自然通风在建筑中的应用

1、自然通风的简介及其在建筑中的应用简介摘要：在建筑设计中通过引入自然风方式加强人与自然的联系，提高人们的生活质量和环境质量，以节约建筑能耗，保护人类身心健康。使人类与自然相近、相亲、相融。 关键词：自然通风；建筑；热压;风压 前言： 随着空调技术的不断发展，人们越来越能主动的控制室内环境，创造前所未有的室内舒适气候要求，从而使人们逐渐淡化对自然通风这种气候适宜性技术的应用。然而，在今天全球能源紧张、节能压力增大、空气品质（IAO）恶化以及建筑综合征（SBS）等发生的情况下，全球的科学家不得不重新审视自然通风技术。在这样的背景下，把自然通风这种建筑生态技术引入现代建筑中，有着重要的意义。一 空气流

2、动原理空气总是从高压区流向低压区，导致自然气流的原因有自然风和对流。大气环流 太阳辐射、地球重力和地球自转共同造就了这个星球上常年不衰的自然风。赤道地区温度高，热空气上升，极低地区温度低，冷空气下降，形成环流。不过，地球径圈方向的环流不止一个，而是有三个，各个环流并不相互孤立。这些环流在地球自转惯性力的影响下，方向发生偏转，形成了低纬度地区的信风带和高纬度地区的西风带。由于海陆间热力效应，亚洲大陆季风现象明显。季风的特点是大范围盛行，并且风向随季节有明显变化。以我国为例，长江以南、华北和东北部分地区都处于季风区，夏季盛行东南季风，冬季盛行西北风。我国的建设活动，大多都发生在季风地区。自然风和对

3、流自然风和对流是自然通风的驱动力，其中，自然风带来的通风强度要远高于对流。如果自然风在建筑物的不同开口处造成的气压不同，就能在建筑内部形成气流，气流的强度和方向受建筑物开口大小和位置的影响。对流是由冷热空气密度不同而产生的，当建筑物与室外存在温差时，就可以形成对流通风。对流通风强度较弱，但是能够在无风天气里实现通风。 近地气流 地面约2千米厚的大气层，通常被称为边界层或摩擦层，这层大气的气流受地面影响很大，多湍流，气象复杂。由于受到地面各种阻碍物的作用，边界层中风速随高度增加而增加，风向也在地球自传惯性力作用下发生偏转。局部地貌 建筑师和规划师通常从风玫瑰图获取有关的信息。需要注意的是风玫瑰图

4、的数据往往在开阔地采集，由于受到局部地貌和微气候的影响，建筑物所在位置的气流情况可能与风玫瑰图的描述有显著差异。建筑物附近的树木和其他结构都会影响该地的风向和风速。二 自然通风方式自然通风主要通过建筑上有目的的开口产生空气流动，而这种空气流动主要是在压差的作用下进行的。压差是动力，各开口则决定了阻力。根据压差的形成机理不同自然通风可分为以下几种。1 热压作用下的自然通风在外围护结构的不同高度上设有窗孔a和b，两者的高差为h。假设窗孔外的静压力分别为Pa、Pb，窗孔内的静压力分别为Pa、Pb，室内外的空气温度和密度分别为，和，。g h (- ) 称为热压。如果室内外没有空气温度差或者窗孔之间没有

5、高差就不会产生热压作用下的自然通风室内某一点的压力和室外同标高未受扰动的空气压力的差值称为该点的余压。仅有热压作用时，窗孔内外的压差即为窗孔内的余压，该窗孔的余压为正，则窗孔排风；如该窗孔的余压为负，则窗孔进风。如果以窗孔a的中心平面作为一个基准面，任何窗孔的余压等于窗孔a的余压和该窗孔与窗孔a的高差和室内外密度差的乘积之和。该窗孔与窗孔a的高差h愈大，则余压值愈大。室内同一水平面上各点的静压都是相等的，因此某一窗孔的余压也就是该窗孔中心平面上室内各点的余压。余压值从进风窗孔a的负值逐渐增大到排风窗孔b的正值。在O-O平面上，余压等于零，这个平面称为中和面。位于中和面的窗孔上是没有空气流动的。

6、某一窗孔余压的绝对值与中和面至该窗孔的距离有关，中和面以上的窗孔余压为正，中和面以下的窗孔余压为负。2 风压作用下的自然通风某一建筑物周围的风压分布与该建筑的几何形状和室外的风向有关。风向一定时，建筑物外围护结构上某一点的风压值可用下式表示： K称为风压系数或空气动力系数。K值为正，说明该点的风压为正值，K值为负，说明该点的风压为负值。不同形状的建筑物在不同方向的风力作用下，风压系数分布是不同的。风压系数要在风洞内通过模型试验求得或通过计算流体力学 (CFD) 模拟计算获得。同一建筑物的外围护结构上，如果有两个风压值不同的窗孔，风压系数大的窗孔将会进风，风压系数小的窗孔将会排风。如果建筑处在风

7、速为w的风力作用下，由于，没有热压的作用。在风的作用下，迎风面窗孔的风压大于背风面窗孔的风压。因为没有热压的作用，室内各点的余压均保持相等。如果只开启迎风窗a，关闭背风窗b，不管窗内外的压差如何，由于空气的流动，室内的余压逐渐升高，当室内的余压等于迎风窗的风压时，空气停止流动。如果同时打开背风窗,由于室内余压高于背风窗外风压,空气将从背风窗流出。随着空气的向外流动，室内的余压下降，这时，室外空气由迎风窗流入室内。一直到迎风窗的进风量等于背风窗的排风量时，室内余压才保持稳定。3 风压和热压共同作用的自然通风某一建筑物受到风压热压的同时作用时，外围护结构上各窗孔的内外压差就等于各窗孔的余压和室外风

8、压之差。窗孔a的内外压差为： 窗孔b的内外压差为：三 自然通风的优势与局限1 自然通風的优势自然通风最明显的优势就是能耗极低，尽管如此，也不能忽视其在空间效率和舒适度方面的优势。降低能耗自然通风完全依靠自然力来实现，与机械通风和降温相比，自然通风消耗的能源可以忽略不计。不仅如此，自然通风的初期投资和运行成本都远低于机械通风。以长远的眼光看，提高能源效率与减少开支、减少碳排放是高度一致的。 自然通风，主要通过建筑设计来实现，无需庞大的设备和管道, 提高空间利用率。用于实现自然通风的构件，大约仅占楼层建筑面积的0.3%左右。考虑到这些构件往往具有多重功能，比如窗户即能采光，也能通风。因此，这些占用

9、的面积几乎可以忽略。然而，典型的机械通风系统要占用楼层面积的47%，此外，通风管道还会占用约层高的15%。如果采取自然通风策略，可以节省出可观的建筑面积和空间，让室内空间更加宽敞。虽然自然通风和机械通风都能起到换气和降温的效果，但是机械通风无法与微妙的自然风媲美。尤其是在夏季，拂过阵阵凉风，让人精神振奋。自然通风往往能够与自然采光很好的结合起来，与室外景色的联系还增加了室内人员的愉悦之情。提高工作效率带来的经济收益，通常大大超过用于改善室内环境的开支，但是这一点却经常被忽视。2 自然通風的局限自然通风依靠自然力来实现，通风时段和通风强度都不能随心所欲。 自然通风依赖自然力，不完全受人控制，不过

10、换句话说，自然通风同时摆脱了对电力的依赖。人类已发明出一些被动式设施，用于控制和促进自然通风。在许多建筑中，人们安装风扇来辅助自然通风。受室外空气质量制约当室外空气质量恶化时，自然通风就变得不那么受欢迎了。虽然可以利用植被和纱窗减少一部分飞尘，但是在自然通风过程中，空气不能有效的被过滤。尤其是那些对室内空气质量要求极高的建筑，比如精密实验室，需要过滤进入的空气，并保持室内正压。所幸，这种情况所占比例非常小。四 自然通风在建筑中的应用1 屋顶的自然通风在炎热地区，屋顶的得热量是不容忽视的，尤其对顶层住户产生极大的影响。对屋顶适当的采取自然通风的措施，能有效的利用风的流动，带走蓄积于屋顶的热量。通

11、风隔热屋面，通常有以下两种方式：（图4） （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。2 通风墙体通风墙体即将需要隔热的外墙做成带有空气间层的空心夹层墙，并在下部和上部分别开有进风口和出风口。通风间层厚度一般为30100。夹层内的空气受热后上升，在内部形成压力差，带动内部气流运动，从而可以带走内部的热量和潮气。外墙加通风间层后，其内表面温度可大幅度降低，而且日辐射照度愈大，通风空气间层的隔热效果愈显著，故对东西向

12、墙更为明显。（图5）是通风墙体的示意图和典型构造做法。国内已经有了对通风墙体探讨的实例，并取得了一定的经验。在北京锋尚国际公寓中通风墙体得到了尝试应用。建筑外墙在EPS聚苯板与具有遮阳功能的瓷板幕墙之间形成流动的空气层，利用热压的原理在空气层内部实现自然通风，流通的气流可以带走空气间层的热量，实现为围护结构降温；同时还带走了间 4 层内部的水蒸气，保护了保温层。（图6）3 双层玻璃幕墙双层幕墙又称“会呼吸的皮肤”，由内外两道幕墙组成（图7a）。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，利用“温室效应”，提高围护结构表面的温度；夏季，打开进出风口，利

13、用“烟囱效应”在空腔内部实现自然通风（图7b）。为了更好的实现隔热，通道内一般设置有百叶等遮阳装置（图7c）。双层玻璃幕墙在保持外形轻盈的同时，能够很好的解决高层建筑中过高的风压和热压带来的风速过大的问题，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4252，在制冷时节约能源3860，是解决建筑节能的一个新的方向。4 通风中庭目前，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。我们可利用建筑的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

14、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。5 风塔早在几千年前，风塔就在古埃及得到流行，如今在中东地区，仍然可以见到它的踪影。风塔由垂直竖井和风斗组成。在通风不畅的地区，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

15、实现了建筑内部的通风6 拔风井拔风井利用烟囱效应，造成室内外空气的对流交换。英国诺丁汉大学朱比丽分校是一个成功的生态建筑案例。如图（11）在建筑中结合楼梯间设计，在顶部集成机械抽风和热回收装置，完成建筑的通风。在机械的辅助下，充分利用“烟囱效应”在建筑内部形成自然风循环。新鲜的空气通过处于风塔上部的机械抽风装置被引入到风道中，然后进入到各层楼板的夹层空间，进而进入到室内；而废气通过走道和楼梯间的低压抽风作用，最终又回到风塔上部，再经过热回收或蒸发冷却装置，通过风斗排出。7 太阳能强化自然通风加热采热构件，并使建筑内部的空气上升，形成热压，引起空气流动。下图为尝试设计的某太阳能办公楼方案。方案在西侧设置了太阳能通风井。通风井受太阳辐射温度升高，内部空气上升并从上部开口排出，在井内形成负压，迫使各层走道的空气流向通