自然通風(fēng)原理在綠色建筑中的應(yīng)用

方 雷

(安徽省城建設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230051)

1 工程概況

本文以安徽省天長市房屋建筑工程作為研究對象，該項(xiàng)目距離南京市只有50.2 km，該房屋建筑所處的地理位置較高，周圍的公共交通出行便捷。

此次研究的內(nèi)容主要針對天長市某酒店的設(shè)計(jì)活動，該項(xiàng)目總建筑面積為86 586.27 m2，分為地上建筑物與地下室，地上建筑總面積設(shè)計(jì)為29 672.84 m2，地下室建筑總面積設(shè)計(jì)為35 784.89 m2。

2 自然通風(fēng)原理及局限性

在實(shí)際設(shè)計(jì)建筑物空間布局時(shí)，必須重視房屋內(nèi)的采光、通風(fēng)問題，優(yōu)化建筑空間的平面、結(jié)構(gòu)。假若屬于過渡季典型施工狀況，那么大部分房間的自然通風(fēng)次數(shù)必須達(dá)到2次/h；假若無法利用科學(xué)的模擬技術(shù)來優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，則應(yīng)該參照以下基本要求確定：自然通風(fēng)房間的外窗凈面積不得低于該房間內(nèi)底板面積的4%；假若房間無法通過自身實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)，需要借助臨近房間實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)時(shí)，房間的通風(fēng)口面積不得低于該房間凈面積的8%；單側(cè)房間的自然通風(fēng)進(jìn)風(fēng)口深度應(yīng)控制在房間凈高度的3倍以內(nèi)。假若建筑物屬于高層建筑，以上設(shè)計(jì)應(yīng)該結(jié)合實(shí)際情況而定。

2.1 自然通風(fēng)

2.1.1 風(fēng)壓作用下的自然通風(fēng)

風(fēng)之所以會產(chǎn)生主要是因?yàn)榇髿猸h(huán)境中的氣壓差異。風(fēng)在運(yùn)動的過程中遇到障礙物時(shí)，例如樹木、建筑物等就會出現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。在這種情況下，動態(tài)壓力會立即轉(zhuǎn)變?yōu)殪o態(tài)壓力，結(jié)合實(shí)際情況而言，迎風(fēng)面會形成正壓力，背風(fēng)面會形成負(fù)壓力。當(dāng)風(fēng)在經(jīng)過建筑物時(shí)，會產(chǎn)生壓力促使空氣沿著建筑物的窗口進(jìn)入到房間內(nèi)，房間內(nèi)的空氣則沿著背風(fēng)面排除，這就是自然通風(fēng)的基本原理。綜合而言，建筑物附近的風(fēng)壓主要受建筑物的外形輪廓、風(fēng)速、風(fēng)向影響[1]。

2.1.2 熱壓作用下的自然通風(fēng)

熱壓形成的原理是建筑物內(nèi)部的溫度與外部溫度之間存在差異性而形成的。由于兩個(gè)獨(dú)立的空間之間的溫度存在差異，促使室內(nèi)外的空氣密度存在差異，在這種情況下，會順著建筑物的墻面豎直方向形成壓力階梯。假若建筑物內(nèi)部的溫度高于建筑物外部的溫度，那么室內(nèi)上部空間的壓力會變大，下部壓力則減小，在這種情況下，空氣則會在氣壓的驅(qū)動下沿著高壓部位向低壓部位流動[2]。熱壓的大小主要受開口位置的高度差異影響。結(jié)合實(shí)際情況來看，大部分的建筑師均通過設(shè)計(jì)煙囪、通風(fēng)塔來實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)的目的。

2.1.3 風(fēng)壓和熱壓共同作用下的自然通風(fēng)

嚴(yán)格意義上來講，建筑物實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)是風(fēng)壓與熱壓共同作用產(chǎn)生的一種結(jié)果，但是二者在其中所發(fā)揮出來的作用程度有所差異。由于風(fēng)壓往往會受到自然氣候、建筑物外形、周圍環(huán)境的影響，促使風(fēng)壓與熱壓在共同作用下并非呈現(xiàn)出簡單的線性疊加。建筑師在實(shí)際設(shè)計(jì)的過程中，需要考慮多方面影響因素對房間自然通風(fēng)所造成的影響，確保風(fēng)壓與熱壓共同作用，高效地實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)。

2.2 自然通風(fēng)技術(shù)應(yīng)用的局限性

1)建筑物內(nèi)部熱量的局限性。假若想要實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)，應(yīng)保證建筑物外部的溫度大幅度低于建筑物內(nèi)部溫度，在氣壓的驅(qū)動下，建筑物外部空氣會流向至建筑物內(nèi)部，以此實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)的目的。針對完全依靠通風(fēng)降溫的建筑物，其降溫的效果會受到諸多因素的影響，建筑物獲取熱量只是其中一個(gè)相對比較重要的因素，當(dāng)獲取的熱量越大時(shí)，利用降溫提高室內(nèi)舒適性的可能性越小。結(jié)合調(diào)研結(jié)果來看，完全利用通風(fēng)降溫的建筑物，房間內(nèi)的熱量控制在40 W/m2以內(nèi)比較合適。

2)建筑物外部空氣濕度的局限性。借助自然通風(fēng)可以降低建筑物內(nèi)部溫度，但是這種方法并不適用于降低建筑物內(nèi)部空氣濕度活動。所以，自然通風(fēng)一般不適合使用在環(huán)境比較濕潤的區(qū)域內(nèi)。

3)噪音及污染物局限性。根據(jù)管理要求進(jìn)行分析，利用自然通風(fēng)將建筑物外部的噪音量控制在70 dB以內(nèi)。此外，自然通風(fēng)口附近的室外空氣質(zhì)量必須滿足衛(wèi)生管理規(guī)定。噪音量管理與空氣污染管理是城市環(huán)境管理的難題之一，所以自然通風(fēng)技術(shù)在城市地區(qū)未能獲得良好的發(fā)展。

3 自然通風(fēng)模擬分析

風(fēng)壓作用下與熱壓作用下的自然通風(fēng)動力影響因素存在差異，通常情況下，風(fēng)壓與熱壓在建筑物中同時(shí)存在。熱壓作用的效能主要是受排風(fēng)口的高度、建筑物內(nèi)部溫度、建筑物外部溫度等因素影響。

當(dāng)自然風(fēng)從正面流向建筑物時(shí)，自然風(fēng)會因?yàn)榻ㄖ锿饬⒚娴淖钃醵纬烧龎簠^(qū)，氣流會沿著建筑物表面向四周流動，同時(shí)在建筑物的側(cè)面及背面形成負(fù)壓區(qū)。自然通風(fēng)的動力即正壓區(qū)與負(fù)壓區(qū)之間的壓力差，這種壓力差與建筑物的外形、空間布局、周圍環(huán)境之間存在緊密的關(guān)聯(lián)。

3.1 模型建立及邊界條件

1)模型建立。因室外氣流場與自然通風(fēng)的效果會受到附近建筑物分布密度的影響，所以結(jié)合整體規(guī)格平面搭建出科學(xué)的計(jì)算模型，如圖1所示。

圖1 平面布置圖和模型圖

2)邊界條件。為保證建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，將邊界條件確定：圍護(hù)結(jié)構(gòu)需受到太陽照射與外部溫度的熱作用。室外溫度計(jì)算表達(dá)式為：

(1)

式中，ts為室外溫度，℃；tw為室外計(jì)算溫度，℃；ρ為圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面對太陽輻射的吸收系數(shù)；J為維護(hù)結(jié)構(gòu)所在朝向的日間太陽總輻射強(qiáng)度，W/m2；αw為維護(hù)結(jié)構(gòu)外表面換熱系數(shù)，取值為23 W/(m2·K)。

3)分析工況。選取滁州地區(qū)典型氣象年過渡季的平均風(fēng)速、風(fēng)向頻率等參數(shù)，具體如表1所示。

表1 滁州地區(qū)過渡季風(fēng)速、風(fēng)向

3.2 模擬及分析

3.2.1 建筑室外流場模擬及建筑開口方案的確定

自然通風(fēng)時(shí)利用室外的風(fēng)力形成風(fēng)壓，促使室外與室內(nèi)的空氣溫度差異形成熱壓，在熱壓的作用下空氣開始流動，實(shí)現(xiàn)室外內(nèi)空氣交換。該項(xiàng)目的室內(nèi)空間中并不是很寬闊，所以熱壓作用下的自然通風(fēng)效果不顯著，需要對該建筑物進(jìn)行開口設(shè)計(jì)，在這種情況下應(yīng)分析風(fēng)壓作用，利用風(fēng)壓作為自然通風(fēng)的主要驅(qū)動力。

結(jié)合自然通風(fēng)的基本原理來看，為保證自然通風(fēng)的效果，應(yīng)在建筑物的迎風(fēng)面與背風(fēng)面分別設(shè)置進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口。進(jìn)一步對建筑物的室外環(huán)境中氣流場進(jìn)行模擬，結(jié)合房屋建筑設(shè)計(jì)基本要求，初步設(shè)計(jì)建筑物的開口方案。由于該房屋建筑項(xiàng)目內(nèi)還設(shè)計(jì)有展廳，為保證自然通風(fēng)的效果，暫時(shí)不對展廳空間設(shè)置開口。

此次研究選擇使用PHOENICS2014版軟件對建筑物附近的溫度環(huán)境進(jìn)行研究分析。以微觀角度作為出發(fā)點(diǎn)，對某個(gè)特定的房間進(jìn)行試驗(yàn)，將質(zhì)量、能量計(jì)算表達(dá)式作為依據(jù)來對模型進(jìn)行計(jì)算，分析該房間內(nèi)空氣流動狀況。對自然風(fēng)進(jìn)行模擬，通過對區(qū)域內(nèi)的風(fēng)場進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，模擬出寬闊空間的流場，借助研究模型所提供的直觀形象的信息，以便于設(shè)計(jì)人員對通風(fēng)問題進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高自然通風(fēng)的效果。

此次研究選擇使用的是k-ε湍流模型，該研究模型經(jīng)過多次實(shí)踐論證，具備較強(qiáng)的可靠性。自然風(fēng)對流的過程中，氣流的浮升力發(fā)揮出關(guān)鍵性作用，因此，動量計(jì)算表達(dá)式內(nèi)的密度波動可以使用Boussinesq進(jìn)行處理，簡單而言就是輸入一個(gè)膨脹系數(shù)，保證空氣密度及溫度波動關(guān)系，符合以下表達(dá)式：

ρ2=ρ1/[1+β(t1-t2)]

(2)

式中,ρ2為固體密度,kg/m3；ρ1為氣體密度,kg/m3；β為膨脹系數(shù)；t1為固體溫度,℃；t2為氣體溫度,℃。

此次研究主要是考慮三方面的影響要素：風(fēng)速、空氣齡、氣壓。

3.2.2 過渡季節(jié)工況下建筑的自然通風(fēng)模擬及優(yōu)化設(shè)計(jì)

此次研究使用的風(fēng)壓值根據(jù)建筑物外部環(huán)境模擬結(jié)果進(jìn)行確定，對建筑物內(nèi)部的自然通風(fēng)進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果見圖2～3。

圖2 1.2 m高度處風(fēng)速云圖

圖3 1.2 m高度處空氣齡圖

結(jié)合以上信息可以了解到，該建筑物內(nèi)部空氣流場分布比較均勻，整體分?jǐn)?shù)保持在0.02～0.40 m/s；建筑物四層的空氣齡最大值為640 s，未超過1 800 s，所以房間內(nèi)的自然通風(fēng)換氣次數(shù)應(yīng)該控制在2次/h以內(nèi)。

結(jié)合以上模擬結(jié)果，在設(shè)計(jì)原則的基礎(chǔ)上對原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了優(yōu)化，在西北側(cè)客房、休息廳的立面位置擴(kuò)大了開口面積。通過對設(shè)計(jì)優(yōu)化前后的自然通風(fēng)效果進(jìn)行對比分析，當(dāng)開口設(shè)計(jì)方案優(yōu)化以后，休息廳的風(fēng)速保持在0.02～0.4 m/s，不難發(fā)現(xiàn)，房間內(nèi)的自然通風(fēng)效果大幅度提升。相較之休息廳，由于西北側(cè)客房位于建筑物空間的西北角，過渡季節(jié)時(shí)的風(fēng)向?qū)儆贓SE向，風(fēng)流受建筑物遮擋影響比較大，所以該部位的自然通風(fēng)效果無法與休息廳相比。以初步性設(shè)計(jì)的開口方案而言，四樓客房的房間外墻全部設(shè)置了開口，自然通風(fēng)的效果比較理想，室內(nèi)的風(fēng)速穩(wěn)定控制在0.5 m/s以上；走廊部分由于兩端設(shè)置了開口，該區(qū)域的自然通風(fēng)效果比較好，室內(nèi)的風(fēng)速保持在0.3～0.5 m/s；客房內(nèi)部衛(wèi)生間的自然通風(fēng)狀況不是很理想，少部分區(qū)域的風(fēng)速未超出0.1 m/s，并且存在空氣滯留現(xiàn)象，整體自然通風(fēng)的效果不理想。

通過設(shè)計(jì)優(yōu)化后，其房間內(nèi)的通風(fēng)狀況也有所改善，但是仍然存在空氣滯留的問題，所以在衛(wèi)生間需要增加機(jī)械通風(fēng)。

4 結(jié)束語

建筑物的自然通風(fēng)狀況主要受到建筑物環(huán)境、空間布局、氣象環(huán)境等多方面的因素影響，但這些因素并非通過開口的方式來形成空氣壓力差異，所以建筑師在實(shí)際設(shè)計(jì)的過程中應(yīng)該著重注意以下內(nèi)容。

1)巧妙借助建筑物的朝向、外形、風(fēng)向進(jìn)行設(shè)計(jì)，促使建筑物形成更多的迎風(fēng)面或背風(fēng)面，還可以通過調(diào)整外立面的平整度，促使墻面形成正壓、負(fù)壓區(qū)域，產(chǎn)生壓力差，促進(jìn)室內(nèi)換風(fēng)。

2)單側(cè)開口且跨度較小的房間，開口間無法產(chǎn)生壓力差，可以利用門窗與走廊來改善室內(nèi)的通風(fēng)狀況。

3)機(jī)械通風(fēng)是利用換氣扇等新風(fēng)設(shè)備來使房間空氣循環(huán)流動。與自然通風(fēng)相比較，這種方法可以使大量的空氣進(jìn)行循環(huán)。并且導(dǎo)入新風(fēng)是可以有效地控制的(大小、時(shí)效、風(fēng)路)，不需要依賴外部自然條件。當(dāng)內(nèi)區(qū)不滿足自然通風(fēng)房間，需增加機(jī)械通風(fēng)。

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