自然通风在建筑设计中的应用

自然通风在建筑设计中的应用
论文导读：其中的2／3－3／4可通过正确的、理想的建筑节能措施节省下来。

实现方法，自然通风在建筑设计中的应用。

关键词：建筑自然通风，节能，实现方法
伴随我国建筑技术的逐渐进步和不可再生能源的日益匾乏，建筑的高能耗问题越来越凸显出来。

尤其是随着居住条件的不断改善以及人们对居住环境热舒适度要求的提高，空调能耗在建筑能耗中所占的比例也相应增加。

家庭空调耗电量约1127KW／年，且我国的能源利用率较低。

1995年我国的能源利用率只相当于经济合作与发展组织成员70年代后期的水平。

在发达的工业化国家40％的能源是在建筑中消耗的。

据专家粗略估算，其中的 2／3－3／4可通过正确的、理想的建筑节能措施节省下来，由此建筑节能设计受到越来越多的重视。

近年来，在对节能技术广泛和深入研究的基础上，一些国家的建筑师们在一系列建筑创作中做出了探索和实践，自然通风（ Natural Ventilation）中机械辅助式自然通风是一项成熟而低廉的技术措施，在建筑设计中应充分、合理地加以使用。

一、自然通风的实现方法自然通风是一种比较经济的通风方式。

它不消耗动力也可获得较大的通风换气量，简单易行，节约能源，有利于环境保护，被广泛应用于工业和民用建筑中。

所谓自然通风，其共同的特点是：依靠室外风力造成的风压和室内空气温度差造成的热压使空气流动，以达到供给室内新鲜空气和稀释室内气味和污染物，除去余热、余湿的目的。

自然通风按工作原理可分为：热压作用下的自然通风、风压作用下的自然通风、热压风压共同作用下的自然通风，按通风方式可分纯自然通风和机械辅助自然通风。

采用自然通风取代空调制冷技术至少具有两方而的意义：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，带走潮湿污浊的空气，改善室内热环境。

二是可提供新鲜、清洁的自然空气，有利于人体的生理和心理健康。

1、热压作用下的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，不考虑室外风压作用来实现建筑的自然通风。

热压通风是由于存在室内外温差和进排气口高差，利用空气密度随温度升高而降低的性质而进行的一种通风方式。

在建筑物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物底部被吸入。

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。

影响热压通风的主要因素是：窗孔位置、两窗孔的高差h和室内空气密度差。

在建筑设计中，一般可利用建筑物内部贯穿多层的竖向井洞，如楼梯间、中庭、拔风井、管道井等满足进排风口的高差要求，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。

相比较风压式自然通风，热压式自然通风更能适应常变的外部风环境。

2、风压作用下的自然通风自然通风最基本的动力是风压和热压。

在风资源丰富的地区，如我国西北地区以及一些特殊地段，风压可作为实现自然通风的主要手段。

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在我国大量的空调建筑中，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，是一种常用的处理手段。

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当空气流吹向建筑时，由于受到建筑的阻挡，建筑物四周室外气流的压力分布将发生变化，迎风面气流受阻，动力降低，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所决定的空气动力系数的有关。

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。

由风压促成的气流可以穿过整个房间，通风量大大超过热压促成的气流，这是夏季组织通风的主要方式。

另外根据伯努利流体原理，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。

3、风压与热压共同作用实现自然通风
在建筑的自然通风设计中，建筑物受到风、热压同时作用时，外围护结构上各窗孔的内外压差就等于各孔的余压和室外风压之差线性叠加。

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。

4、机械辅助式自然通风在大型公共建筑中，通风路径较长，空气流动阻力较大，单纯依靠自然风压与热风压往往难于实现自然通风。

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在一些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的污浊空气和噪声带入室内，不利于人体健康。

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在这种情况下，常常采用一种机械辅助式的自然通风系统。

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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（如土壤预热、预冷、深井水换热等等），并借助一定的机械方式加速室内通风。

二、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。

三、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、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。

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。

根据测定，当开口宽度为开间宽度的1／3～2／3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。

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。

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：⑴、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。

⑵、“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，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，配合其他措施，利用自然风压实现了建筑内部的通风。

⑶、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。

某市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。

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。

5、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。

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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。

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50％，在制冷时节约能源40％-60％，是解决建筑节能的一个新的方向。

6、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。

四、结束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：住宅楼的设计，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。

参考文献： [1]刘小虎．从自然通风到到多样化的生态建造体系，武汉大学学报（工学版）2004，4，37－2. [2]ANSI/ASHRAEStandard62-
2001,VentilationforAcceptableIndoorAirQuality：3 [3]高云飞、孟庆琳，一种生态建筑技术――自然通风，生态科学，2003，22（1）。