建筑自然通風技術及其研究現狀

□ 尹中偉 李泳江

自然通風能改善建筑內環境溫度，提高環境舒適度，且節約能源，為建筑業廣泛采用。相比較空調，它能在不消耗能源的情況下獲得較大的通風量，并保證良好的空氣質量。自然通風還能減少“建筑綜合癥”，使人們的生活更加舒適。自然通風在實際生活中的廣泛應用引發國內外大量的研究，研究一方面為了解決室內空氣品質不高的問題，另一方面則集中在利用自然通風獲得夏季或過渡季節的適宜溫度上，使自然通風取代空調。

一、自然通風作用原理

傳統民居往往這樣設計:輕便的墻體，深遠的挑檐，高頂棚設有通風口。所謂“坐北朝南”，“引穿堂風”，這都是應用了自然通風原理。從工作原理上劃分，自然通風有以下三種:風壓原理通風、熱壓原理通風以及風壓熱壓共同作用原理通風。

(一)風壓原理通風。風壓即利用建筑迎、背風面的壓力差，使空氣由高壓處向低壓處流動。將風對建筑物的作用力分解成水平阻力和垂直升力，水平方向往往要考慮建筑開口朝向，穿堂風就是將窗布置在主導風向，減少阻力爭取自然風。垂直方向的力由于伯努利效應，使進風面和屋頂面之間有著巨大的抽吸力，能很好地實現通風換氣。我國傳統建筑在排風出口設置的風塔，就是利用了風壓引起的文丘里效應:氣流在空間收縮的部分加速，甚至形成負壓，這將有利于空氣的流動。

(二)熱壓原理通風。熱壓通風就是常說的“煙囪效應”，它的形成源于室內外溫度差，溫度差引起室內外的密度差，從而在垂直于建筑物墻面的方向產生壓力梯度。當室溫高于外部溫度，建筑物的壓力上部比下部高，這就存在了一個壓力差，使得空氣由下面的開口流進，從上面流出。當室溫低于外部溫度，熱空氣從室外進入，與室內冷空氣交換，這就是反煙囪效應。煙囪設得越高，建筑物上部與下部之間的溫度與壓力差也越大，更高的氣流速度使得空氣流通更快。

(三)風壓和熱壓共同作用通風。在實際生活中的自然通風，一般都是熱壓和風壓共同作用的。一般來說，進深小的開口主要是風壓通風，而進深大的開口則主要是熱壓通風，如果兩種通風方式的流線相同，那么兩者共同的作用將促進自然通風，達到較好的效果，同時應注意，熱壓與風壓結合并不是簡單的線性疊加。建筑師在設計建筑物時，應當將兩者的作用綜合考慮，達到良好的通風效果。

二、國內外自然通風技術介紹

(一)建筑物設計與自然通風。

1．建筑物的合理設計與布局。從自然通風的角度考慮，建筑物的布局受陽光和風向影響較大。使建筑法線方向與主導風向一致，同時也防止過量吸熱，是我們常用的設計方法。但對于建筑群，控制不好間距，這樣反而會在建筑物背面有漩渦區形成，使得后排的建筑物通風不利。因此，建筑群的設計要充分考慮各種因素，如風向投射角對室內風速的影響，合理的建筑物間距等。

2．建筑物的門窗開口設計。建筑物開口的尺寸、型式、窗體與墻面的面積比，甚至開啟的方式都直接影響著通風效果。進風口大則流場大，進風口小則流速大流場小;據調查結果，開間寬度是開口寬度的1．5～3．0倍時，能達到較好的通風效果。

3．引“穿堂風”與設“豎井空間”。穿堂風是自然通風中效果最好的方式，傳統建筑在風壓的作用下，室外空氣從建筑物的一側進，正對從另一側出。為組織穿堂風，我們應當使主要房間朝向主導風，輔助房布置在背風面，并合理布置家具，使得自然通風更加舒適。設置豎井空間也是較好利用自然通風的一種方式。如今，大量的建筑物設有中庭，一方面是對于采光的考慮，另一方面是對“煙囪效應”的利用，以更好地利用自然通風。也有些建筑物設置了風塔，它由豎井和幾個風斗組成，風斗的方位迎向主導風向，在通風不暢的地區利用這種高出屋面的風斗，將有利于自然通風。

4．屋頂設隔層增強通風。屋頂隔層可以作為一個獨立的通風空間，當自然風在隔層中流動，隔層表面的溫度也隨之升高或降低，屋內的溫度因此受到影響。常見的是在房屋的結構層上設置隔層，既能通風降溫，又能保護防水層，也有利用坡屋頂自身結構設置隔層的例子，設計方便且通風良好。

5．國內外建筑實例。日本的札幌Dome，在夏季，白天四周進風且天窗開啟，晚上也能換氣排熱，非常利于自然通風。我國的皖南民居則設置了中庭，中庭在日常有助于采光，同時加強自然通風。夏季的天窗是打開的，通過對天窗格板的調節，可以調節室內的陽光從而減熱降溫;冬季關閉天窗，可以采光采熱。這樣一些建筑設計在白天可以減少風壓帶來的不適，晚上可以促進熱壓增強通風降溫。

(二)輔助設備與自然通風。

1．雙層玻璃幕墻。雙層幕墻在自然通風領域有廣泛的應用，它分為內幕墻和外幕墻，中間設有空腔，在空腔的一端是進風口，另一端是出風口，在夏季將兩端風口打開，能實現自然通風;在冬季將兩端風口關閉，空腔即為溫室，冬暖夏涼。在節能上，雙層通風幕墻比單層幕墻在采暖時節能42%～52%，在制冷時節能38% ～60%，是節能建筑的一個新的方向。

2．太陽能的應用。太陽能可以不斷地轉化為動力通風，是可再生能源的熱點，將太陽能應用于自然通風技術的實例有很多。冬季溫度低，可將太陽能集熱器中的熱空氣經機械裝置引到地板處，并通過氣孔進入室內，從而調整室內溫度;夏季溫度過高，晚上將冷卻的太陽能集熱器中的空氣吸入室內，從而通風降溫。

3．國內外建筑實例。德國的巴伐利亞住宅則是通過優化建筑設計的外殼材料來輔助自然通風。它的外殼材料在冬季可儲存熱量，使室內溫度增加;夏季可調整遮陽設備，遮蓋外殼材料。這就實現了冬暖夏涼。夜里，墻體通過表面風的吹拂，還能實現自然冷卻，帶走熱量。

悉尼的威爾金森辦公樓，比利時的IVGE辦公樓更是輔助設備與自然通風結合的典例。天氣較為溫和時，自然通風即可滿足室內環境的需要，遇到極端天氣，可開啟機械通風，隨時調整室內環境，既節能又舒適。

三、結語

隨著科學技術的發展，將機械設備融于自然通風，并結合了太陽能、地冷、建筑材料等，以達到更好的自然通風效果。此外，CFD模擬軟件的應用，以及建筑模型的不斷完善更為我們提供了有效的研究方法，使得自然通風擁有良好的發展前景。

［1］張文麗．淺談生態建筑中的自然通風技術［J］．中小企業管理與科技，2010

［2］黃樂．自然通風原理在學校建筑中的應用與實現［J］．科技傳播，2010

［3］高云飛，孟慶林．一種生態建筑技術——自然通風［J］．生態科學，2003

［4］馬俊麗，周孝清，周曉慧．嶺南民居室內自然通風實例分析［A］．全國暖通空調制冷2010學術年會資料集［C］，2010

［5］范存養．大空間建筑空調設計及工程實錄［M］．北京:中國建筑工業出版社，2001

［6］范衛軍，郭春梅，王曉東．自然通風技術研究現狀與探討［J］．潔凈與空調技術，2009