太陽能在建筑自然通風設計中的應用

陳代京

太陽能在建筑自然通風設計中的應用

陳代京

摘 要：本文首先分析研究了自然通風在建筑物節能方面的影響以及在建筑設計中如何合理應用自然通風，太陽能不僅可以用來增加房內空氣的溫度，而且還可用于自然通風，最后系統分析了利用太陽能減少建筑的能耗，使設計節能的建筑通風成為現實。

關鍵詞：通風；太陽能；自然通風

隨著城鎮化的發展，在建筑設計時，建筑師不僅要考慮建筑物的美觀實用，還要考慮如何使建筑更節能環保，而太陽能無疑是最佳的選擇。據統計，我國同氣候條件下建筑物單位能耗明顯高于發達國家，大約是發達國家的2～5倍，而多層住宅的空調能耗比普通住宅的能耗高出5～6倍。所以，開發利用自然能源，減少不可再生能源的使用量，加強建筑節能的宣傳和認識，同樣在建筑行業內響應國家可持續發展戰略，建立綠色建筑理念。建筑中的通風換氣以及提高屋內空氣溫度，都可以使用太陽能，這將大大地減少建筑的能耗，避免使用空調引起的各種空調疾病。尤其是在我國的北方，冬季干燥少雨，日照充足，充分地利用太陽能來實現建筑中的通風換氣以及提高屋內空氣溫度會節約大量的能源。為了實踐使用太陽能這種清潔能源來實現建筑中的通風換氣以及提高屋內空氣溫度，本文通過精心設計，提出可以讓太陽能透過建筑的窗戶，進而強制提高室內的溫度，迫使屋內空氣與室外進行交換，節能環保。

1 建筑自然通風成因和作用

眾所周知空氣的流動會產生風，而造成空氣流動的原因是壓力差，壓力差包括風壓和熱壓，風壓和熱壓分別來自空氣壓力梯度和溫度梯度。建筑的通風對居民的居住舒適和健康有著重要的關系，通風環境好的建筑居住更加適宜、舒服。自然通風不僅可以降低室內空氣的溫度，增加人居住的舒適度，而且還可以增加建筑與室外的熱交換。自然通風還能夠把屋內污濁的空氣與室外新鮮的空氣流動交換，保持屋內空氣清新，保證居民的健康。

2 結構設計

建筑的窗戶一般包括窗口和窗扇兩部分，用于建筑物室內與室外通風換氣以及采光。可是一般的窗戶是不能強制增加室內空氣的溫度及迫使屋內空氣和室外空氣進行交換的，這是因為透過普通窗戶的太陽輻射能大部分都會白白浪費掉，得不到充分的利用，還要就是因為窗戶使用有色玻璃。而本次設計通過對傳統窗戶的總結研究，以及結合物理學上空氣動力學與能量輻射原理，在此基礎上提出了一種別具一格的窗戶形式，即采用雙層窗戶形式。采用這種窗戶，通過提高雙層窗戶之間的空氣溫度，空氣就會發生對流，迫使屋內空氣質量增加，進而達到換氣通風的目的。這種設計在冬季時可以利用充足的光照，吸收太陽輻射的熱量迫使屋內空氣溫度增加；夏季時又可以與室外空氣交換。

雙層窗戶的物理設計形式大致如下：雙層窗戶安置在建筑物的窗口處，需密封性良好，使用無色透明的玻璃，兩層玻璃之間大約相距15cm，靠里一層窗戶的兩角各留一個能夠打開或關閉的小窗口，兩角在窗戶的對角線上，分別是左上角與右下角，而外層窗戶只在左上角留一個能夠開關自如的小窗口。

設計這種結構非常巧妙，建筑既要有充足的采光率，又可以輕易地增加室內空氣的溫度以及實現與室外空氣的流動交換，充分利用光照，使太陽透過無色玻璃，雙層窗戶吸收太陽能，增加溫度，通過不同的組合來打開或關閉里外兩個窗戶上留有的三個小窗戶，從而實現增加屋內空氣溫度和屋內空氣與外面的通風流動。

3 空氣溫度增加和通風流動原理

雙層窗戶的工作原理：

（1）增加室內空氣的溫度

外層窗戶上的小窗戶關閉，同時打開里層窗戶上的兩個小窗戶。雙層窗戶玻璃間的空氣在太陽的照射下，不斷吸收太陽輻射能，溫度增加，體積增大，密度減小，根據流體力學知識可知，此時空氣因密度較小會向上流動，進而從里層窗戶的左上角流向屋內，而室內的空氣溫度低于雙層窗戶間空氣的溫度，將從里層窗戶的右下角進入雙層玻璃，補充向上流走的空氣，這種空氣流動周而復始，不斷循環，進而達到屋內空氣吸收太陽輻射能增加室內空氣的溫度的作用。

（2）屋內空氣與室外的流動交換

里層窗戶左上角的小窗戶關閉，同時打開里層窗戶的右下角小窗戶與外層窗戶上的小窗戶。此時雙層窗戶玻璃間的空氣在太陽的照射下，吸收太陽輻射能，溫度增加，體積增大，密度減小，向上流動，從外面一層玻璃左上角的小窗口流到屋外，而屋內的空氣低于雙層窗戶間空氣的溫度，從里層窗戶的右下角進入雙層玻璃中，補充向上流走的空氣，進而又吸收太陽能，溫度增加上升流到室外，這樣不斷循環，屋內的濁氣會排到外面，從而迫使了屋內空氣與外面的空氣流動交換。

這種設計的獨到之處是在保證建筑足量的采光率的同時，可以充分的利用光照，使太陽透過無色玻璃，雙層窗戶間空氣吸收太陽能，溫度增加，通過里外兩個窗戶上留有的三個小窗戶打開或關閉的各種組合，實現增加屋內空氣溫度和屋內空氣與外面通風流動。

結語

結合以上的介紹，可以知道通過對建筑物的某部分進行獨特的設計，能夠實現在建筑自然通風中應用太陽能，雙層窗戶的設計，結構簡單且操作性強，價格便宜，其中里外兩個窗戶上的三個小窗戶通過各種巧妙的配合，增加了屋內空氣溫度，屋內空氣也能夠與外面進行通風換氣，建筑的采光率也可以得到滿足，光照充分得到利用。這種利用太陽能強化建筑的自然通風，節能環保，可以減少夏季居民的空調使用時間，節約大量的電能。在北方，特別是冬季，通過使用這種窗戶構造來增加屋內空氣的溫度，可以推遲冬季的開始使用暖氣時間，大大減少煤炭的使用量，不僅節約了資源，而且減少了二氧化碳的排放量和污染氣體的排放。

參考文獻

[1]王如竹.關于建筑物節能及復合能量系統的幾點思考[J].太陽能學，2002，23 （03）：522-335.

[2]李華東.高技術生態建筑[M].天津：天津大學出版社，2002.

[3]王如竹.太陽能強化自然通風理論分析及其在生態建筑中的應用[J].工熱物理學報，2004.

中圖分類號：TU24

文獻標識碼：A

作者簡介：陳代京，女，1986年03月07日出生，畢業于內蒙古科技大學，建筑環境與設備工程專業，現從事暖通設計工作。