室内自然通风和节能制凉.doc

室内自然通风和节能制凉摘要:节能建筑的效应表现在冬季采暖季夏季致凉两个方面，夏季致凉的节能设计方法与途径主要和自然通风组织，遮阳利用等因素有关，目前随着夏季周期动延长，气温骤高都对人体舒适带来极大的不便，仅选择通过增加空调能耗来换取凉爽对节能和环保都不利，因此节能建筑的自然通风设计成为建筑的夏季致凉，节能与环境共生的最佳选择。室内自然通风和节能制凉11 课题研究的目的和意义42 室内自然通风和节能致凉的影响因素53 与自然通风相关的其他建筑构造73.1建筑顶棚732 “呼吸”幕墙1033天窗通风1334双层屋面通风1435风帽1436附加通风窗164 遮阳设置影响因素1641地理气候1742窗口朝向1843遮阳设施的材料及颜色1844遮阳房间的用途185 自然通风应用情况1951国外自然通风应用情况1952国内自然通风应用状况205.2.1居室热压自然通风应用探讨215.2.1.1热压作用下的自然通风量计算235.2.2试验方法确定的自然通风量246 自然通风的原理2961利用风压实现的自然通风296.2利用热压实现的自然通风3263风压和热压同时作用下的自然通风337 工程实践348建筑的自然通风存在的几个问题3681 自然通风与机械通风相结合。3682风的垂直分布带来的问题。3783建筑通风与遮蔽物。379 自然通风潜力分新研究进展389.1 自然通风分析方法389.2自然通风潜力分析方法的研究进展419.3 我国自然通风潜力分析评估体系的建立4410 结语471 课题研究的目的和意义目前，建筑耗能已与工业耗能、交通耗能并列，成为我国能源消耗的三大“耗能大户”。尤其是建筑耗能伴随着建筑总量的不断攀升和居住舒适度的提升呈急剧上升趋势。建筑能耗(包括建造能耗生活能耗、采暖空调等)约占全社会总能耗的30，其中最主要的是采暖和空调，占到20n1。2006年底，全国政协调研组就建筑节能问题提交的调研数据显示：按目前的趋势发展，到2020年我国建筑能耗将达到109亿吨标准煤。因此，就暖通行业来讲，如何降低空调能耗从而降低建筑能耗成为近年来人们普遍关注的问题。建筑节能的手段有很多，目前被普遍关注的自然通风手段就是其中一项。自然通风是指利用空气的密度差引起的热压或风力造成的风压来促使空气流动而进行的通风换气口。这是一项非常传统的建筑防热技术，由于不需要任何能耗，仅仅利用室内外空气产生的动力，因此具有巨大的节能潜力。是一种既环保又经济的通风方式。采用自然通风取代空调制冷技术至少具有两方面的意义：一是实现被动式制冷。自然通风重在不消耗不可再生能源情况下降低室内温度，带走潮湿污浊的空气，改善宅内热环境；二是提供新鲜、清洁的自然空气有利于人体的生理和心理健康。2 室内自然通风和节能致凉的影响因素室内自然通风和节能制凉是直接作用人体的舒适的要素，是建筑设计的一项重要内容，也是建筑节能与致凉的常用方法，主要与以下因素有关：l 建筑洞口（窗、门）的面积，相对位置；l 建筑平面布局；l 建筑室内陈设、家具；l 建筑室内装修特征；室内自然通风和节能制凉对改善室内通风条件至关重要，对于建筑室内而言，自然通风主要有来自室外风速形成的 “压差”及由洞口位置及温度造成的“温差”造成，温差的条件有：l 室内沿高度方向的温度场的不均匀性，按热力学原理，其存在温度沿高度逐渐向上递增的特点，该特征是随层高增加而使上下之间温差家具的主要原因，因此，在相对密闭的室内空间（系统）内能感觉到气流的流动。室内气流的建筑概念就是运用建筑设计手法来挖掘，由热力学原理决定加强或抑制气流流动，以满足室内热舒适的条件；l 室内认为因素造成的温度分布不均，主要表现为采暖（或制冷）输出口位置不当，形成温差家具，同时为达到增强室内通风，常采取人工加温（应用太阳能等）,是室内“强迫”温差，而增强通风，该处理方式常用于带“竖井”空间的住宅建筑，夏季要处理好上部高温倒流造成的热舒适不佳的问题。“竖井”的空间主要形式有；(a) 纯开放空间空间比超过1:3的竖井共享空间；(b) 楼梯结合空间与楼梯形结合的属性贯通空间；(c) 双墙空间超过600宽的双墙夹层空间(d) “烟囱”空间冲出屋面的属相突兀空间，是一种高效率方法。 建筑室内因洞口的相对位差也是造成自然通风温差的重要因素，位差的形成条件有：l 窗或门洞口的人口和出口之间的位置差（洞口高度）是加速室内通风的有效措施，其实质还是由于室内外温差及由温差引起热压，热压是推动室内自然通风的主要动力；l 利用设计方法形成竖向“烟囱”空间，利用该空间两端的位置差（井式高差）来加速气流，以带动室内的通风，与前述一样，其实质依然是“温差-热压-通风”，由于其“井式高差”值的自由度较大，故可以有效改善室内自然通风。综上所述，室内自然通风的真正原因，无论是温差引起，还是位差引起，全部是以温度问题来展开的，其中温差是引其室内自然通风飞主要原因、3 与自然通风相关的其他建筑构造3.1建筑顶棚现代建筑为满足当今时代是需要除建筑良好的外观形象同时，对建筑室内的形象设计日趋重视，形成室内造型愈益复杂，因而在设计过程中，建筑师常立足于形式，视觉功能，而忽略（或根本未意识到）由此造成的对室内通风条件的影响，这种影响是永久的通风“不可逆”损伤。建筑室内造型的对象主要包括墙、顶棚、地面等六个面，其中墙面、地面由于受功能制约，不能存在明显的凸凹，对室内通风效果不大，顶棚设计形式则成为影响建筑通风的主要原因。建筑室内顶棚设计形式主要有；直接是吊顶、吊式吊顶顶棚对建筑室内通风的影响主要是通过风流沿程阻力来衡量的，其风流阻力就是建筑室内界面干扰物设计的计算尺寸，在顶棚设计镇南关表现为突出程度及其间距、表面积，是一项和程阻力。（一）屋顶在完全自然通风中的作用当室内存在贯穿整幢建筑的“竖井”空间时，就可利用其上下两端的温差来加速气流，以带动室内通风，其实质就是“温差热压通风”的原理。作为建筑共享空问的中庭就可以胜任这个“竖井”的职能。一般来说，其所占空间比例以超过整幢建筑的l3为宜。这种中庭的屋顶一般都具备两项性能：(1)让阳光射人中庭，将中庭内空气加热并产生上下温差；(2)全部或局部可开肩的在需要通风时能让气流找到出口。赫尔佐格设计的德国林茨城的HOLZ大街住宅区的住宅楼的显著特征是带玻璃顶的共享中庭。中庭贯穿建筑并稍稍高出两侧房间的屋面。冬天，阳光透过玻璃屋顶直射进来，中庭屋顶的侧窗关闭，使中庭成为一个巨大的“暖房”，夜晚，白天中庭储存的热量又可以向两侧的房间辐射：夏天，中庭屋顶的侧窗开启，将从门厅引进的自然风将热量排出，使建筑在夜间冷却。当建筑体小，内部的“竖井”空间高度不够形成有效温差时也可以做成冲出屋面的竖向突兀空间。位于英国中部Solihull的一座办公大楼，就以突出屋面的“太阳能烟囱”的自然方式满足办公空间的照明与通风。可作为“竖井”空间的，除了中庭外还可以利用建筑的楼梯问。冲出屋面的突兀空间除了做成烟囱外，也可以做成风塔、风帽的形式。让突出屋面的部分与屋顶在视觉上更协调，甚至成为一个亮点。对建筑师来说既是挑战更是机遇。（二）屋顶在机械辅助自然通风中的作用建筑受客观条件的制约，不具备气流走廊，这时就必须借助机械装置的辅助；或者是根据不同时段、不同季节进行完全自然通风和机械通风的轮换。英国诺丁汉大学朱比丽分校的主体建筑具备两套通风速风措施：在室外气候温和的时候。气流在凹进的中庭人口的引导下，经过大门口上部开启的百叶进入，再由另一端屋顶上的玻璃百叶排出，这时是完全自然通风模式。在酷热或严寒季节，建筑的门窗关闭，新鲜的空气通过屋顶上风塔的机械抽风和热回收装置被引到风道中，然后进入各层楼板的夹层空间，进而在楼板低压发散装置的辅助下进入室内；而废气的排出是通过走道和楼梯间的抽风作用，回到风塔上部，经过热回收和蒸发冷却装置，最终南风斗排出，采用的就是机械辅助的自然通风模式。太阳能集热片被集成在中厅屋顶的吸热强化玻璃中其吸收的热能用于驱动机械抽风装置。（三）自然通风屋顶可以成为独立的通自然通风屋顶本身也可以成为独立的通风系统。通风屋顶内部一般有一个空气间层利用热压通风的原理使气流在空气间层中动以提高或降低屋顶内表面的温度，进而影响到室内空气的温度。在日本的OM阳光体系住宅中，室外空气由屋顶下端被吸人空气间层，并被屋顶上的玻璃集热板加热受热后上升到屋顶最高处。屋顶最高处设置了空气处理装置，包括空气阀门、热交换盘管和一个小型风机。这个装置既能将加热过的空气通过管道送到建筑的各个角落又能将不需要加热的空气由排气管排出。在德国慕尼黑的一项将仓库改造成设计工作室的工程中原有外围护结构的热工性能无法满足新的用途。建筑师赫尔佐格在室内加建了一层包裹住整个屋顶及大部分外墙内表面的薄膜，使薄膜和原有外围护结构间的空气成为一道阻热层，起到了保温和热缓冲的作用。在屋顶上分别设置了连通空气阻热层和室内空气的风帽使这个简单的小建筑可自由地选择机械通风，通过室内自然通风或空气阻热层内通风中的某一种或多种通风模式来调节室内气候。利用热压进行自然通风的原理虽然简单，但选择具体构造或技术措施时还要根据建筑功能和地理位置考虑。仅有定性的设计还不够，要使通风起到实质性的制冷或采暖效果需要对进出风口的气流量、进出风口开关的时间、中庭屋顶的采光量、机械抽风装置的运转时间等参数进行定量计算。这时需要借助风洞模型或计算机模拟实验等方法才能得到精确的数值。降低建筑能耗，使建筑的人工环境与自然环境达到动态的平衡，将是建筑在满足了基本的使用功能和美学要求后追求的更高目标。屋顶的相关构造和设备配合建筑的其他围护结构体系创造的自然通风的条件，使建筑在实现以上几个目标方面具有更大的潜力。32 “呼吸”幕墙利用双层玻璃作为围护结构玻璃之间留有一定宽度的通风道并设有可调节角度的百叶是当今生态建筑界普遍采用的一项先进技术他们被称作“双层皮”幕墙。夏季打开上下进、排风口。通风道内的空气被加热，在烟囱效，电和一定的风压作用下，热空气上升，冷空气从下层进入通道，形成自然通风；冬季，关闭进、排风口。减小风速，利用双层玻璃之间的空间形成的附加阳光问，贮存热量用以采暖。呼吸式幕墙与传统的单层幕墙相比有如下突出的优点：(1)从原理上，呼吸式幕墙采用“烟囱效应”与“温室效应”的原理，是从幕墙的功能上解决节能问题；单层幕墙则只是从材料的选用上，将玻璃幕墙作为一种特殊的墙体，通过材料本身的特性来达到一定的节能效果。(2)从环保上，呼吸式幕墙由于其功能解决节能，外层玻璃选用无色透明玻璃或低反射玻璃，可最大限度地减少玻璃反射带来的不良影响，如“光污染”；单层玻璃幕墙为保证室内外效果，同时考虑到节能，玻璃一般选用有一定反射功能的镀膜玻璃。(3)从节能上，呼吸式幕墙由于换气层的作用，比单层幕墙节能约50，是解决建筑节能的一个新的方向。冬季保温：在冬季，外层幕墙的存在加强了外围护结构的保温性能。通过双层玻璃幕墙之间空气的预热可以有效的降低建筑表面的热损失。而且由于内层幕墙温度相对较高，有利于室内的热舒适性。夏季夜间通风降温：在炎热的夏季，建筑内部温度有可能过高。而双层玻璃幕墙并不是以直接开启方式通风，因而具有安全保护功能，使得在夏季夜晚建筑物可以利用夜间凉爽空气，以自然通风的方式进行室内降温。(4)从使用上，换气层的出现，使呼吸式幕墙夏季节省制冷费用，冬季可节省取暖费用。同时遮阳百叶置于换气层，能有效地防止日晒又不影响立面效果。双层玻璃幕墙的遮阳百叶安装在夹层内部，相对单层玻璃幕墙外挂百叶方式，这种方式更有利于保护百叶，尤其是某些功能复杂、造价昂贵的金属百叶，日晒雨淋不仅会减短使用寿命，也会影响其遮阳及反射效果。而且外挂百叶会在微风中整日鸣响不已，产生环境噪音，而在双层玻璃幕墙间设置的百叶就没有这种问题。(5)从舒适度方面，呼吸式幕墙的隔音性能可达到55dB，让室内生活与工作的人们有一个清静的环境：另一方面，无论天气好坏，都不需要室内与外界直接接触换气就可以将室外空气传至室内，为室内提供新鲜空气，从而提高室内的舒适度，并有效地降低高层建筑单纯依赖暖通设备机械通风带来的弊病。玻璃幕墙叶存在一些问题需要完善(1)减少建筑使用面积：双层玻璃幕墙之问的宽度是从20cm至iJ2m的范围。这导致了建筑使用空问的损失。通常双层玻璃幕墙之间的宽度影响着它的特性。例如：双层玻璃幕墙的空气层越深，宽度越窄，烟囱效应越强烈，通过空气层的对流，对于内侧幕墙就传递越少的热量。有时，空气层越深，越有利于提高靠近外幕墙表皮的空气层中的空气的上升暖气流的舒适条件。因此，在双层玻璃幕墙系统的设计中，应综合考虑，必须掌握好双层玻璃幕墙空气问层合适的深度、足够的最小宽度和不至于损失太多的建筑使用空间的关系，使建筑物的使用空间达到最佳的舒适度和最佳的利用率。(2)额外的保养和运作费用：和单层玻璃幕墙系统比较，双层玻璃幕墙系统在建筑运作上的费用较高，其中包括清洁、系统运行、监察、服务和保养等。(3)空气间层的气流速度加快：主要存在于高层建筑的双层玻璃幕墙之中。(4)自然光：双层玻璃幕墙的采光与其他类型的玻璃外立面的采光很相似(如单层玻璃幕墙)。但由于双层玻璃幕墙额外增加了一层幕墙，使得进入室内的自然光总量有所减少。(5)隔音效果：若双层玻璃幕墙系统设计的不当，有可能造成声音在建筑物内部空气层中传播的问题(声音在本层的房间之间或在楼层之间相互传播，造成噪音污染)。33天窗通风自然通风对降低中庭顶部温度有明显的效果。通风天窗开启时，中庭顶部室内温度均比通风天窗关闭时中庭顶部室内温度低。通风天窗开启情况下中庭顶部与室外气温的差值比通风天窗关闭情况下中庭顶部与室外气温的差值小4C以上，极值达到774，说明自然通风可非常有效地降低中庭顶部室内温度。无论供冷与否，沿着中庭垂直高度中庭内温度有明显的分层，高度越高，温度越高，且温度梯度越大。72m以上的室内温度受室外温度影响相对较大，中庭中72m以下的室内温度受室外温度影响相对较小，基本保持稳定。中庭顶部温度达到40以上，最高达到4575。这对建筑顶部区域房间的负荷和热舒适性有很大影响，在室内空调末端设备选择时要充分考虑到这一影响。一天内100m 处和2m处室内空气温度差的最大值在11491938之间，温差很大。中庭顶部与搴外温差在6C以上，最高达到97C，由此造成的“烟囱效应”非常湿著。开启通风天窗，由于热压和风压作用，一天内每小时自然通风量均值在l万m3以上，最大甚至达到每小时21977万m3，自然通风效果良好。例：英国的Zimbabwe大学报告厅的自然通风设计报告厅从座位下进风，顶部设中央拔风口，通过天窗进行自然通风。34双层屋面通风传统的建筑平屋顶屋面使用砖架空的隔热层隔热无法利用热压主动通风。设于坡屋顶的隔热夹层在屋面受太阳辐射时，夹层内空气温度升高，热空气沿着倾斜屋面上升。冷空气从屋面下檐补充，在热压及风压的作用下形成自然通风，带走了太阳对屋面的辐射热量。35风帽风帽是自然进排风系统的入口或出口。它利用风力或温度差造成的正压或负压，加强进排风能力的一种装置。风帽可以装在需要局部通风的地方，也可以装在屋顶上，促进全面进排风。进风型风帽是在外界风压的作用下，能向内部空间引风的风帽。特点是能利用任何方向吹来的风，将室外气流导向内部空间。排风型风帽是在外界风压的作用下风帽本身产生负压，从空间内部向外排风特点是从任何水平方向吹来的风作用在风帽上，风帽都产生吸力。向外排风。1进风型风帽所谓进风型风帽就是在外界风压的作用下，能向工事内引风的风帽。它的特点是能利用风压的正压，将气流导向工事内，比较常见的有迎风式随风转“囱”型风帽，四面设倒装604百叶风帽，加十字挡板四面设孔口风帽，进风型风帽主要是利用导向器的导风原理研制成的，如四面设倒装60。百叶风帽的导向器是倒装60。百叶；加十字挡板四面设孔口风帽的导向器是十字挡板。2排风型风帽排风型风帽是在外界的作用下，风帽本身产生负压，从工事内向外排风的风帽。其特点是当外界有风作用时，风帽内产生抽力，向外排风，主要有G型风帽、方筒型风帽、四面设正装30。百叶型风帽和随风转向型风帽四种。排风型风帽是根据排风口设在风帽的负压区，因而产生排风效果的原理研制成的。G型风帽和方筒型风帽是利用挡板后形成的负压区来向外排风：四面设正装30。百叶型风帽利用正装百叶的导向功能，并且应用有关负压性质可知四面窗中有三面处在负压区，所叭排风口也在负压区，可以很好的进行排风：风IE背风的随风转向型风帽也是将排风口设在负压区来进行排风。风帽的分类具有重大意义。首先，它解决了许多自然通风工程设计和施工中存在的问题，许多工程由于风帽的安装错误造成通风效果差，认清两种不同类型的风帽后，这些问题将迎刃而解；此外，我们对以往许多有关自然通风的研究结论的可信度质疑，因为它们很可能是在没分清风帽类型或风帽设计不合理的情况下进行坝4试的；再次，国外的一些研究进展不大，与这一问题有直接关系，例如，美国在有的研究中提到：“没有相应的措施来克服进风口在风压作用下产生的抽力”就是在避风井上安装了排风型风帽的缘故；最后，也是最重要的，正确的安装使用风帽可以很大限度的加强自然通风口36附加通风窗这是一种灵活的解决自然采光与自然通风矛盾的方法。有时建筑表面上开的采光窗的面积虽然满足室内自然采光的要求了，但在某个时间段，如夏季即使将窗户完全打开也无法满足室内自然通风的要求这时可以设计一些附加通风窗。他们是不透光的保温隔热材料制成的，可以自由开闭，平时关闭不用。在室内无法满足自然通风要求时才打开使用。4 遮阳设置影响因素挡板的功能；挡板对室内风流阴道及改善室内通风起较大的作用，建筑挡板的作用：l 遮阳体系：利用挡板将夏季炎热阳光遮挡，其改善室内舒适条件作用（稳定室内温度）l 导风体系：通过一定规则的挡板设置，将室外风流经挡板引入室内，增加建筑通风的正压功能。现代发达国家的高层建筑常可以看到变化多端、极富装饰性的外墙挡板，材料由不锈钢、高强塑料、玻璃钢等，给建筑选型带来生机，但其除了装饰意义之外，品位高的设计都是其包含功能与技术意义，即将挡板充分起到遮阳与导风作用，有时是单一考虑（仅考虑遮阳或者导风）有时是综合考虑，而后者显得尤其重要。太阳辐射对建筑的影响受到太阳运动、地球运动和建筑本身设计因素的影响，并随时间、地点和季节的变化而变化。因此采用遮阳技术调节建筑的太阳辐射得热和自然采光照度的过程，应注意以下关键问题。41地理气候不同的地理位置，决定了建筑气候的差异性，因为地理纬度的不同，将出现不同的气候模型。建筑遮阳的设计必须根据不同的地理位置而做出适当调整。低纬度地区，夏季时间长，冬季时间短或者无冬天，因此应加强夏季遮阳，防止建筑过热；而在中纬度地区由于冬季时间比夏季时间长，故充分利用太阳能则是主要的设计考虑201。遮阳设施在夏季遮阳降温的同时，将影响建筑的自然通风潜力，对于需要通风的潮湿地区而言，必须注意遮阳设施的使用不能影响自然通风的应用效果。地理纬度不同，太阳在天空的位置也不同，太阳高度角随着地理位置的变化而变化，进而对遮阳板构造尺寸的要求也有所差别。42窗口朝向气温对于任何朝向的门窗影响是相同的，但是太阳辐射的影响就不同了，窗口朝向的不同，太阳辐射的热量就不同，且照射的深度和时间长短也不一样。东、西窗传入的热量比南窗将近大一倍，北窗是最小的。东、西窗的传热两虽然差不多，但东窗传入热量最多的时间是从上午7时至9时左右。这时，室外气温还不高，室内积聚的热量也不多，所以影响不大。43遮阳设施的材料及颜色遮阳设施多悬挑于室外，因此多采用坚固耐久的轻质材料。如果是可调节的活动形式，还要求轻便、灵活。由于遮阳材质会吸收、透射辐射热量，在选择遮阳材质时，应尽量选择透射率和吸收率较低、发射率较高的材质。并尽可能选择辐射发射率较小的遮阳材料。遮阳设施的颜色能影响遮阳设施对太阳辐射的吸收率，同时影响室内的舒适度。一般而言，以夏季隔热为主的遮阳设施，外表面颜色稍浅为好，以降低对太阳辐射的吸收。内表面的颜色则应稍暗，以避免产生眩光，同时应该注意避免造成过暗的室内视觉环境44遮阳房间的用途用途不同，房间对遮阳的要求也不同，不能一概而论。例如陈列室、展览馆、医院手术室、药房、实验室、书库及其他特殊车间，直射阳光中的紫外线对书籍、文物、艺术品、药品等有褪色、变质作用，因此往往不允许直射射入室内。在一般情况下，应根据最不利日照角度(冬至、大满等时间的太阳高度角)设计遮阳。而在学校教室、阅览室等地方，一方面要防止夏季室内过热，又要防止强光照产生眩光，刺激眼睛造成眩目现象，妨碍视觉正常工作，同时要求有良好的自然采光刚。这时的遮阳设计主要是将直射光变成柔和的反射光照在天棚上再折射进入室内。如今许多欧美的中小学教室都已采用此技术。此处值得一提的是，不同用途的建筑，遮阳设计时应分别进行考虑。以占建筑能耗超过40的公共建筑为例，公共建筑夏季太阳辐射进入室内所产生的空调负荷是造成能耗的主要原因，而冬季由于太阳辐射得热较少，同样会造成空调负荷增加。于是对于夏热冬冷地区的公共建筑，其遮阳效果必须同时满足冬、夏季室内热环境对太阳辐射热的不同要求。相对而言，夏热冬冷地区的居民住宅由于冬季采暖较少，冬季产生的空调制热负荷相对较低，从能耗的角度看，更需要重视。5 自然通风应用情况51国外自然通风应用情况国外有许多耳熟能详的成功建筑范例，比如利用风压进行自然通风的典范之作当属伦佐皮亚诺设计的澳大利亚东侧的Tjbioau中心嘲1。由于该地区气候炎热潮湿，常年多风，因此如何最大限度的利用自然通风来降温降湿，成为建筑设计的核心技术。文化中心是由10个棚屋状单元组成。棚屋字排开，形成三个“村落，各个棚屋大小不同。贝壳状的棚屋背向夏季主导风向，在下风向处形成负压区，而在棚屋背面开口处形成正压区，从而使建筑内部产生空气流动。由伦敦建筑师迈克尔霍普金斯和工程师阿热普设计的位于诺丁汉的英国国内税收中心就是利用热压进行自然通风的。设计者设计了一组顶帽可以升降的圆柱形玻璃通风塔，用作建筑的入口和楼梯间，玻璃通风塔可以最大限度地吸收太阳的能量，提高塔内空气温度，从而进一步加强烟囱效应，带动各楼层的空气循环，实现自然通风乜副。由肖特福德和工程师马克思福德汉姆设计的位于莱切斯特的德蒙特福德大楼，是综合利用热压和风压的杰出范例。这栋大楼内位于指状分支部分的实验室，办公室进深较小，可利用风压直接通风，而位于中央部分的报告厅，大厅及其它房间则更多的依靠烟囱效应进行自然通风。52国内自然通风应用状况我国位于欧亚大陆的东南部，濒临太平洋，由于海洋和陆地热力性质的差异以及太阳辐射随季节的变化，导致冬夏间海洋与陆地上气压的季节变化。夏季大陆形成低气压，海洋形成高气压：冬季则相反，大陆气压高，海洋气压低，于是我国冬季盛行西北风，夏季盛行东南风，就形成了我国冬冷夏热、冬干夏雨的季风性气候特征瞻7l。由于我国广大地区是北温带，春秋过渡季节的温度是很适宜自然通风的，沿海地区往往风压值较大，房间通风良好。这些得天独厚的自然条件以及特有的国情都促成了自然通风技术在中国的发展。我国大量居民住宅也因地制宜，结合不同气候创造了各式各样的自然通风方式，特别是一些住宅之间设置的大小院落，起着良好的通风和聚气的作用。由于我国大部分地区夏季主导风向是南风或者是东南风，因而，传统建筑多为“坐北朝南。另外，在炎热地区建筑常采用落地长窗、漏窗、漏空窗台、折叠门等通风构件，主要是为了降低气流高度，增大人体受风面。在皖南地区，尽管夏季的室外温度达到37-38，夜间也有25左右，但这里的建筑日间室内温度可基本控制在3l左右，夜间也能接近室外温度，其奥妙在于通过特有的天井构造、小热容的围护结构、狭窄的苍道、双层的座砖屋顶隔热、高大的外墙遮阳等建筑设计来达到日间抑制风压自然通风、夜间促进热压自然通风来迅速降温降。5.2.1居室热压自然通风应用探讨自然通风主要由热压和风压共同作用产生，受室内外环境的影响，具有较大的不确定性。在严寒地区、寒冷地区的冬季，应用热压所形成的自然通风对于节能具有重要意义。但由于室内外温差较大，受热压作用形成的自然通风量很大，在保证室内空气质量的同时，需要对通风量进行控制，以减少通风热损失。本文对冬季居室外窗受热压作用形成的自然通风进行分析，采用风速法与示踪气体衰减法计算外窗的自然通风量，探讨窗口的特点与流量系数的关系，从而确定热压形成的自然通风量，利用自然通风来满足室内空气质量要求。在居住建筑中，居室的主要功能是供人休息，其密闭性较好。在冬季，居室门、窗经常处于关闭状态，居室中的空气质量主要用C02浓度来衡量。表1为两类居拳夜间的空气质量测试数据，两个居室的尺寸分别为45m X 30m X 26m，45 m X 33m X 26m，外窗为单框双玻璃塑钢窗，居室1为推拉窗。居室2为平开窗，测试时居室门窗关闭，测试时间为睡眠前至起床时，睡眠时间为8 h，室内空气温度为21，室外空气温度为一15一10。根据GBT 18883-2002室内空气质量标准1l，室内C02允许体积分数日均值为1 00010一。由表1的数据可以看出，室内C02浓度在8 h内均超标，若室内长期有人，则(：()2浓度将维持在高值上，不能满足标准n3中的CO。限值要求。当室内有其他污染源时，例如有人吸烟，则室内的空气质量将恶化。居住建筑节能设计标准(征求意见稿)规定了居窜换气次数：冬季为05 h1；夏季为10 h。为了节能，现代建筑的外窗密闭性较好，空气渗透量很小，通过开窗来改善室内空气质量是必要的。5.2.1.1热压作用下的自然通风量计算对于居室外窗，热压作用下的自然通风可看作单边单孔通风，对于单侧窗孔，可将其分为上下两部分，一部分进风，另一部分排风，则通风量为 (1)式中Q为自然通风量，m3s；为窗孔的流量系数，为窗孔的局部阻力系数；A为窗孔面积，m2；p户为窗孔两侧的压差，Pa；为空气密度，kgm3。对于单侧窗口的房间，当房间门密封时，可将其看作独立的房间，自然通风的中和面位于窗门高度12处。若窗孔的宽度为B，高度为H，室内空气温度为TI，室外空气温度为L，则有由式(3)可知，热压形成的自然通风量是由窗孔的流量系数、窗孔尺寸、室内外空气温度决定的。若室外CO2体积分数取35010，每人产生的量为20 L/h，当测试时间较长，室内污染物浓度达到稳定时，房间所需的通风量为式中L为房间所需的通风量，m3s, M为人员产生量，m3s；C2为室内CO。设计体积分数，10“；Co为室外体积分数，。通过计算可得房间内只有1个人时所需的新风量为30 m3h，对于45 m33 m26 m的居室，换气次数为078；如果居室内有2人，换气次数为1554，所需要的通风量均大于居住建筑节能设计标准(征求意见稿)的规定值。5.2.2试验方法确定的自然通风量风压对建筑的自然通风有较大的影响，但风向与风速具有随机性，本文试验在室外无风的天气下进行，对单侧窗自然通风，忽略室外风速的影响。(1) 风速法冬季室内空气温度高于室外空气温度，对于单侧窗孔，空气由窗孔下部进入，上部排出。中和界近似位于窗孔的中间，利用热线风速仪测试窗孔竖直方向上各点的风速，中和界上风速为0，离中和界越远，风速的绝对值越大。选择房间尺寸为45 m30 m X 26 m的居室进行试验，开启扇窗高850 mm，改变窗宽(开度)，在不同室内、外气温下，分别测得窗孔竖直方向下各位置的风速，然后计算通风量，测试过程中，居室门、窗缝隙密封。（2）示踪气体法示踪气体法在通风空调研究中得到了大量的应用。针对上述房间，在使用风速法测量风量的同时，使用示踪气体法测量自然通风量。以。为示踪气体，房问密封后向室内(室内有2人)充人，并使之均匀分布。然后开启窗孔，测试浓度变化。根据质量守恒定律式中为测试时间，s；V为房间体积，rn3；为测试初始时的体积分数，。测试初始体积分数，最终体积分数C2，测试时间为1 h，M值取2个人的C02产生量。利用式(5)可计算出房间的自然通风量，该方程可使用牛顿迭代法编制计算程序求解。将风速法和示踪气体法确定的自然通风量绘于图1中，可以看出，两组数据较为接近。示踪气体法确定的通风量略小于风速法确定的通风量，且窗户开度越大，用两种方法确定的自然通风量差别越大，原因是窗孔自然通风房间长度有限，通风效率较低。风速法测得的风量为实际通过窗孔的风量，而示踪气体法测得的风量为起稀释作用的风量。（3）窗孔的流量系数窗孔流量系数是一个霞要参数，因为它是求解自然通风量的关键因素。窗孔的安装位置及安装条件不同，其流量系数差别较大，Heiselberg等人进行了一系列的实验，分析了不同情况下窗户的流量系数，发现其值除了与窗口参数有关外，还与环境温度有关，Bot给出了实验方程该方程表明了孔洞的流量系数与孔洞的宽高比的关系。本文测试房间窗户距地900 mm，窗开口高度850 mm，在窗的一端开口，通过改变开口宽度来改变通风量。将求得的自然通风量代入式(3)，可得窗孔的流量系数。图2给出了窗口流量系数与窗口宽高比的关系曲线，其形状近似为抛物线，拟合方程为相关系数为R2=0977。回归性能较好。该图形是根据多次试验的结果得出的，每个窗口对应的流量系数是不同室内外温差时的均值，不同窗口宽度对应的室内外温差均值基本相同。图3给出了室内外温差对流量系数的影响曲线，计算得窗孔的流量系数为0814。总体来说，室内外温差对流量系数有一定影响，温差越小，影响越大；不同宽高比下，室内外温差对流量系数的影响不同，宽高比越大，室内外温差对流量系数的影响越大。图4给出了不同室内外温差时的自然通风量，从图中可以看出，窗孔宽高比一定时，温差越大，自然通风量越大；窗孔宽高比大的其通风量越容易受室内外温差影响，这与图3中的室内外温差对窗口流量系数的影响趋势是一致的。图5给出了自然通风量与窗孑L宽高比的关系，该曲线上对应窗孑L宽高比的通风量是多次测试的平均值，当窗口宽高比为0075时，自然通风量可以达到60 m3h。其拟合曲线近似为直线，相关系数接近1，从图5可以看出，当窗孔宽高比为0时，窗孑L的自然通风量并不为零。这是因为窗户有冷风渗透量，此时的自然通风量可根据表1的数据和式(4)计算得出。该计算值偏大，原因是除了冷风渗透外，还有通过内门向其他房间渗透的空气，而开窗时的数据是将内门密封后测试得到的.6 自然通风的原理61利用风压实现的自然通风风压是指空气流受到阻挡时产生的静压。当风吹过建筑物时，由于建筑物的阻挡，迎风面气流受阻，静压增高；侧风面和背风面将产生局部涡流，静压降低。这样便在迎风面与背风面之间形成压力差，室内外的空气在这个压力差的作用下由压力高的一侧向压力低的一侧流动。风压作用下产生的压力差为： ：一进出口的风压系数；一风压差系数；一室外空气流速，一室外空气密度，如图21所示，由于建筑物的阻挡，建筑物四周室外气流的压力分布将发生变化。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。压力差的大小与建筑的图21建筑物四周的气流分布形式、建筑物与风的夹角以及建筑周围的环境有关。设计中在迎风面与背风面相应位置开窗，室内外空气在此种压力差的作用下由压力高的一侧向压力低的一侧流动，对于风压所引起的气流运动来说，正压面的建筑开口起进风的作用，负压面的建筑开口起排气的作用。气流从一侧窗户流入，从另一侧窗户流出，当室内空间通畅时，形成穿越式通风，传统设计中的穿堂风即利用此原理。如果希望利用风压来实现建筑自然通风，首先要求建筑有理想的外部风环境(平均风速33m/s)。其次，建筑朝向应面向夏季主导风向，房间进深要适宜(一般应小于14m左右)，以便易于形成穿堂风。在不同季节，不同风速、风向的情况下，建筑应聚取相应措施(如适宜的构造形式，可开合的气窝、百叶窗等)柬涧节室内气流状况。利用风压进行自然通风的典范之作当属伦佐-皮亚诺设计的Tiibaou文化中心(见图)。该建筑位于澳大利东侧的南太平洋热带岛国新喀里多尼亚，气候炎热潮湿，常年多风。因此，最大限度的利用自然通风来降温、除湿，便成了适应当地气候、注重生态环境的核心技术。文化中心由1O个被皮亚诺称为“容器”的棚屋状单元组成，屋篷一字排开形成三个“村落”。每个棚尾大小不同最商的达28m。为了达到利片j门然通风和减少风荷载的目的，设计师们经过多次计算机模拟和风洞试验，并根据实验结果对“容器”的形状加以改进，使之变得更加通透和外敞，外部材料均采用当地出产的木材。常年光顾南太平洋的强劲西风足大自然给了这个小岛的恩赐。贝壳状的棚屋背向夏季丰导风向，在下风向产生强大的吸力(形成负区)，而在栅崖背面口处形成正压，从而使建筑内靠产生空气流动。针对不同风速(从微风到飕风)和风向，设计者通过调节百叶的开合和不同风向百叶的配台米控制室内气流，从而实现完全被动式的自然通风达到节约能源、减少污染的目的。6.2利用热压实现的自然通风当室外风速较小而室内外温差人时，可只考虑热压作用产生通风。住宅室内温度高、密度小的空气向上运动，底布形成负压区，室外温度较低、密度略大的空气则源源不断补充进来，形成自然通风。热压的大小取决于两个开口处的高度差和室内外的空气密度差。热压的计算公式可以表示为：如公式所示，热压大小与进、排气H的高度差成正比，此外室内外温差越大，空气密度差也愈大，也会使热压差增大。6.3热压作用下的自然通风6.4风塔通风示意图图6.3为室内热压通风分析，建筑设计中根据热压原理，有意识的将进、排气口间落差增大可有效改善室内通风效果，同时结合建筑剖面设计，组织室内通风。利用建筑内部的热压形成的自然通风即通常所说的“烟囱效应”，如图6.4所示，热空气上升，从建筑外部风口排出，室外新鲜的冷空气从建筑底部被吸入。由于自然风的不稳定性，或山川等高大建筑、植被的影响，许多情况下在建筑周围形不成足够的风压，这时就需要利用热压原理来加强自然通风。63风压和热压同时作用下的自然通风某一建筑物受到风压热压的同时作用，建筑物外墙孔口仍有压差p存在，且压p差等于该孔口的余压和室内外风压之差。风压和热压同时作用下的自然通风就是在这一压差作用下形成的空气对流。7 工程实践风对建筑的影响有正负两个方面。设计得当，可以有效改善建筑的风环境，节约能耗；反之，则会造成不利的风环境，甚至危害人的身体健康。下面通过实例的分析论述建筑中对风的利用与得失。实例!。建在英国卡斯廷的“BRE”办公建筑（见图4）是一座利用热压差组织自然通风的典型实例。这是一座对旧建筑改造更新的生态建筑。采取了一系列的环保措施和生态技术。最为引人注目的是南侧主立面上五个高耸的风塔，可以吸收太阳能加热内部空气。热空气上升，产生热压差，逐渐形成上升气流，形成自然通风；同时配有太阳能低压风扇，在炎热的天气条件下，增强风塔的抽风效能。在炎热天气里，开启地下水池处的进风口，利用水面冷却空气，然后送入室内；在气候温和的季节里，建筑则打开窗户进行通风。整个建筑达到!#的面积自然通风，避免了高强度的夏季空调制冷，可有效节约电能。图! 英国“BRE”办公楼实例2。在2003 年“非典”爆发时期，原来不为人所知的香港陶大花园E 座F座（见图(4），却因多户人家的成员感染SARS) 病毒而被世人所关注。香港中文大学白恩德教授等的研究表明，此次灾难的元凶之一竟是两楼的开放式天井。由图( 可以看出E座与F座的相对位置过近，加上背景风向，导致两座建筑物之间产生快速气流，从而形成一道“风闸”，封住了天井的出口，使天井内的空气难以横向溢出。由于天井高差很大，极易形成竖向热压差，形成上升气流，于是病毒随风逐层漫延，酿成灾祸。最终研究出的解决办法简单易行，在天井外口附近，选择适当位置安装导风板，以改变天井出口处的压力分布，从而打破“风闸”的阻隔，改善天井内的通风状况。 （a） 效果图 （b） 平面风场模拟实例3。巩义市环保局综合办公楼（见图5a）在设计中为了体现环保局的工作性质，强调环境保护的示范效应，从可持续发展角度出发，运用生态设计的理念，因地制宜，根据当地气候特点，合理制定设计对策，在经济合理的前提下，运用常规技术达到节能环保的效果。合理组织自然通风正是体现这一指导思想的重要方面之一。为避免传统内廊式办公建筑通风不利、半数房间采光不足的缺陷，该方案改内廊式为中厅式，即在两侧房间中间加设共享大厅，一是可以利用玻璃顶棚引入阳光，改善北侧房间和走廊采光不足的问题；二是在玻璃顶棚上加设玻璃尖拱顶，形成“温室”。温室内空气被阳光加热，热空气上升，逐渐带动整个中厅内空气向上运动，形成上升气流，因而在中厅内产生负压区，各房间内空气就向中厅内补充。同理，室外空气自然流进室内，形成空气流动，实现室内的自然通风。玻璃尖拱的存在起到了加强中厅“烟囱效应”的“发动机”作用。另外，在建筑进风处也采取了相应的措施。利用绿色植被天然“氧吧”的功能，在建筑南侧、庭院及配楼屋顶种植树林、绿地，制造阴影区，使空气通过时得到冷却、加氧，然后吹入室内，达到天然“空调”的效果（见图5b）。北侧配楼伸出部分可以阻挡冬季盛行的西北风，主入口区域在寒冷的冬季能形成一个无风或小风的舒适环境；而在夏季，配楼的南墙又可起到引导夏季盛行的南风进入庭院的导风板作用。 a b8建筑的自然通风存在的几个问题81 自然通风与机械通风相结合。并不是所有建筑都将自然通风的设计作为设计考虑的霞点。对于一些大型的体育场馆、展览馆、商业建筑等由于通风路径较长，空气流动阻力较大，单纯依靠自然通风不足以实现自然通风。同时，某些建筑环境、建筑功能可能对建筑通风有特殊的要求。如研究所或实验室，这时需要考虑机械通风。因此。当我们为建筑的自然通风设计寻找合适的策略时，要清楚它可能产生的不足。自然通风与机械通风结合设计时。应当使自然通风取得尽可能大的成效，从而节省能源，保护环境。82风的垂直分布带来的问题。风的垂直分布特性使中庭、天井等空间比较容易实现自然通风。但在建筑内部，如果设计有高度较高的中庭，烟囱效应使得下层热宅气上升往往导致下部空间的采暖效率变低，采暖效果变差。对于高层建筑的中庭、天井等空间，还会出现风速过大造成紊流的现象。83建筑通风与遮蔽物。绿化树木、围墙、隔断或拱廊等设在建筑易产生气流剥离的角度及周围，会产生遮蔽作用。建筑周围的树木种类、布置方式在一定程度上都会影响自然通风的效果。一边或两边行列式布置的树木有利于建筑物的通风但如果四面都围以树木，房间的通风效果便会受到影响：当房屋迎风面的窗前种植树木时，如果树丛把檐口挡住，则会把风引向顶棚，若树丛距外墙有一定距离，那么吹来的风很有可能大部分越过窗户从屋顶穿过；在窗台前5-5m以内种植的灌木，则可引导风吹向室内。9 自然通风潜力分新研究进展通过借鉴国外的自然通风潜力研究进展，提出建立一种适合我国住宅建筑的自然通风潜力评估体系的新思路，推动自然通风的发展与应用。9.1 自然通风分析方法自然通风主要是利用室内外温度差所造成的热压或风力作用所造成的风压来实现换气的。如果建筑物外墙上的窗孔两侧存在压力差，就会有空气流过窗孔，实现自然通风。自然通风与机械通风的主要区别在于自然通风的通风孔口的风速、风向都是无法预定的。目前现有的分析方法主要可分为四大类一：a 简单的分析、经验方法分析经验模型对计算机的要求不高，它灵活简便、输入数据较少，一般用于解决两类问题：l 预测房间或建筑里的通风量简单的分析方法一般针对简单建筑，房间气流一般假设为理想无粘性流体，并受伯努利方程控制，开口压力的粘滞损失可通过建立通风量与开口压差的关系计算得到。这类模型仅考虑稳态情况。迄今为止，国外已经对单侧通风、两风口的单区建筑、简单的多区建筑以及热分层等情况进行了研究。l 预测房间的气流速度和温度分布情况在预测房间的空气流速和温度分布时，一般可应用射流、热烟羽和边界层理论，射流可视为自由射流或沿壁射流。Heiselberg等采用半经验公式计算三维沿壁射流速度和温度衰减情况一b SingIezone与Mull一zone方法Multizone方法 “叫是基于伯努利方程，采用网络方法，将建筑看作由许多区组成。各区通过通风路径如窗户、门、缝隙等与其他区域相连，形成网络。如果内部开口相当大，建筑可视为一个单区。Multizone模型所需的输人数据应包括：气象数据(风速、风向、建筑周围压力场以及室外温度)、区域数据(分区数量、尺寸、各区温度)、开口数据(内外开口、缝隙的尺寸和位置)等。各区利用物质守恒定律得到一系列非线性方程，解方程的数值方法可采用迭代法，如NewtonRaphson方法或松弛法加速其收敛。近年来，许多Multizone程序得以发展，如BREEZE，COMIS，AIRNET121，MIX和CHEMIX1 31，ESPair”，AIOLOS和 TasFlows。Multizone方法的优点是简单，可以预测通过整个建筑的风量，但不能提供房间的温度与气流分布情况。它只适用于预测各房间参数分布较均匀的多区建筑的通风量，不适合预测建筑内的气流分布。c ZonaI模型zonal模型可认为是Multizone模型与CFD的中间方法。它的基本思想是：将房间划分为一些有限的宏观区域，认为区域的相关参数如温度、浓度等相等，而区域间存在热质交换，通过建立质量和能量守恒方程并充分考虑了区域间压差和流动的关系来研究房间内的温分布及流动情况。它与Multizone模型的主要区别在于射流、热烟羽、热层等理论的不同运用。该方法比Multizone模型复杂和精确，但比CFD简单。它可嵌套在多区建筑能源和气流分析软件中预测气流及温度分布。目前已有一些zo