自然通風與節能舒適性分析*

孫志高

社會的進步和人類生產要求與生活水平的提高,工作與生活的環境要求越來越高,空調的使用也越來越普及。空調給人們的工作和生活帶來舒適環境的同時,也導致能量的大量消耗。為減少空調使用能量的消耗,在空調系統設計和使用過程中常常通過增加空調環境的密閉性、減少通風量來實現,但這也是現代建筑物“病態建筑綜合癥”產生的主要因素之一。防止“病態建筑綜合癥”、改善空調環境的人體舒適度的一個有效方法就是從室外適量引入新鮮的空氣。從節能角度出發,古老的通風方法——自然通風近年來又受到重視,并得到進一步的發展。組織合理的自然通風,不僅可以節省下大量的空調能耗,同時為工作、生活提供健康、舒適的環境,回歸自然。

1 自然通風的原理與應用形式

1.1 自然通風原理

自然通風是根據地理和建筑物的自然環境條件而進行的一種通風換氣方式,其顯著特點就是在通風過程中不消耗能源,技術簡單,但同時也具有受環境影響大的不利因素,空氣調節的精度不高等特點。

當室外氣流與建筑物相遇時,由于建筑物的阻擋,迎風面形成一個滯流區,動壓降低,靜壓增高,形成正壓區;建筑物的背風面和側面靜壓降低,形成負壓區。這時只要建筑物設有窗、孔等設施,氣流將自發從正壓面流進建筑物內,然后再由建筑物內流至建筑物外的負壓區,形成風壓通風(見圖1)。沒有溫差條件下的純風壓通風驅動力的大小主要取決于風速與風向、建筑物結構、尺寸與朝向,在夏天風壓通風是自然通風的主要方式,通風量也較由于溫度差引起的熱壓通風量大。

當室內外存在溫度差,同時建筑物與環境之間存在不同高度的通風口,這時在熱壓的作用下導致建筑物與環境間的氣流交換(見圖2)。這是一種自然對流,它主要是利用空氣密度隨溫度升高而降低的性質所進行的一種通風方式,影響熱壓通風的因素主要是建筑物窗孔的位置與高度差以及室內外的溫度差。

通常情況下自然通風常常是由于在熱壓和風壓共同作用下進行的(見圖3),但對于某一特定建筑物而言,環境中風力與風向是一動態變化的量,導致風壓與熱壓共同作用下的自然通風不能簡單線性疊加。

1.2 自然通風形式

1)自然通風中“煙囪效應”。現代建筑物中,大中型建筑物越來越常見,中庭作為大中型建筑物的一部分在其自然通風中起著重要的作用。中庭中的空氣在太陽的照射下,形成熱壓作用所需要的溫度差,而中庭本身的高度又為自然通風提供了高度差,這樣從門廳進來的自然風從中庭的底部進入而由中庭的上部排出,同時帶走建筑物中的部分熱量。2)與太陽能相結合的自然通風。太陽能煙囪就是這一應用方式的具體體現(見圖4),它通過集熱器加熱空氣,從而產生抽吸作用,冷空氣由建筑物的下部進入,熱空氣從上部的太陽能集熱器排出,達到通風的目的。3)與相變儲能墻體材料相結合的自然通風。我國許多地區的晝夜溫差大,夏天的室內溫度常常偏高,導致人體不舒適,而自然通風由于受到氣候條件等因素的限制,在這些地區的白天有時作用有限。如果能利用夜晚的低溫環境,降低白天的室內溫度,可起到很好的降溫效果。自然通風結合含有相變墻體材料將很好地實現這一功能,相變墻體材料在白天溫度較高時吸熱發生固—液相變,降低室內溫度;夜晚自然通風使溫度降低,墻體材料發生液—固相變,放出白天吸收的熱量。4)玻璃幕墻進行自然通風。現代玻璃幕墻建筑物在大中城市中越來越多,利用玻璃幕墻實現自然通風也是現代建筑的一個特色。通常玻璃幕墻的內外兩層玻璃之間形成一個氣流通道,外層玻璃幕墻設置有進風口和排風口。在陽光的照射下通道內的空氣溫度吸熱,形成上升的空氣流,從而實現通風的目的,并帶走通道內的熱量,降低內層玻璃表面的溫度,對房間進行冷卻。在溫度低的季節里,可關閉玻璃幕墻的進風口和排風口,這時氣流通道變成了溫室,從而提高內層玻璃的溫度,對房間進行加熱。

2 自然通風節能

通風是排除建筑物內污染物,消除余熱余濕,實現房間冷卻的一種技術手段,也是提供新鮮空氣的需要。與機械通風相比,自然通風是利用地理條件、建筑物自身的結構和特點實現通風的一種有效方式,是一種沒有能耗的技術,在承擔全部或部分房間空調負荷的同時,節省了寶貴的能源,達到節能的目的。相關的研究報告指出,在辦公樓中合理采用自然通風可節省空調能耗14 kWh/m2～41 kWh/m2。國際能源署在 2000年的總結報告中指出,有效利用自然通風可使辦公樓的建筑能耗下降50%以上。由此可見,自然通風只要利用恰當,是一種可靠的節能技術。自然通風在實際利用過程中受到多種因素的影響,如當地氣候、建筑物結構、建筑物環境要求與建筑物內部得熱和得濕量、建筑物外的空氣質量等,這些都會對自然通風是否可行、通風效果產生直接影響。

3 自然通風舒適性

除了環境的溫度外,空氣流動特點是影響人體熱舒適感覺的重要因素,人體對不同通風方式的舒適度感覺是不同的。通常情況下氣流的速度、脈動強度和頻率分布影響人體與環境的熱濕交換,從而影響人體對環境溫度的感覺,使人體產生不同的熱感覺。自然風是一種沒有規律的紊亂氣流,與恒定而單調的機械通風相比,自然風的湍動效應更符合人的生理要求,受到人們的青睞。國內外的已有研究結果表明,對比自然通風與機械通風,絕大部分人喜歡自然通風環境,而選擇機械通風環境人的比例在30%以下;更有80%以上的被調查者選擇有點熱但有自然風的環境而不是有空調的涼爽環境,這就說明自然通風更適合人體的生理要求。

4 結語

自然通風是一項古老而重要的通風方式,其與現代技術相結合成為重要的通風空調技術,受到建筑節能和生態主義者的關注。自然通風是一種被動式的通風降溫形式,通過合理的設計和運行可有效改善建筑物的熱環境,提高室內空氣品質,降低對常規空調系統的依賴,節約建筑物能耗,在當今社會潛力巨大。但自然通風受到的制約因素多,如地理氣候環境、建筑物周圍的空氣質量與噪聲、建筑物的結構等,只有綜合這些因素的合理設計與運行,才能確保自然通風的有效實現。同時要研究新的自然通風技術手段,如與自然通風相結合的相變墻體儲能材料、自然通風的模擬軟件以及控制技術等,這些新技術的研究開發將有力促進自然通風技術的健康發展。

[1]萬 鑫,蘇亞欣.現代建筑中自然通風技術的應用[J].建筑節能,2007,35(9):25-27.

[2]王洪光,邱 巍.以西安地區為例談自然通風在教學建筑中的應用[J].重慶建筑,2009,8(6):30-33.

[3]許 鳳,陳玉英.自然通風的應用形式及節能與舒適性探討[J].制冷與空調,2008,22(4):28-30.

[4]British Research Establishment Conservation Support Unite(BRECSU),Energy Consumption Guide 19:Energy Use in office,Garston,Watford,UK,2000.

[5]夏一哉.氣流脈動強度與頻率對人體熱感覺的影響研究[D].北京:清華大學,2000.

[6]呂 遠.淺談建筑的節能與環保[J].山西建筑,2009,35(15):217-219.

[7]歐陽沁,戴 威,周 翔,等.自然通風環境下的熱舒適分析[J].暖通空調,2005,35(8):45-46.