地下空间自然通风

1、地下空间自然通风技术应用地下公共建筑和工业建筑自然通风技术应用摘要：地下空间作为城市空间的一个整体，在城市发展的过程中起到越来越重要的作用，但是它相比于地面建筑也有其先天不足的方面。空气环境是困扰地下建筑发展的一个难题。为了改善地下建筑室内空气环境，大多采用机械通风的方式，这将使整个地下建筑中的运行能耗费用大幅度提高。在提倡可持续发展和生态建筑的今天，地下建筑的生态化和绿色化成为一个不可回避的话题。文章从地下建筑的自然通风可能性方面进行探讨，并充分借鉴地面建筑生态化方面的研究成果，提出相应的解决方案，研究形成一套地下建筑生态化自然通风的基本模式的可能性。关键字：地下空间 地下公共建筑 地下工业

2、建筑 自然通风一、 什么是自然通风自然通风是指利用自然风压或热压的作用，进行有组织的空气流动，以达到通风换气的目的。我们将从地下公共建筑、地下工业建筑、方面来介绍地下空间自然通风技术的应用。二、 地下空间自然通风的意义众所周知，在地面自然环境中，空气、水、土壤和食物是自然环境的四大要素，都是人类和各种生物不可缺少的物质。其中空气居首，它与人体关系最为密切。一个成人每天通过鼻子呼吸空气大约2万多次，吸入的空气量达1520M3，大约为每天所需食物和饮水量的千倍。生命的新陈代谢也同样一时一刻都离不开空气。空气环境的优劣直接影响人体的生存、生活和工作。由于地下空间，是一个封闭的空间，几乎与外界环境隔绝

3、，所以其内部存在着缺氧和一氧化碳中毒的危险。另外因为周围介质地下水、裂隙水、施工水、生活水和人体散热等因素，相对温度很高，利于细菌繁殖，直接对人体造成伤害，还会使生产设备、仪器锈蚀，影响生产和产品质量。再加上空气流动不畅，加剧了空气对人体的热作用。以上这些，无论哪一点都会带来人体的不舒适感，甚至会影响健康，危及生命，这就需要通过通风设计来解除这一危险。为了稀释空气污染物，保持室内空气洁净，使得地下建筑的机械通风系统必须耗费大量的能量来维持所需的必要通风，由于客观原因相对于地面建筑，地下建筑在通风和照明上花费的能源要大许多，在过去地下建筑多为人防工程和仓库的情况下这种劣势并不明显，但是随着越来越

4、多的人到地下建筑活动，这一点就越发地突出起来。在提倡可持续发展的今天，地下建筑如何通过自然通风的方式来节能，是一个当务之急需要研究的问题。根据实验证明地下建筑在夜间和部分季节实现自然通风是完全可行的，另外通过机械通风和科学设计的可控制自然通风系统相结合也能够达到良好的节能效果。现在我国电能中大约15%是空调耗能，其中新风耗能占空调耗能的25%38%，在地下建筑中这个比例会更高，举个例子，一座两层6000多m2的地下商场，其通风除湿机械的功率约为148kw，一个月仅此一项电费就要上万元。过高的使用成本限制人们对地下建筑的利用。所以进行通过采用自然通风的方式对地下建筑进行节能的研究刻不容缓。三、

5、地下公共建筑自然通风技术应用3.1、地下公共建筑自然通风存在问题对于大规模多层的地下建筑我们在自然通风的设计上遇见了许多问题，首先因为其规模较大，埋深也较大，所以单纯依靠带有风帽的通风口通风无法满足地下建筑的需要，因此我们应该通过利用目前地下建筑通用的设计要素和先进理念来进行设计，特别是风路的形成。如何将新风引入地下建筑并且将室内空气排出，是风路设计的重点和难点。3.2、解决方法首先我们需要充分利用天井（中庭）在地下建筑中的作用。地下建筑设置中庭已经成为较为普遍的设计手法，通过此可以改善地下建筑的室内环境。但我们在中庭的设计中不仅仅有需要改善视觉环境的考虑，同时也要加入自然通风的因素，利用其上

6、下贯通并与室外环境相联的特点形成烟囱效应，促进建筑的自然通风效能。但是在设计中我们应注意中庭在整个风路设计中须作为排风系统存在，因为作为进风口中庭不利于空气的进化，另外，由于地下建筑的中庭还作为采自然光的作用，中庭内部由于温室效应其温度较高，不利于新风的引入。因此其一般作为排风口。在中庭的顶部即排风口应设置必要的装置防止空气倒流，因此可根据不同的情况在中庭的顶部设计空气预热装置（利用回收设备废热或吸收太阳能）及可调节的天窗来促进并控制空气流动。并且需要通过风洞测试排风口要经过风洞试验防止风对其形成滞流效应，必要时可使用机械辅助设备。设置进风烟囱，由于大多数地下建筑的中庭设置在其中部，所以我们将

7、进风口设置在建筑四周，但是在设计上应注意以下几个方面：（1）进风烟囱由于其部分位于地面以上，在设计上必须考虑对地面环境的影响，在设计上做到与地面环境和谐。（2）要尽量避免位于空气污染严重的地方（街道、工厂的下风向）。由于地下建筑的采风口的高度有限，其新风一般受过城市污染，因此在进风口必须设置空气净化设备，对引入的新风进行净化，避免对地下环境的污染。（3）在进风口细部设计上必须建立在风洞测试的基础上，防止空气扰流，有利于空气进入。在其内部设置冷却装置（通过引入地下深层的地下水使空气降温）促使空气下沉，并且与作为排风通道的中庭结合，形成地下建筑自然通风系统。在进风口较少等不利于引入新风的条件下，我

8、们可以采用层层递进的方法，即在进风道不同标高设置更多的冷却装置强化空气的进入。（4）对于没有中庭或中庭无法作为排风口的情况下须设置排风烟囱，其要点与中庭的排风要点相同，但是在设计上最好与进风口结合，减少对地面环境的影响。在两者之间设置热交换器，使在节约能源的基础上提高两者的工作效能。3.4、地下公共建筑自然通风设计的其他注意事项建立可控制的高效的通风系统，摒除自然通风就是无控制的自发通风的错误观念。现代地下建筑需要更好的封闭性和热稳定性，自发和混乱的自然通风只能增大建筑的耗能，另外自然通风是无法完全替代机械通风的，因此我们必须将两者结合起来建立地下建筑通风系统。高效利用能源，改善舒适度。例如我

9、们可以在白天人员密集的时候通过两者结合的方式并以更利于控制机械通风为主，使加大通风量的同时不破坏地下建筑舒适度，夜间则完全依靠自然通风对地下建筑降温和净化空气。室内需采用先进的通风形式，提高通风效能。这里我们要提到的是置换通风，其作为一种合理的通风形式在国内外众多可持续建筑中得到应用，它利用空气的密度差，通过进风口和通风口在地面和顶棚分开设置，新风由地面附近的进风口缓慢进风同时将废空气由天花板附近的排风口排出，促进空气流通并使污染物迅速派出。这需要我们在地下建筑的设计上加大楼层高度，促使空气在室内流动。但是对于埋深较浅楼层，其热压作用不明显的情况下可以适当的设置利用风压作用的进风口和排风口。在

10、设计上我们应当将进风口的朝向迎向夏季主导风的方向，而背向冬季主导风。在风帽设计的细节上这里将不再赘述。只是我们仍可以通过设置预热或预冷装置来促进空气流动。附建式地下建筑对于自然通风设计来讲有着相对单建式地下建筑不可比拟的优势，因为它可以利用地面建筑的通风装置（中庭、通风烟囱），并且对地面几乎没有影响，通过地面建筑设置的中庭、通风烟囱因为更高所以烟囱效能更加明显，通风效果更为突出。下沉式广场的设计可以改善地下建筑环境，同时也可将自然通风引入地下建筑，但是由于其主要是利用风压，在高楼林立的城市环境中可利用的风压有限，所以其通风效能也很有限，因此不适用于大进深的地下建筑的通风。根据实验数据，地下建筑

11、的自然通风主要是利用热压作用，而风压的影响甚微。并且下沉式广场的进风多为紧贴地面的流动空气污染严重，而且无法设置净化装置，因此我们不鼓励单独使用下沉式广场进行通风。这些地下建筑自然通风的设计方法并不是单独存在的也不是一成不变的，它们是相互辅助形成一个共同的系统来达到通风节能目的。现代地下建筑自然通风的设计方法与传统的自然通风的概念在本质上有着不同:可控制性，通过传感器来决定通风的需要并通过设置自然通风系统（风道、进气口、排气口）来控制通风量;机械通风辅助设备，各种自然通风辅助设备可以提高自然通风的效率和稳定性，在不利于自然通风的季节也可以实现自然通风;整体性，整个建筑的自然通风整体考虑，而不是

12、自发的在局部区域进行通风。可以说现代的自然通风设计依托现代科技，正逐步改善其缺点，发挥其长处。因此，通过科学细致的自然通风系统设计，依靠自然通风来实现地下建筑的节能和舒适度的改善是完全可行的。四、 地下工业建筑4.1、地下工业建筑自然通风设计地下厂房所需的空气都要从地上经洞口引入，同时由于岩石的温度比较稳定，单位时间的传热量小以及裂隙水的存在等因素，使厂房中的余热、余湿难于自然散发，也需要依靠通风及时排走，所以通风量一般都比较大。气流组织在通风设计中是很重要的问题。气流如果符合空气流动的规律，通风效果就好，否则就差，甚至起不到通风作用。从厂房布置的角度来看，对自然通风而言，影响空气流动的主要因

13、素首先是进、排风口的形式、位置与高程所形成的压力差；其次是洞室断面形状、洞群布置方式、内部设备等对空气流动造成的阻力。关于进、排风口的布置，如果完全采用自然通风，进、排风口之间的高差越大，自然形成的压力差就越大。当以洞口作为进风口时，则排风道可以尽量利用排烟或其他用途的竖井或斜井。在这种情况下，应注意避免使进、排风口在同一方向，尤其是距离不应过近，因为这样气流在洞室中必然要转弯，在某些部位形成涡流而无法排走，同时在进、排风口外容易形成短路，不能保证新鲜空气流经全洞。4.2、实例说明以两个发电能力相近的地下火电站为例，图1的进、排风口都在同一方向，而且高差较小（约10米），结果在主厂房内形成短路

14、，使厂房上部形成涡流（图中阴影部分），导致部分区域通风不良，机组旁温度高达400C；图2的布置就比较符合气流的规律，一方面利用运输通道加大了进风量，另外又在主厂房顶部余热最集中的位置打了一个60m高的竖井，作为排烟与排风之用，使进、排风口之间的压力差增大，厂房内气流通畅，甚至冬季还需要控制竖井排风口的面积以免室内过冷。当然，像图2这样在厂房顶上做竖井的方法，会使衬砌结构和施工都较复杂，因此只要能增加高差减少阻力，竖井并不一定布置在热源的正上方。关于洞室对气流的阻力，在采用自然通风的情况下，洞室或通道就相当于风道，所以洞室的截面形状，面积，洞室长度，布置方式，装修情况，内部设备的布置，隔墙的布置

15、等等，都是增加空气阻力的因素。形状简短的，特别是与气流方向一致的直线行洞室，进、排风口有分别在两端时，对空气的阻力最小。图3是某地下厂房的一组洞室，从厂房布置上已经考虑了适应自然进风、机械排风的要求，4个洞室都与进、排风方向一致，而且有集中地排风竖井，看上去气流组织应当比较通畅；但投产后通风达不到设计风量，风速也小，使人感到气闷；同时由于洞室长，不能及时排除余热，所以洞室中温度梯度状态明显，即温度从洞口至洞里呈梯度升高。在洞口部分，冬季洞外零下20左右，很冷，风很大；越往洞里温度越高，最里边达到30。从布置上看，3号洞因进、排在一直线上，效果较好，2号和4号就较差，1号洞因转弯多，离总排风道又

16、较远，效果最差。此外，在两条横向通道中和几个盲洞中布置了一些辅助工作部位，设计时认为两边主洞室的空气流动会将横洞和盲洞中的污浊空气带出，但实际上并不是如此，而是空气几乎停滞不动，温度很高（见图中阴影部分）。这一实例说明，距离较长的自然进风会使隧道式厂房中形成温度梯度，而且洞室过长时不易保证最里面空气的清洁度，此外在转折部位都可能成为通风的盲区。在规模较大，布置比较复杂的地下厂房中，为了合理地组织气流，常常根据生产工艺的特点和厂房布置情况，将通风划分成若干个区域，每个区域单独进行送、排风的气流组织，这样就可以避免气流阻力过大，并消灭通风盲区，也有助于按不同要求采取不同的通风方式；所以，按生产特点进行厂房的分区布置时，应当考虑与通风系统相配合。五、 结语地下建筑作为当今社会建筑领域中重要的组成部分，其自然通风性能的优劣在很大程度上影响着它在未来的发展方向。并且，随着人们价值观念的不断变化，对于自然的需求也更加显