內(nèi)廊式建筑熱壓誘導(dǎo)通風(fēng)模式的研究

張杰++田興旺++岳琪淵++李嬌++陳瑤

摘要：指出了基于熱壓通風(fēng)原理的被動式誘導(dǎo)通風(fēng)是一種有效的綠色建筑節(jié)能策略，分析了常規(guī)熱壓通風(fēng)應(yīng)用模式及存在的問題，在此基礎(chǔ)上，針對內(nèi)廊式建筑的特征及氣候適用性，提出了一種具有生態(tài)效能的熱壓誘導(dǎo)自然通風(fēng)模式，探討了該通風(fēng)模式的工作原理、應(yīng)用特性，并說明了其節(jié)能設(shè)計上的可行性。此結(jié)果為深入研究和應(yīng)用熱壓自然通風(fēng)新技術(shù)提供一定的思路。

關(guān)鍵詞：熱壓；低碳節(jié)能；誘導(dǎo)效應(yīng)；內(nèi)廊式建筑；被動通風(fēng)

中圖分類號： TU834.1

文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 16749944（2015）06027803

1 引言

現(xiàn)在建筑較多采用密閉設(shè)計和集中的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)，惡化了室內(nèi)空氣質(zhì)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(fēng)作為一項比較成熟而廉價的技術(shù)，它具有節(jié)能環(huán)保、改善室內(nèi)空氣品質(zhì)等突出優(yōu)點，體現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展的理念。建筑中的被動式自然通風(fēng)可以分為風(fēng)壓通風(fēng)和熱壓通風(fēng)兩種模式，由于風(fēng)壓通風(fēng)的不確定因素較多，無法真正實現(xiàn)應(yīng)用風(fēng)壓作用來設(shè)計組織自然通風(fēng)[3]。而熱壓通風(fēng)以其對大進深建筑的有效性、可控制性廣受人們的關(guān)注[4]。

另一方面，近年來因受到住房面積標(biāo)準(zhǔn)、節(jié)省土地等因素的影響，內(nèi)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(cè)，各戶毗鄰排列，可分為長內(nèi)廊與短內(nèi)廊，長內(nèi)廊視住房多少，可設(shè)一個或兩個樓梯（電梯）于內(nèi)廊中部或兩端，短內(nèi)廊僅在一端設(shè)梯。由于內(nèi)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(fēng)，因此這類建筑的房間通風(fēng)效果普遍較差，特別是在夏季氣候炎熱潮濕的地區(qū)，加上室內(nèi)不同區(qū)域的熱量不均而又無法順利流通，導(dǎo)致室內(nèi)悶熱難耐。

因此，針對內(nèi)廊式這類建筑進行綠色生態(tài)設(shè)計，即如何在低成本的條件下利用熱壓通風(fēng)模式來提高室內(nèi)舒適性及節(jié)能能源，對建筑業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略有著特別重要的意義。文章針對常規(guī)熱壓通風(fēng)模式的一些問題，提出了一種新的熱壓誘導(dǎo)通風(fēng)模式，探討了該通風(fēng)模式的工作過程特點、控制策略和管道安裝要點，得出的結(jié)論為進一步研究和應(yīng)用熱壓通風(fēng)新技術(shù)提供一定的理論基礎(chǔ)。

2 常規(guī)熱壓通風(fēng)模式

熱壓通風(fēng)是利用室內(nèi)外溫度不同引起空氣密度差異所形成的“煙囪效應(yīng)”或“被動式拔風(fēng)效應(yīng)”——來實現(xiàn)建筑的自然通風(fēng)換氣，如圖1所示，室內(nèi)外溫差和進、出風(fēng)口的高差越大，則熱壓作用越明顯。傳統(tǒng)的蒙古包“天窗”拔風(fēng)，現(xiàn)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(yīng)的優(yōu)秀案例。

圖1 多層建筑常規(guī)熱壓通風(fēng)模式示意

2.1 常見的通風(fēng)模式

2.1.1 夾層空間結(jié)構(gòu)

夾層空間結(jié)構(gòu)是利用夾層形成的空腔，上下設(shè)置通風(fēng)口，在熱壓的作用下，增強夾層空間內(nèi)的空氣流動動力，是生態(tài)建筑中普遍采用的一項節(jié)能技術(shù)，被譽為“可呼吸的皮膚”。如特隆布（Trombe）墻、熱通道玻璃幕墻、設(shè)置的防曬墻等都是利用熱壓效應(yīng)，在輻射熱的作用下，在空腔通道內(nèi)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(jié)能具有重要意義[6]。

2.1.2 太陽能煙囪通風(fēng)

太陽能煙囪是熱壓作用下強化自然通風(fēng)壓頭和風(fēng)量的一種設(shè)備，通過吸收太陽輻射熱將熱能轉(zhuǎn)化為動能，為空氣流動提供浮升力[7]。太陽能煙囪通風(fēng)系統(tǒng)通過合理的通風(fēng)設(shè)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(diào)運行費用，降低用電負(fù)荷。

2.1.3 陽光中庭

利用建筑豎井式共享空間的煙囪效應(yīng)增加室內(nèi)的通風(fēng)能力，現(xiàn)代的中庭在頂部大多安裝有可調(diào)節(jié)的頂棚，可根據(jù)需要來控制進入內(nèi)的光線強度和調(diào)節(jié)室內(nèi)的換氣量，還兼具景觀的作用。中庭的主要功能在寒冷地區(qū)起著暖房的作用，在炎熱地區(qū)用來通風(fēng)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(jié)合樓梯間頂部的通風(fēng)構(gòu)造措施，就可以比較容易地形成拔風(fēng)煙囪的效用。利用樓梯間的豎向空腔來實現(xiàn)熱壓通風(fēng)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(fēng)斗等構(gòu)造為氣流提供進出口外，本身也可以成為一個獨立的通風(fēng)系統(tǒng)[9]。在屋面上用支撐構(gòu)件進行架空形成一個空氣間層，夏季利用熱壓通風(fēng)的原理使氣流在間層中流動，以降低屋頂內(nèi)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(shù)倍，并且內(nèi)部多有躍層出現(xiàn)。管式居住模式的設(shè)計在剖面上體現(xiàn)為加大了室內(nèi)的豎向流通空間，且由于室內(nèi)不同區(qū)域使用功能的不同，會有不同的區(qū)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(yīng)，利用熱壓通風(fēng)的原理加快室內(nèi)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(shè)計使不同戶型擁有平等的空間資源，該通風(fēng)模式在我國夏季炎熱潮濕的西南地區(qū)已有應(yīng)用。

2.2 存在的問題

由前述分析可知，多層建筑在具體應(yīng)用上述常規(guī)熱壓通風(fēng)模式時，由于熱壓排風(fēng)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(fēng)管道上加設(shè)輔助引風(fēng)設(shè)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(nèi)廊式多層住宅）而言，采用中庭、雙層皮幕墻等通風(fēng)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(nèi)廊式建筑的熱壓誘導(dǎo)通風(fēng)設(shè)計模式。

3 熱壓誘導(dǎo)通風(fēng)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(fēng)管道連接各層房間的排氣口。當(dāng)房間內(nèi)的空氣溫度比室外高時，熱壓作用使得下層住戶房間內(nèi)的濁熱空氣通過排氣口進入主排風(fēng)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(fù)壓抽吸力，促使該房間內(nèi)的空氣順利從排氣口排出。此外，在伸出屋面的一段主排風(fēng)管道外壁上貼敷太陽能集熱膜，吸收太陽輻射能增大管內(nèi)外溫度差，從而強化熱壓作用下的自然通風(fēng)效率。而主排風(fēng)管道出口處的自力式排風(fēng)帽在風(fēng)力的作用下轉(zhuǎn)動也會形成負(fù)壓，促進主排風(fēng)管道內(nèi)的空氣向上流動排出，可有效防止各層住戶室內(nèi)空氣的污染倒灌。

3.2 特性分析

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

設(shè)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(zhuǎn)窗或平開窗等）、開啟方式（窗扇角度）和相對位置對室內(nèi)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(fēng)外，其它房間（如客廳、臥室等）均可通過合理規(guī)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(fēng)感，達到室內(nèi)人員舒適又節(jié)省能源的目的。

3.3 控制策略

在具體應(yīng)用中，要注重增強熱壓抽吸力，一方面通過對拔風(fēng)豎井、屋頂?shù)冉ㄖ?gòu)件的合理設(shè)計，人為提高通風(fēng)開口間的有效高度差；另一方面最大限度利用風(fēng)能、太陽能等自然資源強化自然通風(fēng)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(dǎo)向葉片的風(fēng)帽等風(fēng)壓通風(fēng)設(shè)備，如圖3所示。

圖3 無動力排風(fēng)帽示意圖和實物圖

還要注意盡可能減小系統(tǒng)的排氣阻力，阻力越小越有利于系統(tǒng)阻力平衡，越利于降低氣流噪聲，從而避免產(chǎn)生的強烈紊流會在各層吸氣口處產(chǎn)生令人不安的嘯叫。另外，自然通風(fēng)受到室外氣候、建筑周圍環(huán)境及建筑內(nèi)部布局等因素的影響，如何在動態(tài)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(tǒng)是關(guān)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(nèi)的熱量分層也能給室內(nèi)空氣流動提供一定的驅(qū)動力。

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

4 排風(fēng)管道的安裝

集中排風(fēng)管道的構(gòu)造形式和安裝施工質(zhì)量是影響排風(fēng)效果的重要因素。排風(fēng)管道原則上可用多種材質(zhì)施工，實際使用時盡量選用經(jīng)久耐用（耐高溫、耐腐蝕、防潮、防變性）又經(jīng)濟易加工的材料。安裝過程關(guān)鍵是要和土建結(jié)構(gòu)配合好，不能影響和破壞建筑物的主體結(jié)構(gòu)，這就要求嚴(yán)格控制排風(fēng)管道的安裝施工質(zhì)量。因為排風(fēng)管道和建筑結(jié)構(gòu)復(fù)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(fēng)管道內(nèi)出現(xiàn)質(zhì)量問題將很難排除。所以要有專業(yè)的施工隊完成，否則，不但達不到預(yù)期設(shè)計效果，還會使整個排風(fēng)系統(tǒng)報廢。

為了降低排風(fēng)管道的阻力和施工安裝難度，可以使用預(yù)制管道，根據(jù)設(shè)計要求可制作成多種形式（當(dāng)內(nèi)墻體較薄時，可制作橢圓形、長方形風(fēng)道等），這種情況下要在墻體上先預(yù)留孔洞再進行管道的安裝。安裝時要保證排風(fēng)管道豎直且穩(wěn)固，管道內(nèi)表面光滑，吸氣口和豎向管道連接緊密且呈流線型。在風(fēng)管系統(tǒng)安裝完畢后，應(yīng)按要求進行氣密性檢驗以及伸出屋頂?shù)囊欢呜Q直風(fēng)管道要求保溫良好。需注意的是，嚴(yán)禁在承重墻體中使用這種結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)論

（1）熱壓誘導(dǎo)通風(fēng)模式通過改變管道的截面積來控制氣流速度和負(fù)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(qū)，在多層內(nèi)廊式建筑的集中排風(fēng)系統(tǒng)中有著廣闊的應(yīng)用前景。

（2）熱壓誘導(dǎo)通風(fēng)模式作為一種全新的自然通風(fēng)模式，注重與建筑整體設(shè)計的結(jié)合，節(jié)能經(jīng)濟、新穎實用，為今后深入研究熱壓通風(fēng)新技術(shù)提供了一定的思路和參考。

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