建筑中的自然通风技术.doc

建筑中的自然通风技术孙培杰1 ,王茹环2 ,李玉涛3(1. 河北工程学院 城建系 ,河北 邯郸 056038 ;2. 石家庄经济学院 ,河北 石家庄 050000 ;3. 德州市广厦监理有限责任公司 ,山东 德州 253018)摘要 :本文介绍了自然通风的基本原理以及自然通风技术在建筑中的应用 。引用实例分析了自然通风研究中的几种方法 ,突出了其环保节能特性 。从自然通风的通风方式 、气流组织形式等 方面提出了现阶段研究中存在的问题及进一步研究的方向 。关键词 :建筑 ;自然通风 ;分析方法中图分类号 : TU834 . 1文献标识码 :A在人类社会文明的进化过程中 ,环境起着至关重要的作用 。然而 ,随着世界经济的迅猛发展 ,人类对自然的索求剧增 。尤其是随着居住条件的改善以及人们对居住环境热舒适要求的提高 ,空调能耗在建筑 能耗中的比例 也 相 应 增 加 。在 我 国 , 据 2001 年 同 济 大 学 对 上 海 部 分 居 民 调 查1 显 示 空 调 普 及 率 达97 . 2 % ,家庭空调耗电量约 1 127 kWh / 年 ,且我国的能源利用率较低 ,1995 年我国的能源利用率只相当于 经济合作与发展组织成员 70 年代后期的水平 。为了降低能耗 ,许多建筑采取了减少通风量 ,尤其是减少新风量并增加房间密闭性等措施 ,再加上运行管理不善及室内建筑装饰材料散发的挥发性有机混合物的 增加 ,导致室内空气质量恶化 。基于此 ,建筑及建筑设备专业人士开始重新考虑自然通风 (Natural Ventila2 tion ) 技术在建筑中的应用问题 。特别是 ,2003 年在我国和其它国家突然爆发的 SARS 疫情 ,引起了国内外 暖通空调界人士对室内空气质量问题和建筑空调应用方式的广泛重视 ,引发了对自然通风技术的新一轮 探讨 。1 自然通风的特点及原理自然通风 (Natural Ventilation) 是一种比较经济的通风方式 ,它不消耗动力 ,也可获得较大的通风换气量 ,简单易行 ,节约能源 ,有利于环境保护 ,被广泛应用于工业和民用建筑中 。国内外对自然通风的概念 或描述不尽相同2 3 ,但总体来说 ,所谓自然通风 ,其共同的特点是 : 依靠室外风力造成的风压和室内外空气温度差造成的热压使空气流动 ,以达到提供给室内新鲜空气和稀释室内气味和污染物 ,除去余热和 余湿的目的 。在建筑物中 ,应用自然通风技术 ,充分体现了 :1) 节能 ;2) 排除室内废气污染物 ,消除余热余 湿 ;3) 引入新风 ,维持室内良好的空气品质 ;4) 更好的满足人体热舒适等优点 。自然通风是一项久远的技 术 ,我国传统建筑平面布局坐北朝南 ,讲究穿堂风 ,都是自然通风原理的朴素运用 ,只不过当现代人们再 次意识到它时 ,才感到更加珍贵 ,通过与现代技术相结合 ,使自然通风从理论到实践都提高到一个新的高度 。自然通风按工作原理可分 :热压作用下的自然通风 、风压作用下的自然通风 、热压风压共同作用下的 自然通风 ,按通风方式可分 :纯自然通风和机械辅助自然通风 。建筑中应用自然通风技术的工作原理 ,是利用建筑外表的风压和建筑内部的热压 ,在建筑内产生空 气流动以尽量减少传统空调制冷系统的使用 ,从而达到减少能耗 ,降低污染的目的 。1) 热压作用下的自然通风 (烟囱效应 ,不考虑室外风压作用 ,如图 1) : 热压作用下的自然通风是由于存在室内外温差和进排 气口高差 ,利用空气密度随温度升高而降低的性质而进行的一种通风方式 。从图 1 可以看出 ,在 Pa = 0 的情况下 ,只要室内温度 tn 大于室外温度 tw ,同时开启窗孔 a 、b ,空气将从窗孔 b 流出 ,同时 Pa减小 ,气流从窗孔 a 流入室内 ,直到窗孔 a 的进风量等于窗孔 b 的排风量时达到平衡 。可见影响热压通风的主要因素是 :窗孔位置 、两窗孔的高差 h 和室内外的空气密度差 (w - n) 。2) 风压作用下的自然通风 (tn = tw ,不考虑热压作用 ,如图 2) :当室外气流与建筑物相遇时 ,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 ,迎面气流受阻 ,动压降低 ,静压增高 ,形成正压区 ,在背风 面及屋顶和两侧形成负压区 。如果建筑物上开有窗孔 ,气流就从正压区流向室内 ,再从室内向外流至负压区 ,形成风压通风 。风压通风的压力大小主要取决于风速和 由建筑各面尺寸及与风向间的夹角所决定的空气动力系数2 , 空气动力系数一般由专门的模型实验决定 。由风压促成的气 流可以穿过整个房间 ,通风量会大大超过热压促成的气流 ,这 是夏季组织通风的主要方式 。3) 风压热压同时作用下的自然通风 ( 如图 3) : 建筑物受 到风 、热压同时作用时 ,外围护结构上各窗孔的内外压差就 等于各孔的余压和室外风压之差线性叠加2 。由于室外风 速和风向是经常变化的 ,因此风压的作用不是一个可靠的因 素 ,在一般工程设计中均不予考虑 。然而 ,在理论上对室内热环境进行动态分析时 ,必须考虑风压的作用 。2 自然通风的研究现状2 . 1 理论计算研究自然通风是各类建筑物中应用较多的一种经济的通风方式 。由于涉及到许多不确定因素 ,在自然通风计算方法中采用了各类简化条件 ,一些基本参数的应用也简单化了 ,如文献 2 热压计算中 ,室内空气 密度采用排风口和工作区空气温度的平均值所对应的空气密度值 ; 在风压计算中没有考虑来流速度沿高 度的变化 ,这显然不符合实际气流分布状况 ,即使对于厂房 ,近地窗的风速和天窗处的风速也会相差甚 远 ,而且由边界层理论知 ,这一区域风速梯度的变化是最大的 。对于高层建筑物 ,风速沿高度的变化更不 容忽视 。由于自然通风的应用面广泛 ,许多情况下风压引起的自然通风会有举足轻重的作用 。由此可 见 ,在自然通风计算方法中 ,除了一些基本的假定条件外 ,对最基本的计算参数的选择还存在着认识上的 差别 ,而这些差别会造成自然通风设计计算中概念的混淆和计算结果的较大偏差 ,因此 ,文献 4 中作者 对自然通风设计计算中计算参数的选择和计算方法作了必要的修正 ,并依据空气热工特性和空气动力学 原理 ,提出了新的计算参数的选择方法和自然通风的计算方法 。另外在文献 5 中 ,作者针对通风设计规范中通风量计算没有考虑朝向修正因素 ,使用时具有一定的 局限性的问题 ,提出了在风压和热压共同作用时 ,考虑朝向修正因素的叠加方法 Ln = Lf ( n1/ b + c) b 。式中 Ln 叠加总通风量 m3/ S ;Lf 风压单独作用时产生的通风量 m3/ S ; n 通风换气量的朝向修正系数 ;b 通风特性指数 ;c =P /P 。2 . 2 自然通风技术的分析方法1) 网络法 :自然通风的网络法是利用伯努利方程和流体网络原理 ,把每个房间看成网络中的一个节点 ,把通风口视为局部阻力 ,再利用专用软件 ( 如 NavIAQ 软件) 进行分析计算 。其优点是方法简便快捷 ,特别使用于实际工程计算 ,缺点是准确性差 ,仅对较大的风速有效 ,对单面风无效 。2) CFD (计算流体力学 : Computational Fluid Dynamics) 方法 。利用连续性方程 、动量方程 、湍能方程 、能 量方程 、组分方程等控制方程对空气流动进行分析 ,然后利用计算软件进行计算机模拟 ,得出可视化的直 观效果图 ,其缺点是计算复杂 ,计算量大 ,费用高 。3) 网络法与 CFD 相结合 。两者结合可对复杂建筑进行求解 ,用网络法计算各个房间之间的换气量 , 用 CFD 方法求解房间内部的温度分布 ,两者结合计算快速 ,分析翔实 。我国清华大学在这方面已开展了 较多的研究工作 。4) 实验方法 :a) 利用热线风速仪等设备直接测量风速 ,利用所测数据进行分析 ,这种方法要求响应时 间短 ,需同时测量各个方向 。b) 依据质量守恒定律 ,利用色谱分析仪或红外分析仪测量投向室内的示踪 气体 SF6 或 CH4 不同时刻不同地点的浓度 ,从而了解室内通风效果 。2 . 3 实际应用分析例 1 Tjibaou 文化中心7 。进入二十一世纪 ,建筑发展的方向注重生态环境 ,并用高科技去解决建筑中的生态问题 ,从而为其注入了无尽的生命力 。利用风压进行自然通风的典范之作当属伦佐 皮亚诺( RenzoPiano) 设计的 Tjibaou 文化中心 (见图 4) 。Tjibaou 文化中心位于澳大利亚东侧的南太平洋热带岛国 新喀里多尼亚 ,这里气候炎热潮湿 ,常年多风 ,因此最大限度地利用自然通风来降温降湿 ,便成为了适应 当地气候 ,注重生态环境的核心技术 。Tjibaou 文化中心由十个单体组成 , 一共有三种大小 。最高的有28m ,背面指向主导风向 ,保持背面为正压区 ,能根据风向和风速调节风叶方向和开度 。这些类似山间木 屋的曲线形构筑物 ,全都是由木桁架和木肋条建成 。它充分利用新喀里多亚的气候特征 ,在建筑内部安 装了一套十分有效的被动通风系统 。其原理是采用双层结构 ,使空气可以自由地在内部的弓形表面与外 部垂直表面之间流通 ,而建筑外壳上的开口则是用于吸纳海风 ,或者用于导引建筑所需的对流 。气流由 百页窗进行调节 ,当有微风吹来时 ,百页窗就会开启让气流通过 ,当风速变得很大时 ,它们又会按照由下 而上顺序关闭 ,尤其是每当风从木肋格栅的缝隙中穿过时 ,都会发出瑟瑟的音符 ,给观者带来愉悦的感受 (图 5) 。例 2 英国新议会大厦6 。对一些大型体育场馆 、展览馆 、商业设施等 ,由于通风路径 ( 或管道) 较长 ,流动阻力较大 ,单纯依靠自然通风的风压 、热压往往不足以实现自然通风 。而对于空气和噪声比较严重 的的大城市 ,直接采用自然通风会对室内造成空气和声污染 ,不利与人体健康 ,于是常常采用机械辅助自和交通噪声对室内的影响 ,麦克尔霍普金斯设计了一套精巧的机械辅助自然通风系统 ,他将整幢建筑的进口设在屋檐高度 ,并在风道中设置过滤器和声屏障 ,以最大限度的除尘 、降噪 。新鲜空气通过机械装置 被吸入各层楼板 ,并从靠近走廊一侧的气孔排出 ,此后进入利用热压的自然通风阶段 。房间内热气体通 过房间上方靠近外墙的气孔进入排气通道 ,再从屋顶排出 。冬季 ,冷空气在进入房间之前先与即将排出 的热空气进行热交换 ,有利于缓解冷空气对人体的刺激 ,减少热损失 。在夏季则利用地下水来冷却空气 ,这使得建筑年设计能耗较低 ,仅为 90kW/ m2 。除此以外 ,自然通风和太阳能利用密不可分 ,在外界风速不能满足自然通风要求时 ,在屋顶设置一组 可以升降的玻璃通风塔 ,它可以最大限度的吸收太阳能量 ,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 。冬季时可以将顶帽降下以封闭排风口 ,这样通风塔便成为一 个玻璃房 ,有利于节省采暖能耗 。英国国内税务中心6 就是麦克尔霍普金斯根据上述思想设计的 ,其年 设计能耗为 110kW/ m2 。3 现在研究中有待于进一步解决的主要问题1) 自然通风是人们易于接受的通风方式 ,但是其受室外气候条件和建筑物维护结构影响较大 ,所以如何根据室内和室外的不同热湿状况 ,结合楼宇自控系统 ,设计合理的自然通风自动控制系统成为目前 急需解决的问题 。在这方面 ,国外做了一定的尝试8 ,我们可以借鉴 。2) SARS 的流行和传播 ,对建筑中的通风空调系统提出了新的挑战 。围绕防止疫情传播和交叉感染 ,合理设计自然通风的气流组织形式 ,确保及时置换室内污浊空气 ,保证室内空气的新鲜程度 ,特别对于医 院传染性病房和手术室 ,如何引入室外自然风才能有效降低医护人员的感染率 。上述问题都是自然通风 技术应用中需要加以解决的问题 。3) 太阳能利用和自然通风系统密不可分 ,但是太阳能利用的初投资和成本较高 ,限制了它在自然通 风系统的使用 ,有必要进行进一步研究和相关设备的研发 。4) 自然通风的优点十分明显 ,但是其在时间和强度方面往往不能恰到好处的满足人们的需求 。研究 自然通风的脉动规律 ,用机械通风模拟自然通风 ,以更大程度上满足人们的要求 。这也是一个很好的研 究方向 。参考文献 :12345678龙惟定 ,张蓓红 . 上海住宅空调能源的现状与发展 C . 全国暖通空调制冷 2002 年学术文集 :153 - 161.金招芬 ,朱颖心 . 建筑环境学 M . 北京 :中国建筑工业出版社 ,2001.陈义雄 . 浅说绿色建筑与绿化发展 J . 暖通空调 ,2000 ,30 (5) :27 - 32.彭小勇 . 自然通风计算方法和计算参数的应用研究 J . 暖通空调 ,2000 ,30 (6) :27 - 29. 丁力行 ,高甫生 . 空气渗透计算中风压与热压的叠加问题 J . 暖通空调 ,2001 ,31 (1) :24 - 26. 王鹏 ,谭刚. 生态建筑中的自然通风 J . 世界建筑 ,2000 , (4) :62 - 66.曹蓬. 生态建筑的历史沿革与发展 J . 福建建筑 ,2002 , (3) :11 - 13.陈滨 ,陈向阳 . 日本体育馆空调及其自动控制新技术 J . 暖通空调 . 2003 ,32 (2) :48 - 51.Natural ventilation in architectureSUN Pei2jie1 ,WANG Ru2huan2 ,L I Yu2tao3(1. 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