浅析建筑中自然通风技术的作用原理

1、浅析建筑中自然通风技术的作用原理摘要本文首先介绍了建筑中自然通风技术的作用原理,指出了自然通风的经济效益和环境效益,进而论证了在建筑设计中如何实现自然通风,提出自然通风这项传统的技术要与建筑所处地域的自然地理气候特征相适应,并辅以实例分析了自然通风与地域气候的完美结合。旨在引起在地域建筑设计中对自然通风传统适宜技术的重视。关键词自然通风机理效益地域建筑设计、户、.前言长久以来,自然通风做为一项传统的建筑防热技术,在世界各地的传统民居中,得到了广泛的应用。在湿热地区,人们看到的传统民居往往有这样的外表:建筑都有开阔的窗户;采用轻便的墙体;深远的挑檐;高高在上的顶棚并且设置有通风口;建筑往往架空,

2、以避开地面的潮气和热气,采集更多的凉风这样形象的背后,隐藏着劳动人民对利用自然通风技术的朴素观念。自然通风是一种具有很大潜力的通风方式,是人类历史上长期赖以调节室内环境的原始手段。空调的产生,使人们可以主动地控制居住环境,而不是象以往一样被动地适应自然;空调的大量使用,使人们渐渐淡化了对自然通风的应用。而在空调技术得以普及的今天,迫于节约能源、保持良好的室内空气品质的双重压力下,全球的科学家不得不重新审视自然通风这一传统技术。在这样的背景下,把自然通风这种传统建筑生态技术重新引回现代建筑中,有着比以往更为重要的意义。1. 自然通风的理论机理通常意义上的自然通风指的是通过有目的的开口,产生空气流

3、动。这种流动直接受建筑外表面的压力分布和不同开口特点的影响。压力分布是动力,而各开口的特点则决定了流动阻力。就自然通风而言,建筑物内空气运动主要有两个原:风压以及室内外空气密度差。这两种因素可以单独起作用,也可以共同起作用。1.1 风压作用下的自然通风风的形成是由于大气中的压力差。如果风在通道上遇到了障碍物,如树和建筑物,就会产生能量的转换。动压力转变为静压力,于是迎风面上产生正压（约为风速动压力的0.5-0.8倍）,而背风面上产生负压（约为风速动压力的0.30.4倍）。由于经过建筑物而出现的压力差促使空气从迎风面的窗缝和其他空隙流入室内,而室内空气则从背风面孔口排出,就形成了全面换气的风压自

4、然通风。某一建筑物周围风压与该建筑的几何形状、建筑相对于风向的方位、风速和建筑周围的自然地形有关。1.2 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,这就是所谓的“烟囱效应”。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。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。而在实际中,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

5、风效果。1.3 风压和热压共同作用下的自然通风在实际建筑中的自然通风是风压和热压共同作用的结果,只是各自的作用有强有弱。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。1.4 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。

6、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。2. 采用自然通风的的经济效益和环境效益自然通风是当今建筑普遍采取的一项改革建筑热环境、节约空调能耗的技术,采用自然通风方式的根本目的就是取代（或部分取代）空调制冷系统。而这一取代过程有两点至关重要的意义:一是实现有效被动式制冷,当室外空气温湿度较低时自然通风可以在不消耗不可再生能源的情况下降低室内温度,带走潮湿气体,达到人体热舒适,即使室外空气温湿度超过舒适区,需要消耗能源进行降温降湿处理,也可以利用自然通风输送处理后的新风,而省去风机能耗,且无噪声。这有利于减

7、少能耗、降低污染,符合可持续发展的思想。二是可以提供新鲜、清洁的自然空气（新风）,有利于人的生理和心理健康。室内空气品质的低劣在很大程度上是由于缺少充足的新风。空调所造成的恒温环境也使得人体抵抗力下降,引发各种“空调病”。而自然通风可以排除室内污浊的空气,同时还有利于满足人和大自然交往的心理需求。3.建筑设计中自然通风的实现及实例分析传统建筑对自然通风有很多值得借鉴的方法,而在我们现代的建筑设计中积极地考虑自然通风,并注意与地域建筑的有效结合,对于自然通风的合理利用、节约能源具有现实意义。1.1 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

8、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。1.2 维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

9、测定,当开口宽度为开间宽度的1/32/3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。1.3 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,否则就会通风不畅。1.4 在建筑设计中形成竖井空间,来加速气流流动,实现自然通风。在建筑设计中竖井空间主要形式有:(

10、1) 纯开放空间目前,大量的建筑中设计有中庭,主要是平面过大的建筑出于采光的考虑。从另外一个方面考虑,我们可利用建筑中庭内的热压形成自然通风。由福斯特主持设计的法兰克福商业银行就是一个利用中庭进行自然通风的成功案例。在这一案例中,设计者利用计算机模拟和风洞试验,对60层高的中庭空间的通风进行分析研究。为了避免中庭内部过大的紊流,每12层作为一个独立的单元各自利用热压实现自然通风,取得良好的效果。(2) “烟囱”空间,又叫风塔由垂直竖井和几个风口组成,在房间的排风口末端安装太阳能空气加热器以对从风塔顶部进入的空气产生抽吸作用。该系统类似于风管供风系统。风塔由垂直竖井和风斗组成。在通风不畅的地区,

11、可以利用高出屋面的风斗,把上部的气流引入建筑内部,来加速建筑内部的空气流通。风斗的开口应该朝向主导风向。在主导风向不固定的地区,则可以设计多个朝向的风斗,或者设计成可以随风向转动。例如在英国贝丁顿零能耗发展项目中,设计了可以随风向转动的风斗,配合其他措施,利用自然风压实现了建筑内部的通风。1.5 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。b. 被动式自然通风实施效果一c.

12、 被动式自然通风实施效果二a.自然通风原理示意在云南省永仁县异地扶贫搬迁规划设计实施工程中,多数是从冬季较寒冷的山区迁移到夏季较炎热的丘林坝子中。原住居民的住屋形式是在寒冷地区发展与延续下来的,其夏季的通风问题不是主要的空间约束。而新迁地夏季较炎热,室外亦有较大的区域风,但是室内风速则相对较小。因后墙及山墙均无窗户,所以室内通风不是很好。新搬来的住户对室内的热环境都表现出很大的不满。因此,改进建筑的通风效果是克服民居缺陷的主要途径。在新农居的设计中,二层楼的前部采用窗加百页的构造,后部加设可开启的窗户,以保证二层堆放农作物的自然晾干功能。针对夏季的炎热气候,加大了挑檐设计,精心做了堂屋、卧室与

13、阁楼的通风设计,通过简单的构造措施,对民居的热环境做了积极的改进与引导（图a,b,c）。在该工程中,有效的将传统的自然通风这一绿色适宜技术用于对传统民居的更新,既满足了经济的要求,又符合了生态的效益。3.6 双层玻璃幕墙维护结构双层（或三层）幕墙是当今生态建筑中所普遍采用的一项先进技术,被誉为“会呼吸的皮肤”,它由内外两道幕墙组成。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

14、。为了更好地实现隔热,通道内一般设置有可调节的深色百叶。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而无需担心安全问题,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。3.7 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。太阳能强化自然通风的建筑结构主要有：屋面太阳能烟囱、Trombe墙和太阳能空气集热器。以上三种结构可以

15、单独设置来强化通风,但是,为了在夏季达到更好的冷却效果,通常将这些做法与其他建筑结构组合成一个有组织的自然通风系统。4.结语通风是建筑的最基本功能之一,是一个古老而常新的话题。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应追求的更高目标。我们现在的建筑设计中,尤其是一些建筑的更新如新民居的设计,不仅要关注自然通风技术,更要注意把这一传统的技术与当地的地理气候特征和气候因素等相结合,提出多层次的、全面的、适宜的建筑技术,体现“气候决定建筑”的设计理念。绿色建筑策略自然通风技术自然通风是一种具有很大潜力的通风方式,它具有节能、改善室内热舒适性和

16、提高室内空气品质的优点,是人类历史上长期赖以调节室内环境的原始手段。在空调技术得以普及,机械通风广泛应用的今天,迫于节约能源、保持良好的室内空气品质的双重压力下,全球的科学家开始重新审视自然通风技术。自然通风在实现原理上有利用风压、利用热压、风压与热压相结合以及机械辅助通风等几种形式。现代人类对自然通风的利用已经不同于以前开窗、开门通风而是综合利用室内外条件来实现。如根据建筑周围环境、建筑布局、建筑构造、太阳辐射、气候、室内热源等,来组织和诱导自然通风。在建筑构造上,通过中庭、双层幕墙、风塔、门窗、屋顶等构件的优化设计,来实现良好的自然通风效果。采用自然通风取代空调制冷技术至少具有两方面的意义

17、:一是实现了被动式制冷。自然通风可在不消耗不可再生能源情况下降低室内温度,改善室内热环境。二是可提供新鲜、清洁的自然空气,带走潮湿污浊的空气,有利于人体的生理和心理健自然通风的实现方式建筑中常用的自然通风实现方式主要有以下几种:1. 利用风压实现自然通风自然通风最基本的动力是风压和热压。在具有良好的外部风环境的地区,风压可作为实现自然通风的主要手段。在我国大量的非空调建筑中,利用风压促进建筑的室内空气流通,改善室内的空气环境质量,是一种常用的建筑处理手段。风洞试验表明: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

18、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形式、建筑与风的夹角以及建筑周围的环境有关。当风垂直吹向建筑的正立面时,迎风面中心处正压最大,在屋角和屋脊处负压最大。另外,伯努利流体原理显示,流动空气的压力随其速度的增加而减小,从而形成低压区。依据这种原理,可以在建筑中局部留出横向的通风通道,当风从通道吹过时,会在通道中形成负压区,从而带动周围空气的流动,这就是管式建筑的通风原理。通风的管式通道要在一定方向上封闭,而在其他方向开敞,从而形成明确的通风方向。这种通风方式可以在大进深的建筑空间中达到较好的通风效果。2. 利用热压实现自然通风自然通风的另一原理是利用建

19、筑内部空气的热压差即通常讲的“烟囱效应”来实现建筑的自然通风。利用热空气上升的原理,在建筑上部设排风口可将污浊的热空气从室内排出,而室外新鲜的冷空气则从建筑底部被吸入。热压作用与进、出风口的高差和室内外的温差有关,室内外温差和进、出风口的高差越大,则热压作用越明显。在建筑设计中,可利用建筑物内部贯穿多层的竖向空腔如楼梯间、中庭、拔风井等满足进排风口的高差要求,并在顶部设置可以控制的开口,将建筑各层的热空气排出,达到自然通风的目的。与风压式自然通风不同,热压式自然通风更能适应常变的外部风环境和不良的外部风环境。3. 风压与热压相结合实现自然通风在建筑的自然通风设计中,风压通风与热压通风往往是互为补充、密不可分的。一般来说,在建筑进深较小的部位多利用风压来直接通风,而进深较大的部位则多利用热压来达到通风效果。位于英国莱彻斯特的蒙