一、自然通风技术的原理及应用

1 一 自然通风技术的原理及应用 自然通风是在压差推动下的空气流动 根据压差形成的机理 可以分为风压作 用下的自然通风和热压作用下的自然通风 图 1 1 示意了风压作用下自然通风的形成过程 当有风从左边吹向建筑时 建 筑的迎风面将受到空气的推动作用形成正压区 推动空气从该侧进入建筑 而建筑 的背风面 由于受到空气绕流影响形成负压区 吸引建筑内空气从该侧的出口流出 这样就形成了持续不断的空气流 成为风压作用下的自然通风 图 1 2 示意了热压作用下的自然通风的形成过程 当室内存在热源时 室内空 气将被加热 密度降低 并且向上浮动 造成建筑内上部空气压力比建筑外大 导 致室内空气向外流动 同时在建筑下部 不断有空气流入 以填补上部流出的空气 所让出的空间 这样形成的持续不断的空气流就是热压作用下的自然通风 图 1 1 风压作用下的自然通风 图 1 2 热压作用下的自然通风 根据进出口位置 自然通风可以分为单侧的自然通风和双侧的自然通风 图1 1 就是双侧自然通风系统示意图 而图1 2 表示的是单侧的自然通风形式 由于自然通风系统运行的动力来自于自然界的自然过程 因 此该技术自古以来就是一种免费的自然冷却技术 在旧建筑中 得到广泛的应用 在空调技术和产品日益发展以后 该技术逐 渐被人们所淡忘 但是 上个世纪发生的能源危机和全球环境 危机后 集合低能耗 高环境价值的自然通风技术作为重要的 生态建筑技术之一受到广泛关注 关于其运行机理 1 的研究 和建筑设计的实践 2 3 报道非常丰富 特别是在示范性生态建 筑中 自然通风更是一种重要手段 下图1 和图 2 是上海建 筑科学研究院主持设计 建设的生态示范办公楼 图2 给出 了利用太阳能增强热压形成自然通风的烟囱外形图 2 图 1 上海辛庄生态示范办公楼全景 图 2 上海辛庄生态示范办公楼自然通风烟囱 然而 随着城市化进程的不断发展 城市地面交通和建筑之 间的日益融合 自然通风技术能否再度成为城市生态建筑的主 流则需要讨论 下面从建筑室内环境控制的角度 讨论一下自然通风系统设 计中的限制性条件 3 二 自然通风系统设计中的限制性条件 自然通风技术作为一种免费的技术 它的应用必然受到环境的限制 对于室外 环境温 湿度比较温和的地区 如英国 该技术的应用非常成熟 下面基于他 们的应用经验 4 7 介绍有关自然通风技术应用的限制性条件 一 室内得热量的限制 应用自然通风的前提是室外空气温度比室内低 通过室内空气的通风换气 将 室外风引入室内 降低室内空气的温度 很显然 室内 外空气温差越大 通风降 温的效果越好 对于一般的依靠空调系统降温的建筑而言 应用自然通风系统可以 在适当时间降低空调运行负荷 典型的如空调系统在过渡季节的全新风运行 对于 完全依靠自然通风系统进行降温的建筑 其使用效果则取决于很多因素 建筑的得 热量是其中的一个重要因素 得热量越大 通过降温达到室内舒适要求的可能性越 小 现在的研究结果表明 完全依靠自然通风降温的建筑 其室内的得热量最好不 要超过 40W m2 二 建筑环境的要求 应用自然通风降温措施后 建筑室内环境在很大程度上依靠室外环境进行调节 除了空气的温 湿度参数外 室内的空气品质和噪音控制也将被室外环境所破坏 根据目前的一些标准要求 采用自然通风的建筑 其建筑外的噪音不应该超过 70dB 尤其在窗户开启的时候 应该保证室内周边地带的噪音不超过55 dB 同时 自然通风进风口的室外空气质量应该满足有关卫生要求 三 建筑条件的限制 应用自然通风的建筑 在建筑设计上应该参考以上两点要求 充分发挥自然通 风的优势 具体的建议见下表2 1 表 2 1 使用自然通风时的建筑条件 建筑位置 周围是否有交通 干道 铁路等 一般认为 建筑的立面应该离开交通干道 20 米 以避免进风空气的污染或噪音干扰 或者 在设计通风系统时 将靠近交通干 道的地方作为通风的排风侧 地区的主导风向 与风速 根据当地的主导风向与风速确定自然通风 系统的设计 特别注意建筑是否处于周围 污染空气的下游 周围环境由于城市环境与乡村环境不同 对建筑通 风系统的影响也不同 特别是建筑周围的 4 其它建筑或障碍物将影响建筑周围的风向 和风速 采光和噪音等 建筑形状 形状建筑的宽度直接影响自然通风的形式和效 果 建筑宽度不超过10 米的建筑可以使 用单侧通风方法 宽度不超过15 米的建 筑可以使用双侧通风方法 否则 将需要 其它辅助措施 例如烟囱结构或机械通风 与自然通风的混合模式等 建筑朝向为了充分利用风压作用 系统的进风口应 该面对建筑周围的主导风向 同时建筑的 朝向还涉及减少得热措施的选择 开窗面积系统进风侧外墙的窗墙比应该兼顾自然采 光和日射得热的控制 一般为30 50 建筑结构形式建筑结构可以是轻型 中型或重型结构 对于中型或重型结构 由于其热惰性比较 大 可以结合晚间通风等技术措施改善自 然通风系统的运行效果 建筑内部设计 层高比较大的层高有助于利用室内热负荷形成 的热压 加强自然通风 5 室内分隔室内分隔的形式直接影响通风气流的组织 和通风量 建筑内竖直通道 或风管 可以利用竖直通道产生的烟囱效应有效组 织自然通风 室内人员 室内人员密度和 设备 照明得热 的影响 对于建筑得热超过40W m2的建筑 可以 根据建筑内热源的种类和分布情况 在适 当的区域分别设置自然通风系统和机械制 冷系统 工作时间工作时间将影响其它辅助技术的选择 如 晚间通风系统 四 室外空气湿度的影响 应用自然通风对降低室内空气温度效果明显 但对调节或 控制室内空气的湿度 效果甚微 因此 自然通风措施一般不 能在非常潮湿的地区使用 三 结果与讨论 由于城市经济发展的需要 特别是类似北京 上海这样的国 际化大都市 其土地的容积率非常高 建筑所在地块的形状 位置往往不能完全根据生态环境的要求进行选择 加上地面交 通的密集 往往很难满足上述条件 特别是自然通风环境噪音 水平和空气污染物浓度的控制 更是目前城市环境治理中的难 6 点 从而成为自然通风技术在城市建筑中应用的主要障碍 因此 自然通风技术在城市建筑设计中的应用 不仅仅是建 筑设计本身的问题 更重要的是建筑环境的设计与控制问题 所以采用自然通风技术的建筑设计前提应该是如何在现有的城 市环境条件下 营造良好的应用环境 参考资料 1 段双平等 自然通风技术研究进展 暖通空调 2004 vol34 3 22 28 2 宋晔皓 利用热压促进自然通风 建筑学报 2000 12 12 14 3 王准勤 从自然通风论华南地区几种住宅群体 南方建筑 1993 001 54 60 4 Baruch Givoni Passive and low energy Cooling of Buildings Van Nostrand Reinhold an international Thomson Publishing Company 1994 5 M Santamouris and D Asimakopoulos Passive cooling of buildings James James Ltd London 1996 6 Chris Kendrick Andrew Martin William Booth Refurbishment of Air conditioned Buildings for Natural Ventilation Technical Note TN 8 98 BSRIA 7 李峥嵘 蒸发冷却和相变技术在晚间