生态建筑中的自然通风技术

生态建筑中的自然通风技术

风是人类栖息地的生态因素。它可以减少能源消耗，减少污染，改善空气质量和人类舒适度，为居民和用户提供良好的生活和工作环境。在炎热地区的建筑中,自然通风降低室温,驱除异味,保持房间空气新鲜,是实现生态建筑的重要手段。1空气流进入开口的压力差在建筑中,自然通风主要是靠建筑物的一些开口(门,窗等)和空间组织(过道,中庭,天井等)来实现的,如果建筑物的开口两侧存在压力差Δp,空气就会在这个压力差的作用下产生流动,空气流过此开口时所受到的动力也就等于Δp。其中:v—空气流过窗孔时的流速;ρ—空气的密度;形成这种压力差主要有风压和热压两种方式,两种作用都有着不同的机理与作用方式,建筑物的通风效果却往往是两种作用综合作用的结果。1.1风机通风实验风压是指空气流受到阻挡时产生的静压。当风吹过建筑物时,由于建筑物的阻挡,迎风面气流受阻,静压增高;侧风面和背风面将产生局部涡流,静压降低。这样便在迎风面与背风面形成压力差,室内外的空气在这个压力差的作用下由压力高的一侧向压力低的一侧流动。建筑物四周的风压分布与建筑物的几何形状和风向,风速等因素有关。风向一定时,建筑物外围结构上某一点的风压值可以用下式表示:其中空气动力系数k与建筑物的形状和风向等有关,要通过风洞实验来进行求得。所以通常对建筑物进行风洞实验来检验风压作用下的通风效果。风对建筑物产生的作用力可以分解成一个水平的阻力和一个垂直的升力.对风压的利用往往是利用水平方向的阻力来设计和组织通风的。在设计时,建筑师们需要充分考虑建筑物的朝向,以争取自然通风,尽量将窗布置在主导风向,前后有窗,以形成穿堂风(crossventilation)。表1是Fordham.M对某一欧洲建筑关于穿堂风与单侧通风情况通风率的比较,可以得到穿堂风房间每小时的通风换气次数最高可以达到200多次,而单侧通风的房间的每小时的通风换气次数却只相当于穿堂风房间的五分之一。垂直方向的力会产生伯努力(Bernoulli)效应。例如进风面的斜屋顶,它所形成了巨大的抽吸力(suction),这种形式的屋顶起到兜风的作用。风压引起的另一个效应就是文丘里(Venturi)效应,气流流动时,会因为空间的收缩而引起加速,于是收缩段形成负压区。我国传统民居中常用的厅堂与过廊的转换及在排风出口设置的风塔(windtower)都是利用文丘里效应来通风。所以建筑师对空间大小的错落变化的设计不仅丰富了建筑物的空间结构布局也为室内空气的流动提供了加速装置。图1中这座大楼中,不仅房间进深小,利于形成穿堂风,并且在热源处设置了通风塔以形成负压区,创造出强大的抽吸力,使空气通过风塔排出。同时通风塔具有较高的高度,又产生了烟囱效应,所以排风效果很好。1.2余压、中和面由于建筑物内外空气的气温差产生了空气密度的差别,于是形成压力差,驱使室内外的空气流动。室内温度高的空气比重小而上升,并从建筑物上部风口排出,这时会在低密度空气原来的地方形成负压区,于是,室外温度比较低而比重大的新鲜空气从建筑物的底部被吸入,从而室内外的空气源源不断地进行流动,见图2。人们形象的称这种由于热压而引起的自然通风为“烟囱效应”(stackeffect)。空气的温度差和窗孔之间具有高差是实现热压通风的必要条件,没有温度差或者高差都不会产生热压作用。余压与中和面是与热压作用相关的重要概念。室内某一点的空气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。在图3中余压值从进风孔a的负值逐渐增大到排风窗口b的正值。在a-a平面上,余压等于零,这个面称为中和面。建筑师们在设计中采用烟囱,通风塔,天井,中庭等多种形式为自然通风创造了条件。在图4中,建筑师将建筑入口和楼梯间设计成一个圆柱形的玻璃通风塔,风从四周的外墙进入,在建筑内升温后从玻璃塔的上部排出。很有特色的是,由于玻璃塔对太阳光热的吸收与透过,使塔内的空气进一步升温,提高了通风塔内空气与室内外空气的热压差,从而带动了各楼层的空气循环,使整栋建筑具有良好的通风效果。在RWEAG这个多层的办公大楼当中具有一个通风竖井(ventilationshaft),由于烟囱效应,空气从通风竖井的地底部流入,从竖井的顶部流出(见图5)。但是,这样的流动未必能使全楼得到很好的通风换气。在解决这个问题的时候,设计者在通风竖井(centralventilatingshaft)的上部巧妙地设计了一个凸面的圆盘,这样便形成了文丘里效应,由于文丘里效应产生的负压,提高了中和面的高度,使得排风口以下基本处在负压区内,这样便使自然风能够在楼房的整个高度上进风,使整栋楼房都接受到新鲜的空气。1.3风压作用与风向的影响建筑中的自然通风往往是风压与热压共同作用的结果,只是各自作用的强度不同,对建筑整体自然通风的贡献不同。由于风压作用受到天气,环流,建筑形状,周围环境等因素的影响,具有不稳定性,所以在与热压同时作用时可能还会出现减弱通风效果的情况。由图6可见,当风向与热压作用的流线相同时,自然通风将相互促进;反之,相互减弱。2小区和建筑单体设计自然通风容易受到外在因素的影响。建筑物会由于周围环境的地形起伏、水陆分布、绿化等状况,而受到水陆风、山谷风、林原风、街巷风、天井风、庭园风等地方风的影响,于是在进行小区和建筑单体设计是就要充分考虑如何利用这些地方风和如何防止这些风所带来的危害。2.1适时通风通风不同的气候的地区对自然通风的要求是不同的,对于湿热的南方地区,如我国的广州地区,在设计中不仅要尽量组织自然通风,同时要进行间歇通风,以防止“泛潮”时期引起室内湿度的增加。此外,对于离海洋远或有山岭阻挡的地方,可在中午前后,把大部分门窗关闭,防止室外的热流进入室内,而在早晚打开门窗进行通风换气。所以利用自然通风要充分考虑建筑物的周边环境及其特殊的气候。2.2建筑间距的确定在设计中要尽量使房屋的纵轴垂直于夏季主导风向,以获得良好的通风效果;同时建筑物之间适当的间距与合理的楼群布局也是非常重要的。一般来讲,在综合考虑了风向投射角与房间中风速、风场和涡漩的关系上,房屋间距应该为0.7～1.1H(H为楼房的高度)。同时,建筑群的平面布局以错列式和斜列式较好。2.3调节自然通风例如开口的位置不同会影响室内风的流场的分布,同时窗的檐口出挑的大小,窗扇的开启方式与开启角度,遮阳板与百叶的形式等对自然通风都有较大的影响。2.4室外的绿化可以改变流进气流的状况。当风流过室外的绿化带时,风可以被降温,减弱风速,同时可以改变风的流动的路线,这在南方引凉风入室中有很有价值的作用。2.5机械装置对自然风的作用由于风在高大室内空间流动时,会与空间内设有的各种各样用途的设施与设备和墙壁等接触撞击,使风消耗很多的能量,仅仅靠风力与建筑物所形成的压力无法使建筑物完成良好的自然通风,便要借助机械装置对自然风提供动力,见图7。这种混合式的自然通风(mixed-modeventilation)是进风口和出风口的被动式通风与风机的抽吸形成的主动压差式通风相结合的结果。3自然通风系统的作用自然通风已经成为生态建筑中的一项重要内容,越来越受到建筑师与居