建筑自然通風(fēng)技術(shù)及其研究現(xiàn)狀

□ 尹中偉 李泳江

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

一、自然通風(fēng)作用原理

傳統(tǒng)民居往往這樣設(shè)計:輕便的墻體，深遠(yuǎn)的挑檐，高頂棚設(shè)有通風(fēng)口。所謂“坐北朝南”，“引穿堂風(fēng)”，這都是應(yīng)用了自然通風(fēng)原理。從工作原理上劃分，自然通風(fēng)有以下三種:風(fēng)壓原理通風(fēng)、熱壓原理通風(fēng)以及風(fēng)壓熱壓共同作用原理通風(fēng)。

(一)風(fēng)壓原理通風(fēng)。風(fēng)壓即利用建筑迎、背風(fēng)面的壓力差，使空氣由高壓處向低壓處流動。將風(fēng)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(fēng)就是將窗布置在主導(dǎo)風(fēng)向，減少阻力爭取自然風(fēng)。垂直方向的力由于伯努利效應(yīng)，使進風(fēng)面和屋頂面之間有著巨大的抽吸力，能很好地實現(xiàn)通風(fēng)換氣。我國傳統(tǒng)建筑在排風(fēng)出口設(shè)置的風(fēng)塔，就是利用了風(fēng)壓引起的文丘里效應(yīng):氣流在空間收縮的部分加速，甚至形成負(fù)壓，這將有利于空氣的流動。

(二)熱壓原理通風(fēng)。熱壓通風(fēng)就是常說的“煙囪效應(yīng)”，它的形成源于室內(nèi)外溫度差，溫度差引起室內(nèi)外的密度差，從而在垂直于建筑物墻面的方向產(chǎn)生壓力梯度。當(dāng)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(dāng)室溫低于外部溫度，熱空氣從室外進入，與室內(nèi)冷空氣交換，這就是反煙囪效應(yīng)。煙囪設(shè)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(fēng)壓和熱壓共同作用通風(fēng)。在實際生活中的自然通風(fēng)，一般都是熱壓和風(fēng)壓共同作用的。一般來說，進深小的開口主要是風(fēng)壓通風(fēng)，而進深大的開口則主要是熱壓通風(fēng)，如果兩種通風(fēng)方式的流線相同，那么兩者共同的作用將促進自然通風(fēng)，達(dá)到較好的效果，同時應(yīng)注意，熱壓與風(fēng)壓結(jié)合并不是簡單的線性疊加。建筑師在設(shè)計建筑物時，應(yīng)當(dāng)將兩者的作用綜合考慮，達(dá)到良好的通風(fēng)效果。

二、國內(nèi)外自然通風(fēng)技術(shù)介紹

(一)建筑物設(shè)計與自然通風(fēng)。

1．建筑物的合理設(shè)計與布局。從自然通風(fēng)的角度考慮，建筑物的布局受陽光和風(fēng)向影響較大。使建筑法線方向與主導(dǎo)風(fēng)向一致，同時也防止過量吸熱，是我們常用的設(shè)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(qū)形成，使得后排的建筑物通風(fēng)不利。因此，建筑群的設(shè)計要充分考慮各種因素，如風(fēng)向投射角對室內(nèi)風(fēng)速的影響，合理的建筑物間距等。

2．建筑物的門窗開口設(shè)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(fēng)效果。進風(fēng)口大則流場大，進風(fēng)口小則流速大流場小;據(jù)調(diào)查結(jié)果，開間寬度是開口寬度的1．5～3．0倍時，能達(dá)到較好的通風(fēng)效果。

3．引“穿堂風(fēng)”與設(shè)“豎井空間”。穿堂風(fēng)是自然通風(fēng)中效果最好的方式，傳統(tǒng)建筑在風(fēng)壓的作用下，室外空氣從建筑物的一側(cè)進，正對從另一側(cè)出。為組織穿堂風(fēng)，我們應(yīng)當(dāng)使主要房間朝向主導(dǎo)風(fēng)，輔助房布置在背風(fēng)面，并合理布置家具，使得自然通風(fēng)更加舒適。設(shè)置豎井空間也是較好利用自然通風(fēng)的一種方式。如今，大量的建筑物設(shè)有中庭，一方面是對于采光的考慮，另一方面是對“煙囪效應(yīng)”的利用，以更好地利用自然通風(fēng)。也有些建筑物設(shè)置了風(fēng)塔，它由豎井和幾個風(fēng)斗組成，風(fēng)斗的方位迎向主導(dǎo)風(fēng)向，在通風(fēng)不暢的地區(qū)利用這種高出屋面的風(fēng)斗，將有利于自然通風(fēng)。

4．屋頂設(shè)隔層增強通風(fēng)。屋頂隔層可以作為一個獨立的通風(fēng)空間，當(dāng)自然風(fēng)在隔層中流動，隔層表面的溫度也隨之升高或降低，屋內(nèi)的溫度因此受到影響。常見的是在房屋的結(jié)構(gòu)層上設(shè)置隔層，既能通風(fēng)降溫，又能保護防水層，也有利用坡屋頂自身結(jié)構(gòu)設(shè)置隔層的例子，設(shè)計方便且通風(fēng)良好。

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

(二)輔助設(shè)備與自然通風(fēng)。

1．雙層玻璃幕墻。雙層幕墻在自然通風(fēng)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，它分為內(nèi)幕墻和外幕墻，中間設(shè)有空腔，在空腔的一端是進風(fēng)口，另一端是出風(fēng)口，在夏季將兩端風(fēng)口打開，能實現(xiàn)自然通風(fēng);在冬季將兩端風(fēng)口關(guān)閉，空腔即為溫室，冬暖夏涼。在節(jié)能上，雙層通風(fēng)幕墻比單層幕墻在采暖時節(jié)能42%～52%，在制冷時節(jié)能38% ～60%，是節(jié)能建筑的一個新的方向。

2．太陽能的應(yīng)用。太陽能可以不斷地轉(zhuǎn)化為動力通風(fēng)，是可再生能源的熱點，將太陽能應(yīng)用于自然通風(fēng)技術(shù)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(jīng)機械裝置引到地板處，并通過氣孔進入室內(nèi)，從而調(diào)整室內(nèi)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(nèi)，從而通風(fēng)降溫。

3．國內(nèi)外建筑實例。德國的巴伐利亞住宅則是通過優(yōu)化建筑設(shè)計的外殼材料來輔助自然通風(fēng)。它的外殼材料在冬季可儲存熱量，使室內(nèi)溫度增加;夏季可調(diào)整遮陽設(shè)備，遮蓋外殼材料。這就實現(xiàn)了冬暖夏涼。夜里，墻體通過表面風(fēng)的吹拂，還能實現(xiàn)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(shè)備與自然通風(fēng)結(jié)合的典例。天氣較為溫和時，自然通風(fēng)即可滿足室內(nèi)環(huán)境的需要，遇到極端天氣，可開啟機械通風(fēng)，隨時調(diào)整室內(nèi)環(huán)境，既節(jié)能又舒適。

三、結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，將機械設(shè)備融于自然通風(fēng)，并結(jié)合了太陽能、地冷、建筑材料等，以達(dá)到更好的自然通風(fēng)效果。此外，CFD模擬軟件的應(yīng)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(fēng)擁有良好的發(fā)展前景。

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