自然通風(fēng)系統(tǒng)在公共建筑節(jié)能設(shè)計中的應(yīng)用

摘 要：自然通風(fēng)系統(tǒng)在公共建筑節(jié)能設(shè)計中扮演著重要角色，利用風(fēng)壓和熱對流原理以及溫度差異驅(qū)動空氣流通，可以有效降低能源消耗，提高室內(nèi)空氣質(zhì)量與環(huán)境舒適度，但是需合理規(guī)劃窗口位置和大小、屋頂通風(fēng)構(gòu)造、通風(fēng)塔和中庭布局以及遮陽和隔熱功能設(shè)計。在公共建筑中的應(yīng)用需考慮建筑朝向、密度、間距和高度等因素。

關(guān)鍵詞：自然通風(fēng)系統(tǒng)；公共建筑；節(jié)能設(shè)計

1 前言

公共建筑作為城市中重要的能源消耗場所，其節(jié)能設(shè)計有利于實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。在建筑節(jié)能設(shè)計中，自然通風(fēng)系統(tǒng)作為一種被動式節(jié)能技術(shù)，具有降低能耗、改善室內(nèi)空氣質(zhì)量、提高舒適度等優(yōu)點，因此得到了廣泛的應(yīng)用。自然通風(fēng)系統(tǒng)是利用建筑內(nèi)外的溫差和氣壓差，利用合理的建筑布局、窗戶設(shè)計和通風(fēng)口設(shè)置等手段，實現(xiàn)室內(nèi)外空氣的自然流通。與傳統(tǒng)的機械通風(fēng)系統(tǒng)相比，自然通風(fēng)系統(tǒng)不需要消耗額外的能源，因此具有顯著的節(jié)能效果。

2自然通風(fēng)系統(tǒng)在建筑節(jié)能設(shè)計中的重要性

2.1降低能源消耗

自然通風(fēng)系統(tǒng)利用風(fēng)壓和熱壓實現(xiàn)空氣流通，無需機械動力，從而大幅減少對空調(diào)系統(tǒng)的依賴，直接降低了建筑物的能源消耗。一方面，在適宜的氣候條件下，在窗戶、通風(fēng)道等自然進風(fēng)口引入外部冷空氣或釋放室內(nèi)熱空氣，有效調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，減少了制冷或供暖的需求[1]。另一方面，自然通風(fēng)帶走室內(nèi)的余濕、污染物質(zhì)和異味，可以改善室內(nèi)空氣品質(zhì)，減輕空氣凈化器或除濕器等設(shè)備的運行負(fù)擔(dān)，進一步節(jié)約能源。

2.2提高室內(nèi)空氣質(zhì)量

自然通風(fēng)有助于稀釋和替換室內(nèi)的空氣，降低有害物質(zhì)，如揮發(fā)性有機化合物（VOCs）、甲醛等的濃度，從而提升空氣質(zhì)量。一方面，自然通風(fēng)持續(xù)的氣流交換會減少室內(nèi)污染物的積聚，保障居住者呼吸到新鮮且清潔的空氣。另一方面，良好的空氣流通還能防止潮濕和霉菌的滋生，保持室內(nèi)環(huán)境干爽，有利于維護人們的健康。

2.3提高環(huán)境舒適度

自然通風(fēng)除了能夠調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，還有助于創(chuàng)造一個舒適的居住和工作環(huán)境。一方面，在溫和氣候下，適度的自然通風(fēng)能提供適宜的室內(nèi)溫度，減少人們對機械制冷或供暖的依賴，使人感覺更舒適。另一方面，新鮮空氣的流入和污濁空氣的排出，增強室內(nèi)環(huán)境的透氣感，降低沉悶與壓抑感，從而提升人們的舒適體驗和滿意度。

3自然通風(fēng)設(shè)計原理

3.1熱對流原理

熱對流原理即利用空氣的密度和溫度差異來實現(xiàn)室內(nèi)空氣流通的過程。根據(jù)熱對流原理，熱空氣具有較低的密度，會上升，而冷空氣則具有較高的密度，會下沉，密度差異產(chǎn)生的氣流在建筑內(nèi)部產(chǎn)生自然的對流運動，促使新鮮空氣進入室內(nèi)，同時將污濁空氣排出。在自然通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計中，合理的通風(fēng)口設(shè)計，使得熱空氣能夠順暢地上升并排出，促進了空氣的流動。通風(fēng)口安置在高處以利用室內(nèi)的熱空氣自然上升流動，利用建筑的朝向和布局選擇合適的通風(fēng)口位置，以最大程度地利用熱對流原理[2]。其次，利用熱對流原理，設(shè)計合適的氣流路徑，使得新鮮空氣能夠有效地進入室內(nèi)。例如，在建筑的下部設(shè)置進風(fēng)口，引導(dǎo)冷空氣從底部進入建筑，與熱空氣形成對流，達到空氣流通的效果。

3.2風(fēng)壓驅(qū)動原理

風(fēng)壓驅(qū)動原理是利用風(fēng)力產(chǎn)生的正壓和負(fù)壓差異來驅(qū)動空氣的流動。根據(jù)風(fēng)壓驅(qū)動原理，當(dāng)風(fēng)吹向建筑物時，風(fēng)力會產(chǎn)生正壓差，將新鮮空氣推入建筑內(nèi)部；相反，當(dāng)風(fēng)從建筑物的其他一側(cè)吹過時，會產(chǎn)生負(fù)壓差，將污濁空氣排出。在自然通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計中，風(fēng)壓驅(qū)動原理常用于利用風(fēng)力進行通風(fēng)和空氣流動。首先，設(shè)計合理的通風(fēng)口和建筑物的朝向，利用風(fēng)力對流動的空氣產(chǎn)生正壓差[3]，例如在建筑物的正面設(shè)置進風(fēng)口，根據(jù)風(fēng)向調(diào)整通風(fēng)口的大小和位置，使得風(fēng)力能夠推動新鮮空氣進入建筑物內(nèi)部。其次，利用風(fēng)壓差原理設(shè)置適當(dāng)?shù)某鲲L(fēng)口，促使污濁空氣從建筑物的其他一側(cè)排出，出風(fēng)口通常設(shè)置在建筑的高處以實現(xiàn)更高的負(fù)壓差，使污濁空氣順利排出。

3.3溫度差異利用原理

溫度差異利用原理是利用室內(nèi)外溫度差異來促進空氣流動和通風(fēng)。根據(jù)這一原理，當(dāng)室內(nèi)溫度較高時，熱空氣會上升，產(chǎn)生對流運動；而室外溫度較低時，冷空氣則會沉積在底部。室內(nèi)外溫度差異的合理利用能實現(xiàn)自然通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)效果。在自然通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計中，溫度差異利用原理常被應(yīng)用于通風(fēng)口的設(shè)置和氣流路徑的規(guī)劃。首先，根據(jù)建筑的朝向和氣候條件確定通風(fēng)口的位置，使熱空氣能夠順利上升并排出。其次，設(shè)計合理的氣流路徑引導(dǎo)冷空氣從建筑底部進入，與熱空氣形成對流，實現(xiàn)空氣的自然循環(huán)，提高室內(nèi)空氣質(zhì)量，降低室內(nèi)溫度，提升舒適度。

4自然通風(fēng)設(shè)計方法

4.1窗口位置和大小設(shè)計

窗口位置和大小的合理設(shè)計，能有效地引入新鮮空氣并排除污濁空氣，實現(xiàn)節(jié)能的通風(fēng)效果。第一，空氣流動路徑和方向方面。在確定窗口位置時，要考慮建筑的布局和周圍環(huán)境的氣流情況，分析建筑朝向、自然風(fēng)向和風(fēng)速等因素，選擇合適的窗口位置，以便有效地引入自然風(fēng)，促進空氣流動和通風(fēng)。例如，在建筑的正面或側(cè)面設(shè)置窗口，使得自然風(fēng)能夠順利進入室內(nèi)，并形成對流運動。第二，窗口大小和開啟方式方面。窗口的大小和開啟方式直接影響自然通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)效果，一般來說，窗口的面積應(yīng)根據(jù)建筑的體積和使用要求合理確定。過大的窗口會導(dǎo)致室內(nèi)溫度過低或產(chǎn)生過多的風(fēng)力，而過小的窗口則會限制通風(fēng)效果。選擇合適的開啟方式也很重要，如推拉窗、飄窗或轉(zhuǎn)窗等，根據(jù)使用者的需求和安全要求來設(shè)計，以滿足舒適度和通風(fēng)效果的要求。

4.2屋頂通風(fēng)設(shè)計

合理設(shè)計屋頂通風(fēng)系統(tǒng)能有效改善室內(nèi)空氣質(zhì)量，降低室內(nèi)溫度和濕度，實現(xiàn)節(jié)能的通風(fēng)效果。一方面，屋頂通風(fēng)口的設(shè)計能確保室內(nèi)外空氣流通，采用屋頂通風(fēng)口、屋頂插板式通風(fēng)設(shè)備或屋頂風(fēng)扇等設(shè)備。在設(shè)計通風(fēng)口位置時，需要考慮建筑的朝向、周圍環(huán)境的氣流情況以及屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)特點，且通風(fēng)口的數(shù)量和尺寸應(yīng)根據(jù)建筑的體積和使用要求來確定。另一方面，屋頂風(fēng)道是將新鮮空氣從通風(fēng)口引導(dǎo)至室內(nèi)的重要通道，設(shè)計時需要考慮風(fēng)道的路徑、材料和尺寸。風(fēng)道應(yīng)設(shè)置在屋頂?shù)母咛?，盡可能保持直線或呈斜度，以提高空氣流動的效果。根據(jù)需要考慮保溫、防水和防腐等要求選擇合適材料，風(fēng)道的尺寸應(yīng)根據(jù)通風(fēng)量和建筑需求進行合理設(shè)計，以確保足夠的空氣流通和通風(fēng)效果。

4.3通風(fēng)塔和中庭設(shè)計

通風(fēng)塔和中庭設(shè)計引入自然風(fēng)力和利用建筑布局來促進空氣流動，實現(xiàn)節(jié)能的通風(fēng)效果。第一，通風(fēng)塔是一種立體空間結(jié)構(gòu)，用于引導(dǎo)和加強氣流的流動。設(shè)計通風(fēng)塔時需要考慮以下因素：首先，通風(fēng)塔的高度和寬度應(yīng)根據(jù)建筑的體積和使用要求來確定，以保證足夠的氣流量。其次，通風(fēng)塔的形狀和開口的位置及尺寸需要根據(jù)周圍環(huán)境的氣流情況來確定，通風(fēng)塔的形狀采用錐形、圓頂或其他適合的設(shè)計，以便引導(dǎo)和加速氣流的流動，通風(fēng)塔需與窗戶或通風(fēng)口相結(jié)合，形成氣流路徑，進一步提高通風(fēng)效果。第二，中庭是位于建筑內(nèi)部的中央空間，以開放的設(shè)計與室外環(huán)境聯(lián)系起來，中庭設(shè)計能促進空氣對流和自然通風(fēng)，并為建筑提供良好的室內(nèi)環(huán)境。在中庭設(shè)計中，需要考慮以下方面：首先，中庭的高度和尺寸應(yīng)根據(jù)建筑的體積和使用要求來確定，以便提供足夠的空間來引導(dǎo)和促進氣流的流動。其次，中庭應(yīng)具有良好的通風(fēng)路徑，例如逐層設(shè)置開口或通風(fēng)孔來實現(xiàn)空氣的自然流動。中庭設(shè)計還可考慮添加植被或水景等元素，以進一步改善空氣質(zhì)量和提高舒適的室內(nèi)環(huán)境。

4.4遮陽和隔熱功能設(shè)計

遮陽和隔熱功能設(shè)計能減少室內(nèi)熱量的吸收和減輕室內(nèi)的熱輻射，提高舒適度，降低能耗。一方面，進行遮陽設(shè)計。遮陽設(shè)計旨在阻擋太陽輻射和熱量進入建筑內(nèi)部。遮陽設(shè)備可以采用各種形式，如遮陽板、百葉窗、帷幕、樹木等。在設(shè)計遮陽結(jié)構(gòu)時，需要考慮以下因素：首先，需要根據(jù)建筑朝向和周圍環(huán)境的太陽路徑來確定遮陽設(shè)備的位置。其次，遮陽設(shè)備的尺寸和材料選擇應(yīng)根據(jù)太陽輻射強度、建筑高度和使用要求來確定，材料的選擇還需考慮到其隔熱性能和耐久性。另一方面，進行隔熱設(shè)計。隔熱設(shè)計旨在減少建筑物與外界環(huán)境之間的熱量傳遞。隔熱設(shè)計主要以建筑外立面的隔熱材料和絕緣層來實現(xiàn)，隔熱材料的選擇應(yīng)具備較高的隔熱性能和耐久性，例如使用保溫板、隔熱涂料或反射材料等；隔熱材料的厚度和密度應(yīng)根據(jù)建筑的所在地氣候條件和使用要求進行合理選擇，以達到最佳的隔熱效果；隔熱設(shè)計應(yīng)充分考慮建筑的節(jié)能要求和綜合效益，綜合考慮厚度、材料成本和施工難度等因素。

5自然通風(fēng)系統(tǒng)在公共建筑中的應(yīng)用

5.1 H建筑概況

H建筑是一座現(xiàn)代化的公共建筑，包括展覽館、會議中心和辦公空間等功能。建筑外觀獨特，采用玻璃幕墻設(shè)計，擁有開闊的室內(nèi)空間和現(xiàn)代化的設(shè)施；建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，樓層高低錯落，需要考慮如何優(yōu)化自然通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計以提高室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量和舒適度。

5.2建筑朝向

建筑朝向是自然通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計考慮的重要考慮因素，可利用建筑朝向與風(fēng)的模型來評估自然通風(fēng)效果。模型公式：Q = C * A * V，其中Q表示通風(fēng)量，C表示系數(shù)，A表示通風(fēng)口的有效面積，V表示風(fēng)速?？紤]到反向風(fēng)的影響，將Q拆分為正向通風(fēng)和負(fù)向通風(fēng)兩部分（Q = Qp + Qn），其中Qp表示正向通風(fēng)量，Qn表示負(fù)向通風(fēng)量。

（1）預(yù)測建筑內(nèi)部風(fēng)速：根據(jù)建筑的朝向和周圍的氣象數(shù)據(jù)估計建筑內(nèi)部的風(fēng)速，在合適的位置設(shè)置通風(fēng)口和窗戶，引導(dǎo)風(fēng)進入建筑并產(chǎn)生良好的室內(nèi)通風(fēng)效果。（2）分析風(fēng)向：確定通風(fēng)口和窗戶的位置和數(shù)量，以最大程度地利用自然風(fēng)資源。（3）考慮建筑遮擋物：建筑周圍的遮擋物，如高樓、樹木和其他建筑物等會影響風(fēng)的流通，需分析建筑周圍的遮擋物預(yù)測建筑中的正向和負(fù)向通風(fēng)效果，并進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

5.3建筑密度

建筑密度是指在單位面積內(nèi)建筑體量的集中程度，對自然通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計有重要影響。模型公式：Q = C * A * （sinθ/θ） * H * D，其中Q表示通風(fēng)量，C表示系數(shù)，A表示通風(fēng)口的有效面積，θ表示風(fēng)角，H表示建筑高度，D表示建筑密度。

對于高密度建筑，建筑體量相對集中，通常存在較高的阻擋效應(yīng)，導(dǎo)致自然通風(fēng)效果受到一定的限制。當(dāng)建筑密度較高時，通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計需要考慮以下幾個因素：一是通風(fēng)口和通風(fēng)道的設(shè)置，在高密度建筑中，合理設(shè)置通風(fēng)口和通風(fēng)道，增加通風(fēng)路徑，改善通風(fēng)效果，通風(fēng)口和通風(fēng)道的大小和數(shù)量也需要根據(jù)建筑密度進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。二是建筑外形的優(yōu)化，在高密度建筑中，優(yōu)化建筑外形以減小空氣流動的阻力，提高自然通風(fēng)效果。例如，采用流線型的建筑外形、減少突出部分和角度過于尖銳的設(shè)計等，有助于降低空氣阻力，提高通風(fēng)效率。

5.4建筑間距

建筑間距是指相鄰建筑物之間的水平距離，不同建筑間距下自然通風(fēng)系統(tǒng)的效果會有差異。模型公式：Q = Cp * A * V * L，其中Q表示通風(fēng)量，Cp表示風(fēng)壓系數(shù)，A表示通風(fēng)口的有效面積，V表示風(fēng)速，L表示建筑間距。

建筑間距對于自然通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計具有重要影響，不同的建筑間距會產(chǎn)生不同的通風(fēng)效果。在窄間距的情況下，相鄰建筑物之間的距離較小，通風(fēng)受到一定阻礙，導(dǎo)致通風(fēng)量減少，通風(fēng)效果較差。因此，在窄間距建筑中，通風(fēng)系統(tǒng)需增加通風(fēng)口的數(shù)量和尺寸，優(yōu)化通風(fēng)道的布置等。在寬間距的情況下，相鄰建筑物之間的距離較大，通風(fēng)阻力較小，有利于自然通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計。

5.5建筑高度

建筑高度是自然通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計中重要的參數(shù)，會影響通風(fēng)效果和室內(nèi)空氣流動。模型公式：Q = Cd * A * v計算得出，其中Q表示通風(fēng)率，Cd表示風(fēng)阻系數(shù)，A表示通風(fēng)口的效果面積，v表示通風(fēng)口處的風(fēng)速。

較高的建筑高度會產(chǎn)生較大的壓差，從而促進氣流的上升和對流傳輸，有助于提高通風(fēng)效果，增加通風(fēng)量，也有利于排除室內(nèi)壓力差。因此，在高建筑中采用自然通風(fēng)系統(tǒng)能更好地實現(xiàn)空氣流動和室內(nèi)環(huán)境的控制。而低建筑高度會限制氣流的上升和對流傳輸效果，導(dǎo)致通風(fēng)效果較差，通風(fēng)量減少，也會造成室內(nèi)空氣污染或熱量積聚。在這種情況下，需要增加通風(fēng)口數(shù)量或改變通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)，以提高通風(fēng)效果。

6 結(jié)論

自然通風(fēng)是一種有效的節(jié)能策略，能提升公共建筑的能效，改善室內(nèi)環(huán)境。未來需進一步探索自然通風(fēng)系統(tǒng)與其他可再生能源技術(shù)的結(jié)合，以實現(xiàn)更高效、更可持續(xù)的建筑節(jié)能設(shè)計。應(yīng)深入研究在不同地區(qū)和不同氣候條件下的自然通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計及優(yōu)化方法，為公共建筑的節(jié)能設(shè)計提供更具可操作性的參考。

參考文獻

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通訊作者：劉兵紅（1989.11-），女，漢族，河北保定人，研究生，工程師，研究方向：區(qū)域能源節(jié)能利用。