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调节自然通风技术 自然通风的概念及优缺点自然通风技术的原理自然通风现行规范要求建筑设计中的实现 自然通风与工艺设计的配合自然通风整体设计自然通风研究方法实例 1 自然通风的概念及优缺点 自然通风自然通风是指利用建筑物内外空气的密度差引起的热压或室外大气运动引起的风压来引进室外新鲜空气达到通风换气作用的一种通风方式 它不消耗机械动力 同时 在适宜的条件下又能获得巨大的通风换气量 是一种经济的通风方式 自然通风在一般的居住建筑 普通办公楼 工业厂房 尤其是高温车间 中有广泛的应用 能经济有效的地满足室内人员的空气品质要求和生产工艺的一般要求 自然通风的优势降低能耗提高空间利用率提高舒适度经济且无设备噪音 自然通风的局限依靠自然力受室外空气品质制约 2 自然通风的概念及优势 自然通风是一项古老的技术 与复杂 耗能的空调技术相比 自然通风是能够适应气候的一项廉价而成熟的技术措施 通常认为自然通风具有三大主要作用 1 提供新鲜空气 2 生理降温 舒适自然通风 3 释放建筑结构中蓄存的热量 夜间通风 3 自然通风技术的原理 自然通风意义 通过有目的的开口 产生空气流动 直接受影响 建筑外表面的压力分布和不同开口特点压力分布提供动力 各开口的特点决定流动阻力室内空气运动主要有2个原因 风压以及室内外空气密度 其从动力来源上可分为完全自然通风和机械辅助自然通风2种模式 风压作用下的自然通风热压作用下的自然通风风压和热压共同作用下的自然通风机械辅助式自然通风双层维护结构 4 自然通风技术的原理 1 风压作用下的自然通风当风吹向建筑时 因受到建筑的阻挡 会在建筑的迎风面产生正压力 同时 气流绕过建筑的各个侧面及背面 会在相应位置产生负压力 风压通风就是利用建筑的迎风面和背风面之间的压力差实现空气的流通 风压的计算公式 式中 P 风压 风速 室外空气密度g 重力加速度K 空气动力系数 5 自然通风技术的原理 建筑要良好的自然通风就要有较大的风压 由上式可以看出 较大的风压就要有较大的风速和室外空气密度 而室外空气密度 与室外环境温度和湿度密切相关 因此影响风压通风的的气候因素包括 空气温度 相对湿度 空气流速 此外 影响风压通风效果的还有建筑物进出风口的面积 开口位置以及风向和开口的夹角 当处于正压区的开口与主导风向垂直 开口面积越大 通风量就越大 6 自然通风技术的原理 2 热压作用下的自然通风热压是室内外空气的温度差引起的 由于温度差的存在 室内外密度差产生 沿着建筑物墙面的垂直方向出现压力梯度 如果室内温度高于室外 建筑物的上部将会有较高的压力 而下部存在较低的压力 当这些位置存在孔口时 空气通过较低的开口进入 从上部流出 如果室内温度低于室外温度 气流方向相反 即利用室内外空气温差所导致的空气密度差和进出风口的高度差来实现通风 即通常所说的 烟囱效应 热压计算公式 式中 热压 进出口中心线间的高差 室内空气密度 室外空气密度 7 自然通风技术的原理 由上式可知 影响热压通风效果的主要因素为进出风口的高度差和室内外的空气密度差 在实际中 建筑师们多采用烟囱 通风塔 天井中庭等形式 为自然通风的利用提供有利的条件 使得建筑物能够具有良好的通风效果 8 自然通风技术的原理 3 风压和热压共同作用下的自然在实际建筑中的自然通风 是风压和热压共同作用的结果 两种作用 有时相互加强 有时相互抵消 由于风压受到天气 室外风向 建筑物形状 周围环境等因素的影响 风压与热压共同作用时 并不是简单的线性叠加 因此 建筑师要充分考虑各种因素 使风压和热压作用相互补充 密切配合使用 实现建筑物的有效自然通风 9 自然通风技术的原理 10 自然通风技术的原理 4 机械辅助式自然通风在一些大型建筑中 由于通风路径较长 流动阻力较大 单纯依靠自然风压与热压 往往不足以实现自然通风 而对于空气污染和噪声污染比较严重的城市 直接的自然通风还会将室外污浊的空气和噪声带入室内 不利于人体健康 在这种情况下 常常采用一种机械辅助式的自然通风系统 该系统有一套完整的空气循环通道 辅以符合生态思想的空气处理手段 如土壤预冷 预热 深井水换热等 并借助一定的机械方式加速室内通风 11 自然通风技术的原理 与完全自然通风相比 虽然建筑内局部作为辅助动力的机械装置要消耗一定的能源 但通过这种装置重新组织气流 甚至在局部 强迫 气流改向 可以使自然通风达到更好的效果 12 自然通风技术的原理 5 利用双层维护结构自然通风双层维护结构是当今生态建筑中所普遍采用的一项先进技术 被誉为 可呼吸的皮肤 双层维护结构一般由双层玻璃或三层玻璃组成 在两层玻璃之间留有一定宽度的空隙形成空气夹层 并配有可调节的深色百页 在冬季 空气夹层和百页可以形成一个利用太阳能加热空气的装置 提高建筑外墙表面温度 有利于建筑的保温采暖 在夏季 则可以利用热压原理将热空气不断从夹层上部排出 达到降温的目的 对于高层建筑来说 直接对外开窗容易造成紊流 不易控制 而双层维护结构则能够很好的解决这一问题 13 自然通风技术的原理 利用双层围护结构自然通风 14 自然通风现行规范要求 民用建筑供暖通风与空气调节设计规范 GB50736 20126 2 1利用自然通风的建筑在设计时 应符合下列规定 1 利用穿堂风进行自然通风的建筑 其迎风面与夏季最多风向宜成60 90 角 且不应小于45 同时应考虑可利用的春秋季风向以充分利用自然通风 2 建筑群平面布置应重视有利自然通风因素 如优先考虑错列式 斜列式等布置形式 6 2 2自然通风应采用阻力系数小 噪声低 易于操作和维修的进排风口或窗扇 严寒寒冷地区的进排风口还应考虑保温措施 6 2 3夏季自然通风用的进风口 其下缘距室内地面高度不宜大于1 2m 自然通风进风口应远离污染源3m以上 冬季自然通风用的进风口 当其下缘距室内地面的高度小于4m时 宜采取防止冷风吹向人员活动区的措施 15 自然通风现行规范要求 6 2 4采用自然通风的生活 工作的房间的通风开口有效面积不应小于该房间地板面积的5 厨房的通风开口有效面积不应小于该房间面积的10 并不得小于0 60 6 2 5自然通风设计时 宜对建筑进行自然通风潜力分析 依据气候条件确定自然通风策略并优化建筑设计 6 2 6采用自然通风的建筑 自然通风量的计算应同时考虑热压及风压的作用 6 2 7热压作用的通风量 宜按下列方式确定 1 室内发热量较均匀 空间形式较简单的单层大空间建筑 可采用简化计算方法确定 2 住宅和办公建筑中 考虑多个房间或多个楼层之间的通风 可采用多区域网络法进行计算 3 建筑体型复杂或室内发热量明显不均的建筑 可以计算流体动力学 CFD 数值模拟方法确定 16 自然通风现行规范要求 6 2 8风压作用的通风量 宜按下列原则确定 分别计算过渡季节及夏季的自然通风量 并按其最小值确定 室外风向按计算季节中的当地室外最多风向确定 室外风速按基准高度室外最多风向的平均风速确定 当采用计算流体动力学 CFD 数值模拟时 应考虑当地地形条件及其梯度 遮挡物的影响 仅当建筑迎风面与计算季节的最多风向成45 90 角时 该面上的外窗或有效开口利用面积可作为进风口进行计算 6 2 9宜结合建筑设计 合理利用被动式通风技术强化自然通风 被动通风可采用下列方式 1 当常规自然通风系统不能提供足够风量时 可采用捕风装置加强自然通风 17 自然通风现行规范要求 2 当采用常规自然通风难以排除建筑内的余热 余湿或污染物时 可采用屋顶无动力风帽装置 无动力风帽的接口直径宜与其连接的风管管径相同 3 当建筑物利用风压有局限或热压不足时 可采用太阳能诱导等通风方式 18 建筑设计中自然通风的实现 现代建筑设计中实现自然通风的方式主要有以下几点 1 建筑体型与建筑群的布局的设计2 围护结构开口的设计3 注重 穿堂风 的组织4 拔风井5 通风墙体6 屋顶的自然通风7 双层玻璃幕墙围护结构8 太阳能强化自然通风 19 建筑设计中自然通风的实现 1 建筑体型与建筑群的布局的设计建筑群的布局对自然通风的影响效果很大 考虑单体建筑得热与防止太阳过度辐射的同时 应该尽量使建筑的法线与夏季主导风向一致 然而对于建筑群体 若风沿着法线吹向建筑 会在背风面形成很大的漩涡区 对后排建筑的通风不利 在建筑设计中要综合考虑这两方面的利弊 根据风向投射角 风向与房屋外墙面法线的夹角 对室内风速的影响来决定合理的建筑间距 同时也可以结合建筑群体布局的改变以达到缩小间距的目的 由于前幢建筑对后幢建筑通风的影响 因此在单体设计中还应该结合总体的情况对建筑的体型 包括高度 进深 面宽乃至形状等实行一定的控制 20 建筑设计中自然通风的实现 2 围护结构开口的设计建筑物开口的优化配置以及开口的尺寸 窗户的型式和开启方式 窗墙面积比等的合理设计 直接影响着建筑物内部的空气流动以及通风效果 根据测定 当开口宽度为开间宽度的1 3 2 3时 开口大小为地板总面积的15 25 时 通风效果最佳 开口的相对位置对气流路线起着决定作用 进风口与出风口宜相对错开布置 这样可以使气流在室内改变方向 使室内气流更均匀 通风效果更好 21 建筑设计中自然通风的实现 3 注重 穿堂风 的组织 穿堂风 是自然通风中效果最好的方式 所谓 穿堂风 是指风从建筑迎风面的进风口吹人室内 穿过房间 从背风面的出风口流出 显然进风口和出风口之间的风压差越大 房屋内部空气流动阻力越小 通风越流畅 此时房屋在通风方向的进深不能太大 应该尽量组织好室内的通风 主要房间应该朝向主导风迎风面 背风面则布置辅助用房 利用建筑内部的开口 引导气流 建筑的风口应该可调节 以根据需要改变风速风量 室内家具与隔断置不应该阻断 穿堂风 的路线 合理的布局家具与隔断 还能让风的流速 风量更加宜人 22 建筑设计中自然通风的实现 4 拔风井拔风井利用烟囱效应 造成室内外空气的对流交换 英国诺丁汉大学朱比丽分校是一个成功的生态建筑案例 在建筑中结合楼梯间设计 在顶部集成机械抽风和热回收装置 完成建筑的通风 在机械的辅助下 充分利用 烟囱效应 在建筑内部形成自然风循环 新鲜的空气通过处于风塔上部的机械抽风装置被引入到风道中 然后进入到各层楼板的夹层空间 进而进入到室内 而废气通过走道和楼梯间的低压抽风作用 最终又回到风塔上部 再经过热回收或蒸发冷却装置 通过风斗排出 23 建筑设计中自然通风的实现 5 通风墙体通风墙体即将需要隔热的外墙做成带有空气间层的空心夹层墙 并在下部和上部分别开有进风口和出风口 通风间层厚度一般为30 100mm 夹层内的空气受热后上升 在内部形成压力差 带动内部气流运动 从而可以带走内部的热量和潮气 外墙加通风间层后 其内表面温度可大幅度降低 而且日辐射照度愈大 通风空气间层的隔热效果愈显著 故对东西向墙更为明显 如图所示是通风墙体的示意图和典型构造做法 24 建筑设计中自然通风的实现 6 屋顶的自然通风通风隔热屋面通常有以下两种方式 1 在结构层上部设置架空隔热层 这种做法把通风层设置在屋面结构层上 利用中间的空气间层带走热量 达到屋面降温的目的 另外架空板还保护了屋面防水层 2 利用坡屋顶自身结构 在结构层中间设置通风隔热层 也可得到较好的隔热效果 25 建筑设计中自然通风的实现 7 双层玻璃幕墙围护结构其通风原理是在两层玻璃幕墙之间留一个空腔 空腔的两端有可以控制的进风口和出风口 在冬季 关闭进出风口 双层玻璃之间形成一个 阳光温室 提高围护结构表面的温度 夏季 打开进出风口 利用 烟囱效应 在空腔内部实现自然通风 使玻璃之间的热空气不断的被排走 达到降温的目的 双层玻璃幕墙在保持外形轻盈的同时 能够很好地解决高层建筑中过高的风压和热压带来的风速过大造成的紊流不易控制的问题 能解决夜间开窗通风担心安全问题 且可加强围护结构的保温隔热性能 并能降低室内的噪音 在节能上 双层通风幕墙由于换气层的作用 比单层幕墙在采暖时节约能源42 52 在制冷时节约能源38 60 是解决建筑节能的一个新的方向 26 建筑设计中自然通风的实现 8 太阳能强化自然通风太阳能强化自然通风 充分利用了太阳能这一可持续能源转化为动力进行通风 其利用太阳的热量 加热采热构件 并使建筑内部的空气上升 形成热压 引起空气流动 尝试设计的某太阳能办公楼方案在西侧设置了太阳能通风井 通风井受太阳辐射温度升高 内部空气上升并从上部开口排出 在井内形成负压 迫使各层走道的空气流向通风井 形成自然通风 同时带走过道内的热量 太阳能强化自然通风在建筑的实现上常见的有三种方式 屋面太阳能烟囱Trombe墙太阳能空气集热器 27 自然通风与工艺设计的配合 除了前面提到的自然通风与民用建筑设计相配合外 其在工业厂房中 也应该与工艺设计相配合 来达到节能的目的 工业厂房的建筑形式 工艺布置影响自然通风效果 所以自然通风设计应该与工艺设计密切配合 所以工艺布置应该注意一下几点 1 为了增大进风面积 以自然通风为主的热车间应尽量采用单跨厂房 在热车间四周 不宜附建坡屋 如确有必要时 应避免建在夏季主导风向的迎风面 28 自然通风与工艺设计的配合 2 发热量大的车间应尽量采用单层建筑 热源尽量布置在天窗下面 如图所示 操作区位于外墙进风面 如果热源布置在车间的外墙侧 则靠近外墙一侧的进风窗口应尽量开在热源的间断处 布置在室内的热源 应采取有效的隔热措施 29 自然通风与工艺设计的配合 3 如果外墙敞开面积较大 夏季主要利用穿堂风作为主要降温措施时 则热源应设计在下风侧 如图所示 穿堂风 有时候风量大 工作区平均风速较高有利于降低车间温度和有害气体浓度 30 自然通风与工艺设计的配合 但如果车间设备较多 且有害物质发生点较多时 就不太适合 因为这时风的阻力较大 同时可能对局部吸气点的工作不利 设计时 应使厂房纵轴与夏季主导风向垂直 但应避免大面积西晒 如图所示 31 自然通风与工艺设计的配合 4 车间为多层 在工艺条件允许下 热源尽量设在上层 下层用于进风 如图所示 其为电解铝车间 其散热量很大 为了降低车间工作温度 和有害物质浓度 将车间改为双层 将有害物质布置在二层 且在电解槽两侧设置连续进风格子板 这样可以最大限度地让新鲜空气经地面格子板 直接进入工作地带 大大提高了自然通风的降温效果 32 自然通风与工艺设计的配合 5 为了充分利用自然通风的降温效果 应尽量降低进风窗离地面的高度 以充分利用自然通风的降温效果 进风窗离地面的高度一般不宜大于1 2m 南方炎热地区和高温车间宜取0 6 0 8m 进风窗最好采用阻力小的立式中轴窗和对开窗 把气流导入工作区 在寒冷地区 冬季自然通风的进风窗下缘离地面超过4m 以便室外空气达到工作区前能与室内空气充分混合 当低于4m时 应采取措施防止冷风直接影响工作地点 33 自然通风与工艺设计的配合 6 利用天窗排风的车间 如符合下列情况之一时 应采用避天窗 1 炎热地区 散热量大于23w 2 其他地区 散热量大于35w 3 散发热和有害烟尘 且不容许空气从天窗倒灌的车间 7 多跨厂房应将冷热跨间隔布置 尽量避免热跨相邻 多跨厂房可利用相邻冷跨的无窗或外窗空洞进风 但利用相邻跨进入空气时 空气中有害气体或粉尘浓度应小于其最大允许浓度的30 34 自然通风整体设计 自然通风与机械通风不同 它受气候 建筑周围的微环境 建筑结构及建筑内部热源分布情况的强烈影响 所以它的设计是与气候 环境 建筑融为一体的整体设计 其整体设计步骤如下 1 确定气候的自然通风潜力2 确定建筑微环境的自然通风潜力3 预测自然通风驱动力 确定自然通风方案4 根据设计要求和设计参数选择通风设备和确定通风设备的安装位置与大小5 控制系统的设计6 评估设计方案并作修改 35 自然通风整体设计 1 确定气候的自然通风潜力自然通风潜力 NVP 指仅依靠自然通风就可确保可接受的室内空气品质和室内热舒适性的潜力 根据建筑所在地区的宏观气候条件 如宏观风速分布和风向 风玫瑰图 宏观气温分布 太阳辐射照度 室外空气湿度等来确定该地区气候的自然通风潜力 在确定自然通风方案之前 有必要收集建筑所在地区的气象参数逐时变化情况资料并进行分析 2 确定建筑微环境的自然通风潜力根据建筑微环境如建筑周围风速分布及气温分布 城市地形与布局 建筑平均高度 建筑分布情况 街道的布局 植被分布等 建筑内部布置 建筑高度 室外噪声水平 室外污染等来确定建筑微环境的自然通风潜力 建筑微环境对自然通风的影响很复杂 目前这方面的研究较少 36 自然通风整体设计 3 预测自然通风驱动力 确定自然通风方案根据建筑周围微环境和建筑内部情况 如热源分布 房间大小 房间的布置 内隔断 房间的位置等 预测自然通风驱动力 确定自然通风方案和设计气流路径 一般情况下 自然通风驱动力是很小的 自然通风系统中风口两侧的压差一般小于10Pa 而机械通风系统风口两侧压差为100Pa 当预测的自然通风驱动力很小时 就需考虑是否可以通过改变建筑设计方案 如用双层玻璃墙 或设计为中庭式建筑 或改变窗户形式 位置及大小等 或采用风机辅助式自然通风 从房间的进深 d 与高 h 的关系考虑 认为当d 2h时 采用单风口单侧通风较好 当d 2 5h时 采用两风口单侧通风较好 当d 5h时 采用贯流通风较好 37 自然通风整体设计 4 根据设计要求和设计参数选择通风设备和确定通风设备的安装位置与大小自然通风的设计要求和设计参数与机械通风有很大的差别 因为在自然通风环境中 人们能够忍受较大的温度波动范围 而这个温度范围已超出了ASHRAE551992标准的规定值 所以应制定适合于自然通风的设计标准 目前还没有较完整的自然通风设计指南或手册 而且目前的研究成果还远远不能满足自然通风设计的要求 自然通风设备主要指窗户 风口 排风竖井 天窗 门及风机等 窗户 风口的形式和安装位置是影响自然通风效率的关键因素 目前已研究出了适合于自然通风的自控型通风口 ASHRAE是AmericanSocietyofHeating RefrigeratingandAir ConditioningEngineers Inc 的简称 中文译为美国采暖 制冷与空调工程师学会 38 自然通风整体设计 5 控制系统的设计因为影响自然通风的各种因素是动态变化的 所以自然通风是一个动态变化过程 如何在自然通风的动态变化过程中保证室内的热舒适性呢 控制系统应起关键作用 自然通风控制系统一般包括手动控制和自动控制 手动控制以保证不同人的实际需要 增强了人控制环境的自主能动性 自然通风的控制主要是对风口的控制 但如果是风机辅助式自然通风 混合通风 则还须控制风机的启停 控制问题变得复杂 39 自然通风整体设计 5 控制系统的设计因为影响自然通风的各种因素是动态变化的 所以自然通风是一个动态变化过程 如何在自然通风的动态变化过程中保证室内的热舒适性呢 控制系统应起关键作用 自然通风控制系统一般包括手动控制和自动控制 手动控制以保证不同人的实际需要 增强了人控制环境的自主能动性 自然通风的控制主要是对风口的控制 但如果是风机辅助式自然通风 混合通风 则还须控制风机的启停 控制问题变得复杂 40 自然通风整体设计 6 评估设计方案并作修改评价一个设计方案的优劣 首先应确立一个评价标准 自然通风系统评估标准应与机械通风系统评估标准有所不同 在评价一个机械通风方案时 通常确定一些指标 如通风效率 空气龄 那么在评价一个自然通风方案时 应确立什么样的评价指标呢 这有待于进一步的探讨 总之 自然通风系统的设计应从动态和整体的观念出发 与建筑结构设计密切配合 需建筑师 土木工程师 建筑设备工程师及电力控制师甚至房主的参与 未来建筑物的整体设计将越来越重要 另外 自然通风系统的两个重要设计参数 即通风量与室内温度相互影响 故其设计还需借助于一些设计和分析工具 41 自然通风研究方法 1 实验法1 1风洞模型实验法1 2示踪气体测量法1 3热浮力实验模型技术2 数值模拟法2 1CFD2 2多区模型方法2 3区域模型方法 42 实例 美国洛杉矶建筑师迈克尔 伽特泽是个喜欢标新立异的人 他常设计一些稀奇古怪的建筑 他的创意如此奇特 以至于这些建筑一旦落成 就成为地标式建筑 而且引领建筑设计的时尚潮流 迈克尔同时也是个重视环保的人 他喜欢让自己设计的建筑能够利用天然的绿色能源 其中主要就是太阳能和风能 他的设计往往能引发人们对环保建筑的一些思考 43 实例 旋转式太阳能住宅转式太阳能住宅的内部结构迈克尔设计的旋转式太阳能住宅用8个扇形外墙和一个圆形地板组成 8个扇形外墙相互叠加 可以围绕着中央的支撑柱旋转 外墙是一种百叶窗式的结构 打开时可以透光 封闭时可以遮雨挡风 在天气好的白天或月夜 扇形外墙在底座电机的带动下 可以完全或部分叠加在一起 形成一个开放式或半开放式的亭子 人们可以充分享受到阳光和清新的空气 如果出现风雨或者太阳太毒等的恶劣天气 扇形外墙可以围成一圈 让你拥有一个全封闭而且完全的家 这种旋转式住宅顶上有太阳能电池板 可以提供日常生活用电和旋转外墙的用电 44 实例 45 实例 46 实例 风力旋转公寓迈克尔设计的这种风力旋转公寓共有7层 除了底部的一层不能转动之外 上面的6层可以随风转动 因此 你每分钟看到的房子外形都是不一样的 这是世界上第一栋以风作为旋转动力