自然通风在气候变化中的应用

自然通风在气候变化中的应用

0自然通风具有环保意义自然通风是指空气高差引起的热压和风吹引起的风压，这些风压通过空气流动促进空气流动。这是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。空调的产生,使人们可以主动地控制居住环境,而不是像以往一样被动的适应自然,从而使人们渐渐淡化了对自然通风的应用。而如今全球能源紧缺,迫于节约能源、保持良好的室内空气品质,把自然通风这一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。自然通风除了能够有效地实现室内环境的降温,还能够节约常规能源、减少环境污染。同时还能够将新鲜空气引入室内并及时地将污染物排出,极大地改善室内环境品质。一些调查结果还显示:人们对自然风的偏爱是显而易见的,即使在有点热的环境中,只要有自然风,人们大多数还是选择自然环境而不是空调环境。由此可见自然通风有着空调所无法取代的优点。本文对有关自然通风技术的基本原理及其在建筑设计中的应用进行了讨论。1自然风机就自然通风而言,建筑物内空气流动主要有两个原因:风压以及室内外空气温差。这两种因素可以单独起作用,也可以共同起作用。1.1从风压上看,表现为气、面、面风的形成是由于大气中的压力差。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(见图1)。1.2温度高于室外温度热压是室内外空气的温度差引起的。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,建筑物的上部分将会有较高的压力,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H和室内外的空气温度差(见图2)。1.3各测定一个是比较好的作用,一个在实际建筑中的自然通风是热压和风压共同作用的结果,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。2机械辅助自然通风对于很多地区的建筑来说,完全自然通风并不是每个季节都适宜的。这时的建筑自然通风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。因此,建筑的自然通风从动力来源上可分为完全自然通风和机械辅助自然通风两种模式。完全自然通风就是依靠风压和热压的作用。机械辅助自然通风是利用温差造成的热压和机械动力相结合而形成的室内外空气对流。与完全自然通风相比,虽然建筑内局部作为辅助动力的机械装置要消耗一定的能源,但通过这种装置重新组织气流,甚至在局部范围内强迫气流改向,可以使自然通风达到更好的效果。例如,英国诺丁汉大学朱比丽分校的主体建筑具备两套通风措施:在室外气候温和的时候,气流在凹进的中庭入口的引导下,经过大门口上部开启的百叶进入中庭内,再由中庭另一端屋顶上的玻璃百叶排出,这时是完全自然通风模式。而在酷热或严寒季节,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廊道和楼梯间的抽风作用,最终又回到风塔上部,经过热回收和蒸发冷却装置,最终由风斗排出,这时采用的就是机械辅助的自然通风模式。3建筑高度对自然通风的影响分析影响自然通风的因素很多,主要有:建筑物所处的地理环境、气候条件、建筑物的空间结构布局与组合形式以及其周围环境等。此外,评价自然通风还有两个限制性条件即环境噪声和室外空气所含的主要污染物(NO2、SO2、CO、O3、VOC)。建筑物的地理位置及朝向对于如何引入季风以及决定理想的室内通风环境非常重要。在设计中应选址在有利的外部风环境中,使房间的纵轴垂直于夏季主导风向,以获得良好的通风效果。比如具有典型地中海气候的意大利,地中海气候条件使得在意大利自然通风仅试用于夏天。因此,为了迎合夏季主导风向,建筑物门窗的朝向一般都是东南,南,西南这三种。在研究自然通风的同时,必须对一些气象数据进行分析。比如在意大利,至少需要具备6~9月份24h内的干球温度,相对湿度,风速,风向,太阳直接辐射强度这五个基本参数。其他需要考虑的输入参数还有热量因素(得热量和室内热源),室内温度和CO2含量。此外,建筑高度对自然通风也有很大的影响。在一些住宅小区里,不仅高层建筑对室内通风有利,高低建筑物交错地排列也有利于自然通风。建筑物的正压区和负压区都会延伸一段距离,其大小和建筑物的高度形状有关,在此距离内其他建筑的通风会受到影响,因此,应该合理安排相邻建筑的间距,房间间距以1.3~1.5H为宜。4空气流动的特性建筑物中的自然通风在实现原理上由“风压”和“热压”引起的空气流动。在实践中,往往由于条件所限制,单纯利用风压或热压不能满足通风需要,因此,必须采用一些特殊的方法增强风压或热压,甚至采用机械辅助自然通风以达到强化自然通风的目的。4.1自身穿堂风设计“穿堂风”是自然通风中效果最好的方式。所谓“穿堂风”是指在风压作用下,室外空气从建筑物一侧进入,贯穿内部,从另一侧流出的自然通风。利用窗户和门的开口引导气流,合理的家具布局与隔断,还能让风的流速、风量更加宜人。穿堂风的具体设计要求有:(1)气流路线应流经人的活动范围;(2)必须有必要的风速,最好达到0.3m/s以上。对有大量余热和有害物质的生产车间,组织自然通风除保证必要通风量外,还应保证气流的稳定性和气流线路的短捷性。4.2作为“竖井”的建筑中庭是利用竖直通道所产生的“烟囱效应”以及层高所引起的热压来有效组织自然通风。中庭一般具备两种功能:(1)让太阳射入中庭,加热中庭内的空气,使得上下空气形成温差;(2)这种中庭一般是可开启的,在需要通风时可使空气流出。比如在冬天,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”,到了夜晚,白天中庭储存的热量又可以向两侧的房间辐射;而夏天,中庭屋顶的侧窗开启,将从门厅引进的自然风带着热量一并排出,使建筑在夜间能冷却下来。可作为“竖井”空间的,除了中庭外,还可以利用建筑的楼梯间,比如英国考文垂大学新图书馆,其楼梯间兼作通风竖井使用。同样,拔风井同样也是利用“烟囱效应”,造成室内外空气的对流交换。英国诺丁汉大学朱比丽分校就是一个成功的生态建筑案例。英国学者的研究还发现普通的烟囱在多层建筑中还有二次通风的作用。当建筑中高层的热负荷很大而低层的热负荷很小或者没有时,烟囱可以诱使低层的空气流动。文献对上海生态建筑示范楼进行了模拟研究,认为照搬国外某些生态建筑的模样,通过设计专门排风烟囱以加强自然通风的做法并不可取,而保证生态建筑自然通风流向上足够的有效通风面积对强化自然通风更加有利。图3为通风中庭的示意图。4.3建筑自然通风系统存在的问题太阳能烟囱是自然通风和太阳能相结合的产物。在太阳能烟囱的上部一般安装有太阳能集热器。集热器吸收的太阳能,可加热烟囱内的空气,产生抽吸作用,使冷空气从建筑物的下部进入,热空气从上部排出,这样在建筑物内形成空气流动,达到室内通风降温的目的。此外,在设计太阳能烟囱系统时应注意下列一些问题:(1)建筑的自然通风系统能否采用太阳能烟囱首先要从三个方面来考虑:(1)当地太阳辐射强度和日照率等气候条件;(2)建筑径深及朝向;(3)居住者的热舒适要求;(2)烟囱的出口应处于风压负压区,这样可以利用风压来加强烟囱效应,同时还可以避免产生倒灌气流;(3)对于较高的建筑,顶层的房间易处于热压中面以上,这样其他房间的热空气会流入,因此,需要单独考虑。可将那些热压中和面以上的房间隔断,同时在屋顶添加单独的风道来增加此层房间的热压,引入新鲜空气。泰国学者J.KHEDARI等在对太阳能集热器的研究中发现太阳能集热器倾斜的最佳角度是30°,此时吸收的太阳能和自然通风量结合的最好,从而得到一个最佳的通风量。而印度学者JyotirmayMathur等则认为太阳能集热器倾斜的最佳角度根据各地纬度不同应该是在40~60℃之间。比如在纬度27°的印度太阳能集热器倾斜的最佳角度是45°。图4是太阳能烟囱的模型示意图。4.4屋顶通风隔热层屋顶除了作为整个建筑自然通风系统的一个组成部分,本身也可以成为一个独立的通风系统。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流动,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。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;(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。另外,在屋顶安装屋顶自然通风器也可以起到自然通风的作用,其工作原理也是利用热压和风压来实现换气。屋顶通风器可以单排布置,也可双排布置,可布置在双坡屋面的屋脊处,也可布置在斜屋面上。图5是WZT系列屋顶自然通风器的模型示意图。4.5通风合理设计自然通风型双层玻璃幕墙又叫“呼吸式幕墙”或“热通道幕墙”,它由内外两层玻璃幕墙组成,两层幕墙中间要形成一个通道,并在外层玻璃幕墙设置进风口和出风口。自然通风型双层玻璃幕墙与传统的玻璃幕墙相比,最大的特点就在于内外两层幕墙间形成了一个通风换气层,即气流通道。在气流通道中,可根据需要设置百叶等遮阳设施。冬季时,关闭通风层两端的进风口与出风口,换气层中的空气在阳光的照射下温度升高,形成一个温室,能有效提高内层玻璃的温度,减少建筑的采暖费用;夏季时,打开换气层的进、出风口,在阳光的照射下换气层的空气温度升高而自然上浮,形成自下而上的空气流,“烟囱效应”带走换气通道内的热量,降低内层玻璃表面的温度,减少空调的制冷费用。此外,通过对进、出风口的控制及对内层玻璃幕墙结构的设计,可在气流通道内形成负压,利用内层玻璃幕墙的开启扇,可在建筑物内部形成气流进行通风换气,从而优化建筑的通风质量。相关资料显示,自然通风型双层玻璃幕墙与传统的单层玻璃幕墙相比,采暖时可以节约能源42%~52%,制冷时可以节约能源38%~60%。4.6双层玻璃幕墙内的空气上述促进建筑自然通风的方法如果可以有效地结合在一起,在建筑中得到综合运用,那么无疑会使自然通风的效果很大的提高,更有效的节约能源。日本东京学者对一幢8层的建筑原型进行了研究,该建筑北面设有通风中庭,南面利用双层玻璃幕墙与烟囱相结合的方式进行有效的自然通风。而建造在双层玻璃幕墙之上的烟囱其北面是具有蓄热墙体的(称为太阳能烟囱),这样可以利用太阳辐射得热使得烟囱内的空气温度升高以增加烟囱效应,从而也促使双层玻璃幕墙内空气的流动。这样一来,整个建筑物的通风过程是首先空气由北面的通风中庭进入,然后通过各层居住空间进入双层玻璃幕墙内的通道,空气再往上走通过烟囱排出室外。实验研究还认为要达到最好的通风效果,每层通风中庭和居住空间的开启面积不能小于2m2,而太阳能烟囱的高度也必须是建筑层高的两倍。5自然风限制5.1降温建筑的选择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。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。5.2自然通风措施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。但对于室外环境中空气温、湿度比较温和适宜的地区(如英国),该技术被广泛应用而且非常成熟。5.3室外空气好根据目前的一些标准要求,采用自然通风的