內廊式建筑熱壓誘導通風模式的研究

2015-08-05 19:32:38張杰田興旺岳琪淵李嬌陳瑤

綠色科技 2015年6期

張杰++田興旺++岳琪淵++李嬌++陳瑤

摘要：指出了基于熱壓通風原理的被動式誘導通風是一種有效的綠色建筑節能策略，分析了常規熱壓通風應用模式及存在的問題，在此基礎上，針對內廊式建筑的特征及氣候適用性，提出了一種具有生態效能的熱壓誘導自然通風模式，探討了該通風模式的工作原理、應用特性，并說明了其節能設計上的可行性。此結果為深入研究和應用熱壓自然通風新技術提供一定的思路。

關鍵詞：熱壓；低碳節能；誘導效應；內廊式建筑；被動通風

中圖分類號： TU834.1

文獻標識碼： A 文章編號： 16749944（2015）06027803

1 引言

現在建筑較多采用密閉設計和集中的空調通風系統，惡化了室內空氣質量，也大幅增加了建筑能耗，同時無法滿足人們回歸自然的心理需求[1，2]。自然通風作為一項比較成熟而廉價的技術，它具有節能環保、改善室內空氣品質等突出優點，體現了可持續發展的理念。建筑中的被動式自然通風可以分為風壓通風和熱壓通風兩種模式，由于風壓通風的不確定因素較多，無法真正實現應用風壓作用來設計組織自然通風[3]。而熱壓通風以其對大進深建筑的有效性、可控制性廣受人們的關注[4]。

另一方面，近年來因受到住房面積標準、節省土地等因素的影響，內廊式住宅、宿舍、公共租賃房、公寓的比例逐年增加。這類建筑的特點是中間有一條公共走廊，住宅布置在走廊兩側，各戶毗鄰排列，可分為長內廊與短內廊，長內廊視住房多少，可設一個或兩個樓梯（電梯）于內廊中部或兩端，短內廊僅在一端設梯。由于內廊式建筑的各戶只有一個朝向，無法通過開門開窗組織有效的穿堂風，因此這類建筑的房間通風效果普遍較差，特別是在夏季氣候炎熱潮濕的地區，加上室內不同區域的熱量不均而又無法順利流通，導致室內悶熱難耐。

因此，針對內廊式這類建筑進行綠色生態設計，即如何在低成本的條件下利用熱壓通風模式來提高室內舒適性及節能能源，對建筑業實現可持續發展戰略有著特別重要的意義。文章針對常規熱壓通風模式的一些問題，提出了一種新的熱壓誘導通風模式，探討了該通風模式的工作過程特點、控制策略和管道安裝要點，得出的結論為進一步研究和應用熱壓通風新技術提供一定的理論基礎。

2 常規熱壓通風模式

熱壓通風是利用室內外溫度不同引起空氣密度差異所形成的“煙囪效應”或“被動式拔風效應”——來實現建筑的自然通風換氣，如圖1所示，室內外溫差和進、出風口的高差越大，則熱壓作用越明顯。傳統的蒙古包“天窗”拔風，現代的英國卡斯廷的BRE辦公建筑[5]、柏林國會大廈改建工程等都是煙囪效應的優秀案例。

圖1 多層建筑常規熱壓通風模式示意

2.1 常見的通風模式

2.1.1 夾層空間結構

夾層空間結構是利用夾層形成的空腔，上下設置通風口，在熱壓的作用下，增強夾層空間內的空氣流動動力，是生態建筑中普遍采用的一項節能技術，被譽為“可呼吸的皮膚”。如特隆布（Trombe）墻、熱通道玻璃幕墻、設置的防曬墻等都是利用熱壓效應，在輻射熱的作用下，在空腔通道內形成自下而上的空氣流動，帶走多余熱量，對于夏季工況建筑節能具有重要意義[6]。

2.1.2 太陽能煙囪通風

太陽能煙囪是熱壓作用下強化自然通風壓頭和風量的一種設備，通過吸收太陽輻射熱將熱能轉化為動能，為空氣流動提供浮升力[7]。太陽能煙囪通風系統通過合理的通風設計和氣流組織，在增加很少土建或安裝成本的情況下可以有效地降低室溫、提高房間舒適度，同時大幅度減少空調運行費用，降低用電負荷。

2.1.3 陽光中庭

利用建筑豎井式共享空間的煙囪效應增加室內的通風能力，現代的中庭在頂部大多安裝有可調節的頂棚，可根據需要來控制進入內的光線強度和調節室內的換氣量，還兼具景觀的作用。中庭的主要功能在寒冷地區起著暖房的作用，在炎熱地區用來通風降溫[8]。

2.1.4 樓梯間豎向貫通空間

建筑中的樓梯間所形成的豎向貫通空間，結合樓梯間頂部的通風構造措施，就可以比較容易地形成拔風煙囪的效用。利用樓梯間的豎向空腔來實現熱壓通風具有較好的實用性和普遍性。

2.1.5 架空屋面

屋頂除了利用天窗、煙囪、風斗等構造為氣流提供進出口外，本身也可以成為一個獨立的通風系統[9]。在屋面上用支撐構件進行架空形成一個空氣間層，夏季利用熱壓通風的原理使氣流在間層中流動，以降低屋頂內表面的溫度。

2.1.6 管式居住模式

管式住宅就是一種狹長形狀的住宅模式，其進深長度是開間的數倍，并且內部多有躍層出現。管式居住模式的設計在剖面上體現為加大了室內的豎向流通空間，且由于室內不同區域使用功能的不同，會有不同的區域溫度，貫穿躍層空間的開場樓梯間和部分起居室形成煙囪效應，利用熱壓通風的原理加快室內空氣流動，以此起到一定的降低室溫的作用。管式戶型的排列式設計使不同戶型擁有平等的空間資源，該通風模式在我國夏季炎熱潮濕的西南地區已有應用。

2.2 存在的問題

由前述分析可知，多層建筑在具體應用上述常規熱壓通風模式時，由于熱壓排風豎井中和面的存在，使得下層住戶排出的潮熱污濁氣體會倒灌進入上層住戶，通常的做法是在排風管道上加設輔助引風設備或是防倒灌止逆閥等措施，這不但增加了投資費用，也加大了控制難度，此外，對于普通多層住宅樓房（特別是一梯多戶短內廊式多層住宅）而言，采用中庭、雙層皮幕墻等通風模式也顯得不切實際。為此，筆者思考，借鑒墻中埋管[10]和住宅廚房豎向排煙道[11]的思路，提出一種適合于多層內廊式建筑的熱壓誘導通風設計模式。

3 熱壓誘導通風模式

3.1 工作原理

如圖2所示，在建筑非承重墻體中布置上下貫通的主排風管道連接各層房間的排氣口。當房間內的空氣溫度比室外高時，熱壓作用使得下層住戶房間內的濁熱空氣通過排氣口進入主排風管道向上流動，將135℃彎管一端的喇叭出口淹沒在上升的熱壓氣流中。由于空氣流動的管道截面積逐漸縮小，在一定的空氣流量下，喇叭出口附近的空氣流速加快，在此處會形成負壓抽吸力，促使該房間內的空氣順利從排氣口排出。此外，在伸出屋面的一段主排風管道外壁上貼敷太陽能集熱膜，吸收太陽輻射能增大管內外溫度差，從而強化熱壓作用下的自然通風效率。而主排風管道出口處的自力式排風帽在風力的作用下轉動也會形成負壓，促進主排風管道內的空氣向上流動排出，可有效防止各層住戶室內空氣的污染倒灌。

3.2 特性分析

應用熱壓誘導自然通風模式時，要想有效地誘導室內氣流進入主排風管道，必須使得在墻體開孔洞處的管內靜壓低于室內靜壓[9]。根據氣流伯努利方程可知，靜壓的降低是由動壓的增大轉換來的，即在理論上可以通過管道截面收縮來實現氣流的“誘導效應”。

設計時主要以門窗孔洞作為進氣口，要注意門窗的尺寸（窗墻面積比）、形式（中懸窗、豎轉窗或平開窗等）、開啟方式（窗扇角度）和相對位置對室內空氣流動路線的影響。除必要的房間（如浴廁、廚房等）需要進行機械通風外，其它房間（如客廳、臥室等）均可通過合理規劃布局，單以熱壓引射作用可以保證整個房間不留死角，氣流均勻且無吹風感，達到室內人員舒適又節省能源的目的。

3.3 控制策略

在具體應用中，要注重增強熱壓抽吸力，一方面通過對拔風豎井、屋頂等建筑構件的合理設計，人為提高通風開口間的有效高度差；另一方面最大限度利用風能、太陽能等自然資源強化自然通風效果，如在屋面安裝太陽能空氣集熱器[12]或者在排氣管出口安裝有導向葉片的風帽等風壓通風設備，如圖3所示。

圖3 無動力排風帽示意圖和實物圖

還要注意盡可能減小系統的排氣阻力，阻力越小越有利于系統阻力平衡，越利于降低氣流噪聲，從而避免產生的強烈紊流會在各層吸氣口處產生令人不安的嘯叫。另外，自然通風受到室外氣候、建筑周圍環境及建筑內部布局等因素的影響，如何在動態變化過程中保證建筑的換氣量與熱舒適性，良好的控制系統是關鍵，可確保濁熱空氣在房間頂部順暢可以排出去，又能把涼爽的新鮮空氣從底部引進來，這樣空間內的熱量分層也能給室內空氣流動提供一定的驅動力。

此外，要注重夏季夜間強化自然通風的策略[13]。該策略實質上是一種間歇式的通風方式，即在炎熱的白天限制通風，夜間強化熱壓自然通風進行散熱散濕。在夏季早晚溫度較低時段及過渡季節，直接打開門窗進行自然換氣無疑是最佳的通風方式。

4 排風管道的安裝

集中排風管道的構造形式和安裝施工質量是影響排風效果的重要因素。排風管道原則上可用多種材質施工，實際使用時盡量選用經久耐用（耐高溫、耐腐蝕、防潮、防變性）又經濟易加工的材料。安裝過程關鍵是要和土建結構配合好，不能影響和破壞建筑物的主體結構，這就要求嚴格控制排風管道的安裝施工質量。因為排風管道和建筑結構復合在一起，是整體建筑的一部分，一旦房屋交付使用，如果排風管道內出現質量問題將很難排除。所以要有專業的施工隊完成，否則，不但達不到預期設計效果，還會使整個排風系統報廢。

為了降低排風管道的阻力和施工安裝難度，可以使用預制管道，根據設計要求可制作成多種形式（當內墻體較薄時，可制作橢圓形、長方形風道等），這種情況下要在墻體上先預留孔洞再進行管道的安裝。安裝時要保證排風管道豎直且穩固，管道內表面光滑，吸氣口和豎向管道連接緊密且呈流線型。在風管系統安裝完畢后，應按要求進行氣密性檢驗以及伸出屋頂的一段豎直風管道要求保溫良好。需注意的是，嚴禁在承重墻體中使用這種結構。

5 結論

（1）熱壓誘導通風模式通過改變管道的截面積來控制氣流速度和負壓抽吸力，解決了氣流交叉污染倒灌的問題。該模式適用于夏季濕熱地區，在多層內廊式建筑的集中排風系統中有著廣闊的應用前景。

（2）熱壓誘導通風模式作為一種全新的自然通風模式，注重與建筑整體設計的結合，節能經濟、新穎實用，為今后深入研究熱壓通風新技術提供了一定的思路和參考。

參考文獻：

[1] 李楠，李百戰，沈艷，等.住宅建筑自然通風對室內熱環境的影響[J].重慶大學學報，2009，32（7）：736～742.

[2]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（四川），2008，22（4）：50～53.

[3]陸亞俊，馬最良，鄒平華.暖通空調[M].2版.北京：中國建筑工業出版社，2007：11，221.

[4]Gladstone C，Woods AW.On buoyancy-driven natural ventilation of room with a heated floor[J].Journal of Fluid Mechanics，2001（441）：293～314.

[5]韋峰.建筑自然通風在設計中的應用[J].河南科技大學學報：自然科學版，2004，25（5）：54～57.

[6]劉建軍，仝暉，孔鴻羚.基于熱壓通風原理的建筑建構模式研究[J].山東建筑大學學報，2011，26（5）：494～497.

[7]李安桂，郝彩俠，張海平.太陽能煙囪強化自然通風實驗研究[J].太陽能學報，2009，30（4）：460～464.

[8]李克資.關于建筑自然通風設計的探討[J].有色金屬設計，2009，36（2）：35～38.