作用的自然通風(fēng)某一建筑物受到風(fēng)壓熱壓的同時(shí)作用時(shí)，外圍護(hù)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(fēng)

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(fēng)的優(yōu)勢(shì)與局限1 自然通風(fēng)的優(yōu)勢(shì)自然通風(fēng)最明顯的優(yōu)勢(shì)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(shì)。降低能耗自然通風(fēng)完全依靠自然力來(lái)實(shí)現(xiàn)，與機(jī)械通風(fēng)和降溫相比，自然通風(fēng)消耗的能源可以忽略不計(jì)。不僅如此，自然通風(fēng)的初期投資和運(yùn)行成本都遠(yuǎn)低于機(jī)械通風(fēng)。以長(zhǎng)遠(yuǎn)的眼光看，提高能源效率與減少開(kāi)支、減少碳排放是高度一致的。 自然通風(fēng)，主要通過(guò)建筑設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)，無(wú)需龐大的設(shè)備和管道, 提高空間利用率。用于實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)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(fēng)。因此，這些占用

9、的面積幾乎可以忽略。然而，典型的機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)要占用樓層面積的47%，此外，通風(fēng)管道還會(huì)占用約層高的15%。如果采取自然通風(fēng)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(fēng)和機(jī)械通風(fēng)都能起到換氣和降溫的效果，但是機(jī)械通風(fēng)無(wú)法與微妙的自然風(fēng)媲美。尤其是在夏季，拂過(guò)陣陣涼風(fēng)，讓人精神振奮。自然通風(fēng)往往能夠與自然采光很好的結(jié)合起來(lái)，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(lái)的經(jīng)濟(jì)收益，通常大大超過(guò)用于改善室內(nèi)環(huán)境的開(kāi)支，但是這一點(diǎn)卻經(jīng)常被忽視。2 自然通風(fēng)的局限自然通風(fēng)依靠自然力來(lái)實(shí)現(xiàn)，通風(fēng)時(shí)段和通風(fēng)強(qiáng)度都不能隨心所欲。 自然通風(fēng)依賴自然力，不完全受人控制，不過(guò)

10、換句話說(shuō)，自然通風(fēng)同時(shí)擺脫了對(duì)電力的依賴。人類已發(fā)明出一些被動(dòng)式設(shè)施，用于控制和促進(jìn)自然通風(fēng)。在許多建筑中，人們安裝風(fēng)扇來(lái)輔助自然通風(fēng)。受室外空氣質(zhì)量制約當(dāng)室外空氣質(zhì)量惡化時(shí)，自然通風(fēng)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(fēng)過(guò)程中，空氣不能有效的被過(guò)濾。尤其是那些對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量要求極高的建筑，比如精密實(shí)驗(yàn)室，需要過(guò)濾進(jìn)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(fēng)在建筑中的應(yīng)用1 屋頂?shù)淖匀煌L(fēng)在炎熱地區(qū)，屋頂?shù)牡脽崃渴遣蝗莺鲆暤?，尤其?duì)頂層住戶產(chǎn)生極大的影響。對(duì)屋頂適當(dāng)?shù)牟扇∽匀煌L(fēng)的措施，能有效的利用風(fēng)的流動(dòng)，帶走蓄積于屋頂?shù)臒崃俊Ｍ?/p>

11、風(fēng)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(fēng)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(dá)到屋面降溫的目的，另外架空板還保護(hù)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(fēng)隔熱層，也可得到較好的隔熱效果。2 通風(fēng)墻體通風(fēng)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(kāi)有進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口。通風(fēng)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(dòng)內(nèi)部氣流運(yùn)動(dòng)，從而可以帶走內(nèi)部的熱量和潮氣。外墻加通風(fēng)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(fēng)空氣間層的隔熱效果愈顯著，故對(duì)東西向

12、墻更為明顯。（圖5）是通風(fēng)墻體的示意圖和典型構(gòu)造做法。國(guó)內(nèi)已經(jīng)有了對(duì)通風(fēng)墻體探討的實(shí)例，并取得了一定的經(jīng)驗(yàn)。在北京鋒尚國(guó)際公寓中通風(fēng)墻體得到了嘗試應(yīng)用。建筑外墻在EPS聚苯板與具有遮陽(yáng)功能的瓷板幕墻之間形成流動(dòng)的空氣層，利用熱壓的原理在空氣層內(nèi)部實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)，流通的氣流可以帶走空氣間層的熱量，實(shí)現(xiàn)為圍護(hù)結(jié)構(gòu)降溫；同時(shí)還帶走了間 4 層內(nèi)部的水蒸氣，保護(hù)了保溫層。（圖6）3 雙層玻璃幕墻雙層幕墻又稱“會(huì)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(gè)空腔，空腔的兩端有可以控制的進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口。在冬季，關(guān)閉進(jìn)出風(fēng)口，利用“溫室效應(yīng)”，提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面的溫度；夏季，打開(kāi)進(jìn)出風(fēng)口，利

13、用“煙囪效應(yīng)”在空腔內(nèi)部實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)（圖7b）。為了更好的實(shí)現(xiàn)隔熱，通道內(nèi)一般設(shè)置有百葉等遮陽(yáng)裝置（圖7c）。雙層玻璃幕墻在保持外形輕盈的同時(shí)，能夠很好的解決高層建筑中過(guò)高的風(fēng)壓和熱壓帶來(lái)的風(fēng)速過(guò)大的問(wèn)題，能解決夜間開(kāi)窗通風(fēng)而無(wú)需擔(dān)心安全問(wèn)題，可加強(qiáng)圍護(hù)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(fēng)幕墻由于換氣層的作用，比單層幕墻在采暖時(shí)節(jié)約能源4252，在制冷時(shí)節(jié)約能源3860，是解決建筑節(jié)能的一個(gè)新的方向。4 通風(fēng)中庭目前，大量的建筑中設(shè)計(jì)有中庭，主要是平面過(guò)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(fēng)。由福斯特主持設(shè)計(jì)的法蘭克福商業(yè)銀行就是一個(gè)利用中庭進(jìn)行

14、自然通風(fēng)的成功案例。在這一案例中，設(shè)計(jì)者利用計(jì)算機(jī)模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)，對(duì)60層高的中庭空間的通風(fēng)進(jìn)行分析研究。為了避免中庭內(nèi)部過(guò)大的紊流，每12層作為一個(gè)獨(dú)立的單元，各自利用熱壓實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)，取得良好的效果。5 風(fēng)塔早在幾千年前，風(fēng)塔就在古埃及得到流行，如今在中東地區(qū)，仍然可以見(jiàn)到它的蹤影。風(fēng)塔由垂直豎井和風(fēng)斗組成。在通風(fēng)不暢的地區(qū)，可以利用高出屋面的風(fēng)斗，把上部的氣流引入建筑內(nèi)部，來(lái)加速建筑內(nèi)部的空氣流通。風(fēng)斗的開(kāi)口應(yīng)該朝向主導(dǎo)風(fēng)向。在主導(dǎo)風(fēng)向不固定的地區(qū)，則可以設(shè)計(jì)多個(gè)朝向的風(fēng)斗，或者設(shè)計(jì)成可以隨風(fēng)向轉(zhuǎn)動(dòng)。例如在英國(guó)貝丁頓零能耗發(fā)展項(xiàng)目中，設(shè)計(jì)了可以隨風(fēng)向轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)斗，配合其他措施，利用自然風(fēng)壓

15、實(shí)現(xiàn)了建筑內(nèi)部的通風(fēng)6 拔風(fēng)井拔風(fēng)井利用煙囪效應(yīng)，造成室內(nèi)外空氣的對(duì)流交換。英國(guó)諾丁漢大學(xué)朱比麗分校是一個(gè)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(jì)，在頂部集成機(jī)械抽風(fēng)和熱回收裝置，完成建筑的通風(fēng)。在機(jī)械的輔助下，充分利用“煙囪效應(yīng)”在建筑內(nèi)部形成自然風(fēng)循環(huán)。新鮮的空氣通過(guò)處于風(fēng)塔上部的機(jī)械抽風(fēng)裝置被引入到風(fēng)道中，然后進(jìn)入到各層樓板的夾層空間，進(jìn)而進(jìn)入到室內(nèi)；而廢氣通過(guò)走道和樓梯間的低壓抽風(fēng)作用，最終又回到風(fēng)塔上部，再經(jīng)過(guò)熱回收或蒸發(fā)冷卻裝置，通過(guò)風(fēng)斗排出。7 太陽(yáng)能強(qiáng)化自然通風(fēng)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(dòng)。下圖為嘗試設(shè)計(jì)的某太陽(yáng)能辦公樓方案。方案在西側(cè)設(shè)置了太陽(yáng)能通風(fēng)井。通風(fēng)井受太陽(yáng)輻射溫度升高，內(nèi)部空氣上升并從上部開(kāi)口排出，在井內(nèi)形成負(fù)壓，迫使各層走道的空氣流向通