自然通风技术概述

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1、自然通风技术概述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，通来实现良好的自然通风效果。过中庭、双

2、层幕墙、风塔、门窗、屋顶等构件的优化设计，ij冷。自然通风可在不消耗制口内热环境。二是1方方不可再生能源情况下降低室内温 00叮DD采用自然通风取代空意义:、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康。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

3、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

4、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

5、. 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特福 德大学女王馆就是这方面的一个优秀实例。建筑师肖特和福特将庞大的建筑分成一系列小体块,既在尺度上 与周围古老的街区相协调,又能形成一种有节奏的韵律感,同时小的体量使得自然通风成为可能。位于指状分 支部分的实验室、办公室进深较小,可以利用风压直接通风;而位于中间部分的报告厅、大厅及其它用房则更 多地依靠“烟囱效应”进行自然通风 。同时,建筑的外维护结构采用厚重的蓄热材料,使得

6、建筑内部的得热量 降到最低。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于实现自然通风。 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。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。5. 双层维护结构 双层维护结构是当今生态建筑中所普遍采用的一项先进技术,被誉为“可呼吸的皮肤”。双层维护结构一般由 双层玻璃或三层玻璃组成,在两层玻璃

7、之间留有一定宽度的空隙形成空气夹层,并配有可调节的深色百页。在 冬季,空气夹层和百页可以形成一个利用太阳能加热空气的装置,提高建筑外墙表面温度,有利于建筑的保温 采暖;在夏季,则可以利用热压原理将热空气不断从夹层上部排出,达到降温的目的。对于高层建筑来说,直接 对外开窗容易造成紊流,不易控制,而双层维护结构则能够很好的解决这一问题。建筑设计与自然通风自然通风效果与建筑构件(窗、门、墙体等) 有着密切关系。我们在建筑结构设计时应考虑充分利用自然通 风。1. 双层玻璃幕墙(double2skin facade)在欧洲,采用玻璃幕墙的建筑很流行,为减少夏季空调的冷负荷,需要遮阳设备。研究表明,采用外

8、遮阳设备比 内遮阳设备节能效果更佳,但外遮阳设备投资大且影响美观。于是发展了双层玻璃幕墙,双层玻璃之间留有较 大的空间,常被称为“会呼吸的皮肤”。有时可将房间的窗户开向墙穴。在冬季,双层玻璃间层形成阳光温室, 提高建筑围护结构表面温度;在夏季,可利用烟囱效应在间层内通风。玻璃幕墙间层内气流和温度分布受双层 墙及建筑的几何、热物理、光和空气动力特性等因素的影响。CFD和network方法的模拟结果表明，该结 构可大大减少建筑冷负荷,提高自然通风效率 。双层玻璃幕墙具有如下优点:避免开窗带来的对室内气候的 干扰;使室内免受室外交通噪声的干扰;夜间可安全通风。然而由于大量使用玻璃，夏季会增加太阳辐射

9、得热 而使夹层内的温度很高，引起能耗增加，甚至导致办公室过热。所以为减少其带来的不利影响，内层可采用浅 色玻璃，间层内设置窗檐， 但应注意窗檐、风口、窗户的合理安装 。2. 窗户大多数情况下，自然通风系统中以窗户来充当风口，窗户的形式、面积大小及安装位置影响通风效率、室内气 流组织和室内热舒适。 Per Heiselberg 等人研究了不同类型窗户的通风特性，认为对于单侧自然通风、贯流 通风或热压驱动的自然通风来说，在冬季最好选择底悬式窗户，在夏季最好选择侧悬式窗户。窗户的通风系数 Cd 随着开口面积、窗户类型和室内外温差的变化而变化，不能认为是常数，仅当开口面积较大时，通风系数才 近似等于

10、0. 6 。3.中庭 高层建筑可利用中庭的热压作用实现自然通风，德国法兰克福商业银行总部大楼便是成功的一例 37 。有 中庭的建筑越来越多，但大多为封闭式，设计的目的主要是采光。4.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。5.屋顶 屋顶的形状影响室外风压，从而影响自然通风效果。可采用翼形屋顶以便形成高压区和低压区。用 CFD 方 法和实验方法研究了自然通风建筑中，屋顶形状和屋顶高度对自然通风情况下的室内气流分布和室内气流 流速的影响。自然通风与机械通风不同,它受气候、建筑周围的微环境、建筑结构及建筑

11、内部热源分布情况的强烈影响, 所以它的设计是与气候、环境、建筑融为一体的整体设计。其整体设计步骤如下。1. 确定气候的自然通风潜力自然通风潜力（NVP），指仅依靠自然通风就可确保可接受的室内空气品质和室内热舒适性的潜力。根据建筑 所在地区的宏观气候条件,如宏观风速分布和风向（风玫瑰图） 、宏观气温分布、太阳辐射照度、室外空气湿 度等来确定该地区气候的自然通风潜力。在确定自然通风方案之前,有必要收集建筑所在地区的气象参数逐 时变化情况资料并进行分析。2. 确定建筑微环境的自然通风潜力 根据建筑微环境如建筑周围风速分布及气温分布、城市地形与布局（建筑平均高度、建筑分布情况、街道的 布局、植被分布等

12、） 、建筑内部布置、建筑高度、室外噪声水平、室外污染等来确定建筑微环境的自然通 风潜力。建筑微环境对自然通风的影响很复杂,目前这方面的研究较少。3. 预测自然通风驱动力,确定自然通风方案 根据建筑周围微环境和建筑内部情况（如热源分布、房间大小、房间的布置、内隔断、房间的位置等） 预测 自然通风驱动力,确定自然通风方案和设计气流路径。一般情况下,自然通风驱动力是很小的,自然通风系统 中风口两侧的压差一般小于10 Pa ,而机械通风系统风口两侧压差为100Pa。当预测的自然通风驱动力很 小时,就需考虑是否可以通过改变建筑设计方案,如用双层玻璃墙,或设计为中庭式建筑,或改变窗户形式、位 置及大小等,

13、或采用风机辅助式自然通风。文献41 从房间的进深( d) 与高度( h) 的关系考虑,认为当 d = 2 h 时 , 采用单风口单侧通风较好; 当 d = 2. 5 h 时, 采用两风口单侧通风较好 ; 当 d = 5 h 时 , 采用贯流通 风较好。4. 根据设计要求和设计参数选择通风设备和确定通风设备的安装位置与大小 自然通风的设计要求和设计参数与机械通风有很大的差别,因为在自然通风环境中,人们能够忍受较大的温 度波动范围,而这个温度范围已超出了 ASHRAE 55 1992 标准的规定值,所以应制定适合于自然通风的设 计标准。目前还没有较完整的自然通风设计指南或手册,而且目前的研究成果还

14、远远不能满足自然通风设计 的要求。自然通风设备主要指户、风口、排风竖井、天窗、门及风机等。窗户、风口的形式和安装位置是 影响自然通风效率的关键因素。目前已研究出了适合于自然通风的自控型通风口。5. 控制系统的设计 因为影响自然通风的各种因素是动态变化的,所以自然通风是一个动态变化过程,如何在自然通风的动态变 化过程中保证室内的热舒适性呢? 控制系统应起关键作用。自然通风控制系统一般包括手动控制和自动控 制。手动控制以保证不同人的实际需要,增强了人控制环境的自主能动性。自然通风的控制主要是对风口的 控制。但如果是风机辅助式自然通风(混合通风) ,则还须控制风机的启停,控制问题变得复杂。6. 评估

15、设计方案并作修改 评价一个设计方案的优劣,首先应确立一个评价标准。自然通风系统评估标准应与机械通风系统评估标准有 所不同。在评价一个机械通风方案时,通常确定一些指标,如通风效率、空气龄,那么在评价一个自然通风方 案时,应确立什么样的评价指标呢? 这有待于进一步的探讨。总之,自然通风系统的设计应从动态和整体的观 念出发,与建筑结构设计密切配合,需建筑师、土木工程师、建筑设备工程师及电力控制师甚至房主的参与, 未来建筑物的整体设计将越来越重要。另外,自然通风系统的两个重要设计参数,即通风量与室内温度相互影 响,故其设计还需借助于一些设计和分析工具。高层建筑中的自然通风问题 与多层建筑的自然通风相比

16、,高层建筑的自然通风有其特殊性。风压在垂直方向的分布有利于高层建筑的自 然通风,但过高的风压却会使建筑的门窗难于开启,也给建筑室内的使用带来不便,而且在冬季会带走大量的 热能,不利于保温要求。而太高的中庭空间则会形成过大的热压,如不能有效控制,则会产生强烈的紊流,甚至 在底层进气口产生令人不安的啸叫。根据凡丘里现象:当流动的空气暂时遇到压缩时,例如空气进入一个漏斗 型的通风井口时,受压缩的气流速度加快,气压降低。当建筑中设有导风墙时,导风墙可以在平面上被看作是 一个漏斗,门窗则被视为进风口。杨经文设计的马来西亚槟榔屿州 Menara Umno 是第一个利用自然通风来创造舒适室内环境的高层建筑。 由于气候湿热,为了获得舒适的内部环境,需要一个较高的空气交换率。因此,为了引入自然风,在开口处采用 了“风墙”体系。将“风墙”安排在有通高推拉门的阳台部