淺談生態(tài)建筑中的自然通風(fēng)技術(shù)

摘要:隨著空調(diào)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們漸漸淡忘了自然通風(fēng)的應(yīng)用。迫于當(dāng)前能源、生活質(zhì)量等的多重壓力下，使得人們重新重視自然通風(fēng)技術(shù)。本文結(jié)合工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)自然通風(fēng)技術(shù)的基本原理及其在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行了分析，以便于同行交流和學(xué)習(xí)。

關(guān)鍵詞:自然通風(fēng) 原理 建筑設(shè)計(jì) 方式

0 引言

隨著空調(diào)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們?cè)絹碓侥苤鲃?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，從而使人們漸漸淡忘了自然通風(fēng)的應(yīng)用。而在空調(diào)技術(shù)得以普及的今天，為了保持良好的室內(nèi)空氣品質(zhì)、節(jié)約能源以及減少建筑綜合癥發(fā)生的多重壓力下，科學(xué)家們不得不重新重視自然通風(fēng)這一傳統(tǒng)技術(shù)。在這樣的背景下，把自然通風(fēng)這一傳統(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。當(dāng)今生態(tài)建筑中，自然通風(fēng)不僅能夠有效地提供新鮮空氣和實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境的降溫，還能夠節(jié)約常規(guī)能源、減少環(huán)境污染。一些調(diào)查結(jié)果顯示，人們對(duì)自然風(fēng)的偏愛是顯而易見的，即使在有點(diǎn)熱的環(huán)境中，只要有自然風(fēng)，人們大多數(shù)還是選擇自然環(huán)境而不是空調(diào)環(huán)境。目前國(guó)內(nèi)外自然通風(fēng)的研究應(yīng)用主要集中在自然通風(fēng)的兩個(gè)相關(guān)點(diǎn)上:一是利用自然通風(fēng)控制室內(nèi)空氣品質(zhì);二是利用自然通風(fēng)解決夏季或過渡季的熱舒適性問題，取代或部分取代空調(diào)。隨著可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略思想的深入，以及人們對(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)要求的提高，自然通風(fēng)必將在我國(guó)得到廣泛重視和研究應(yīng)用。本文對(duì)有關(guān)自然通風(fēng)技術(shù)的基本原理及其在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行了分析和討論。

1 自然通風(fēng)的原理

建筑物內(nèi)空氣流動(dòng)主要有四個(gè)原因:風(fēng)壓、熱壓、風(fēng)壓和熱壓共同作用下的自然通風(fēng)以及機(jī)械輔助的自然通風(fēng)。

1.1 風(fēng)壓作用下的自然通風(fēng) 風(fēng)壓是指空氣流受到阻擋時(shí)產(chǎn)生的靜壓。在具有良好的外部風(fēng)環(huán)境的地區(qū)，風(fēng)壓可作為實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)的主要手段。當(dāng)風(fēng)吹向建筑物正面的時(shí)候，因受到建筑的阻擋，會(huì)在建筑的迎風(fēng)面產(chǎn)生正壓力(約為風(fēng)速動(dòng)壓力的0.5～0.8倍)，氣流再向上偏轉(zhuǎn)，同時(shí)繞過建筑物各側(cè)面及背面，在這些面上產(chǎn)生局部渦流(約為風(fēng)速動(dòng)壓力的0.3～0.4倍)，靜壓降低，形成負(fù)壓差。風(fēng)壓就是利用建筑迎風(fēng)面和背風(fēng)面的壓力差，室內(nèi)外空氣在這個(gè)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(dòng)，而這個(gè)壓力差與建筑形式、建筑與風(fēng)的夾角以及建筑物周圍自然地形等因素相關(guān)。當(dāng)風(fēng)垂直吹向建筑正面時(shí)，迎風(fēng)面中心處正壓最大，在屋角及屋脊處負(fù)壓最大。我們通常所說的“穿堂風(fēng)”就是典型的風(fēng)壓通風(fēng)。另外，伯努利流體原理顯示，流動(dòng)空氣的壓力隨其速度的增加而減小，從而形成低壓區(qū)。根據(jù)這種原理，可以在建筑中局部留出橫向的通風(fēng)通道，當(dāng)風(fēng)從通道吹過時(shí)，會(huì)在通道中形成負(fù)壓區(qū)，從而帶動(dòng)周圍空氣的流動(dòng)，這就是管式建筑的通風(fēng)原理。

1.2 利用熱壓實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng) 熱壓通風(fēng)即通常所說的煙囪效應(yīng)，其原理為室內(nèi)外溫度不一，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，建筑物的上部分將會(huì)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(shí)，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(gè)開口處的高度差H和室內(nèi)外的空氣溫度差。而在實(shí)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。與風(fēng)壓式自然通風(fēng)不同，通常熱壓式自然通風(fēng)更能適應(yīng)常變的外部風(fēng)環(huán)境和不良的外部風(fēng)環(huán)境。

1.3 風(fēng)壓和熱壓共同作用下的自然通風(fēng) 在建筑的自然通風(fēng)設(shè)計(jì)中，風(fēng)壓通風(fēng)與熱壓通風(fēng)往往是互為補(bǔ)充、共同作用，只是各自作用的程度不同。熱壓作用相對(duì)穩(wěn)定，煙囪效應(yīng)拔風(fēng)的產(chǎn)生條件較容易實(shí)現(xiàn);而風(fēng)壓作用常常受到大氣環(huán)流、地方風(fēng)、建筑形狀、周圍環(huán)境等因素的影響，具有不穩(wěn)定性。一般來說，在建筑進(jìn)深較小的部位大多利用風(fēng)壓來直接通風(fēng)，而進(jìn)深較大的部位則大多利用熱壓來達(dá)到通風(fēng)效果。但是在通風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)，要特別注意避免風(fēng)壓和熱壓相互抵消而降低了通風(fēng)的效率。

1.4 機(jī)械輔助式自然通風(fēng) 在一些大型建筑中，如體育場(chǎng)館、展覽館、商業(yè)設(shè)施等大型公共建筑，往往由于通風(fēng)路徑較長(zhǎng)，流動(dòng)阻力較大，單純依靠自然風(fēng)壓與熱壓往往不足于實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)。而且對(duì)于一些空氣污染嚴(yán)重的城市，直接的自然通風(fēng)會(huì)將室外污染的空氣和噪聲傳入室內(nèi)，不利于健康環(huán)境的營(yíng)造，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(如預(yù)熱、土壤預(yù)冷、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)。

2 實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)的方式與設(shè)計(jì)理念

2.1 合理控制建筑布局與設(shè)計(jì)體型 建筑布局受很多因素控制，不同布局的建筑群和建筑體型對(duì)于自然通風(fēng)的效果影響很大。從生態(tài)的角度上，影響布局的主要因素有陽(yáng)光與風(fēng)向。防止單體建筑吸熱與太陽(yáng)輻射過度的同時(shí)，應(yīng)該盡量使建筑的法線與夏季主導(dǎo)風(fēng)向一致;對(duì)于建筑群體，若風(fēng)沿著法線方向吹向建筑，會(huì)在建筑物背風(fēng)面形成很大的漩渦區(qū)，對(duì)后排建筑的通風(fēng)不利。所以在建筑設(shè)計(jì)中要根據(jù)風(fēng)向投射角(風(fēng)向與房屋外墻面法線的夾角)對(duì)室內(nèi)風(fēng)速的影響來決定合理的建筑間距，同時(shí)還要結(jié)合建筑群體布局的改變以達(dá)到縮小間距的目的。在單體設(shè)計(jì)中還應(yīng)結(jié)合總體布局對(duì)建筑的體型，包括進(jìn)深、高度、面寬乃至形狀等實(shí)行一定的控制，解除前幢建筑對(duì)后幢建筑通風(fēng)的影響。

2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)建筑物門窗開口 建筑物開口的配置以及開口的尺寸、窗戶的型式和開啟方式、窗墻面積比等的合理設(shè)計(jì)，直接影響著建筑物內(nèi)部的空氣流動(dòng)以及通風(fēng)效果。若進(jìn)風(fēng)口大，則流場(chǎng)大;進(jìn)風(fēng)口小，流速雖然增加，但是流場(chǎng)縮小。根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究，當(dāng)開口寬度為開間寬度的1/3～2/3時(shí)，開口大小為地板總面積的15%～25%時(shí)，通風(fēng)效果最佳。另外進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口應(yīng)相對(duì)錯(cuò)開位置，這樣可以使氣流在室內(nèi)改變方向，使室內(nèi)氣流均勻，通風(fēng)效果更好。

2.3 有效組織穿堂風(fēng) 所謂“穿堂風(fēng)”是指在風(fēng)壓作用下，室外空氣從建筑物一側(cè)進(jìn)入，貫穿內(nèi)部，從另一側(cè)流出的自然通風(fēng)。“穿堂風(fēng)”是自然通風(fēng)中效果最好的方式，應(yīng)該盡量組織好室內(nèi)的通風(fēng)，有效組織穿堂風(fēng)的具體措施有:主要房間應(yīng)該朝向主導(dǎo)風(fēng)迎風(fēng)面，背風(fēng)面則布置輔助用房;利用建筑物內(nèi)部的窗戶和門的開口，引導(dǎo)氣流;根據(jù)需要，通過調(diào)節(jié)風(fēng)口，改變風(fēng)速風(fēng)量。另外合理的布局家具與隔斷，還能讓風(fēng)的流速、風(fēng)量更加宜人。穿堂風(fēng)的具體設(shè)計(jì)要求有:①氣流路線應(yīng)流經(jīng)人的活動(dòng)范圍;②有必要的風(fēng)速，最好達(dá)到0.3m/s以上。對(duì)有大量余熱和有害物質(zhì)的生產(chǎn)車間，組織自然通風(fēng)除保證必要通風(fēng)量外，還應(yīng)保證氣流的穩(wěn)定性和氣流線路的短捷性。

2.4 利用屋頂增強(qiáng)自然通風(fēng) 屋頂除了作為整個(gè)建筑自然通風(fēng)系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，本身也可以成為一個(gè)獨(dú)立的通風(fēng)系統(tǒng)。通風(fēng)屋頂內(nèi)部一般有一個(gè)空氣間層，利用熱壓通風(fēng)的原理使氣流在空氣間層中流動(dòng)，以提高或降低屋頂內(nèi)表面的溫度，進(jìn)而影響到室內(nèi)空氣的溫度。通風(fēng)隔熱屋面通常有以下兩種方式:①在結(jié)構(gòu)層上部設(shè)置架空隔熱層;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。

2.5 雙層玻璃幕墻維護(hù)結(jié)構(gòu) 雙層幕墻是當(dāng)今生態(tài)建筑中所普遍采用的一項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，又稱“呼吸式幕墻”或“熱通道幕墻”，被譽(yù)為“會(huì)呼吸的皮膚”。它由內(nèi)外兩道幕墻組成，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;在夏季，打開進(jìn)出風(fēng)口，利用“煙囪效應(yīng)”在空腔內(nèi)部實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)。為了更好地實(shí)現(xiàn)隔熱，通道內(nèi)一般設(shè)置有百葉等遮陽(yáng)裝置。

3 結(jié)束語(yǔ)

通風(fēng)是建筑的最基本功能之一，降低建筑能耗，使建筑的人工環(huán)境與自然環(huán)境達(dá)到動(dòng)態(tài)的平衡，將是建筑在滿足了基本的使用功能和美學(xué)要求后應(yīng)追求的更高目標(biāo)。自然通風(fēng)設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程，需要涉及到多專業(yè)知識(shí)的配合。在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)該根據(jù)建筑的規(guī)模、使用狀況、人流分布、舒適度要求等進(jìn)行分析計(jì)算。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我們有理由相信，自然通風(fēng)這種廉價(jià)、舒適、健康的通風(fēng)方式會(huì)在生態(tài)建筑中得到廣泛的應(yīng)用，是可持續(xù)發(fā)展必須采用的一種節(jié)能方式。

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