自然通风设计通用流程初探

自然通风是一种不需要消耗人工能源，完全由自然力驱动的被动式通风方式。

应用自然通风技术的意义在于三方面：一是可以减少机械通风带来的能源消耗；二是提供较好品质的空气；三是可以清除潮湿和污浊的空气，给人体带来更好的热舒适感受。

自然通风这种生态建筑技术，越来越受到重视，出现了大量案例研究［１－３］。

但是，这些文献过多地强调个案特征，并没有明确提出通用的、系统的自然通风设计流程，其他设计人员往往无法在自己的项目中入手。

针对这个问题，本文在总结分析大量研究文献的基础上，提出“自然通风设计通用流程”的概念。

自然通风与机械通风不同，它受气候、季节、建筑周围微环境等因素的影响。

此外，需要借助相应的辅助设备加强自然通风效果。

最后，自然通风在使用时，需要进行控制优化，以便达到最佳的通风效果。

以上诸多因素表明自然通风是一项多学科共同操作的建筑技术。

有鉴于此，自然通风整体设计步骤如下：
１）　气候潜力分析与气候设计策略首先，在确定自然通风方案之前，必须收集目标地区的气象参数，进行气候潜力分析。

自然通风潜力指仅依靠自然通风就可满足室内空气品质及热舒适要求的潜力。

然后，根据潜力，可定出相应的气候策略，即风压、热压的选择及相应的措施。

２）　建筑周围微环境预测与优化确定气候潜力后，设计人员需对建筑周围的小环境进行优化设计。

如调节建筑的布置及增加植被绿化。

３）　风压与热压的设计与利用风压与热压是自然通风最主要的驱动力。

根据建筑周围小环境和建筑内部情况，如房间的位置、房间大小、热源分布、内隔
断等，预测自然通风的驱动力，确定自然通风方案，预测换气量。

自然通风设计通用流程初探
殷维张国强徐峰吴加胜
作者单位：湖南大学土木工程学院（长沙，４１００８２）收稿日期：２００８－０７－１５
摘要／提出自然通风设计通用流程的概念，以此流程为设计人员提供了一套通用完整的设计思路，流程包括气候潜力分析及策略、建筑周围微环境优化、风压与热压的合理利用、通风设备选用、系统控制、效果评估等６个环节及其中的设计要点，为最终制定自然通风设计标准与原则建立了基本的框架体系。

关键词／自然通风设计流程风压热压系统控制效果评估
ＡＢＳＴＲＡＣＴ／ This paper brings forward a concept of “universal process of natural ventilation design”, which p rovides a com-plete set of design t hinking line f or designers. The “universal process” includes six links as f ollows: analysis of climate po-tential and tactics; optimization of circum-building microenvironment; r easonable use o f wind p ressure and ther-mal pressure; selection of equipments; system control; and effect evaluation, etc. It further gives e ssential design points for each link, thus establishing a frame w ork for finally laying down design standard of natural ventilation.
ＫＥＹ　ＷＯＲＤＳ／ natural ventilation, design process, wind pressure, thermal pressure, system control, effect evaluation
４）　设备选型
确定使用风压或热压时，需选择相应的自然通风设备以增强通风效果。

自然通风与机械通风的区别在于，一般只能使用自然力驱动的通风设备，如天窗、风帽等。

５）　控制策略
因为各地区的季节更替，天气的瞬时变化，自然通风是一个动态变化过程，如何在动态变化过程中保证建筑的换气量与热舒适性，控制系统起到关键作用。

控制策略可分为季节、即时两种。

６）　方案评估
在确定以上５个步骤后，设计人员需要从节能、空气品质、热舒适三个方面对自然通风设计进行综合评估。

１ 气候潜力分析与气候策略１．１ 气候潜力
在使用自然通风之前，设计人员首先必须评估当地的使用潜力。

由于受气候的影响，研究人员提出自然通风潜力的概念，即某个地区一年中，有多少时间可以利用自然通风，热压与风压的使用比例，效果如何等。

自然通风潜力有多种评估方法［４］，本文中所引用自然通风潜力的定义与数据来自文献５［５］，其定义“通风利用率”为“全年能满足舒适性自然通风的时间比例”。

因为３０℃以上的空气难以降温至舒适范围，室外风速３．０ｍ／ｓ会引起纸张飞扬，所示“风压通风”的通风利用条件采取气温２０－３０℃，风速０．１－３．０ｍ／ｓ，湿度４０％－９０％的范围。

由于１２℃以下室外风气流难以直接利用，“热压通风”的通风条件设定为气温１２－２０℃，风速０．０－３．０ｍ／ｓ，湿度不设限。

根据以上条件，研究人员根据各地气候参数制作表１，其中灰色的区域表示通风利用率在２０％以上。

从表１可以看出，中纬度的温暖气候区、温和气候区、寒冷地区，更适合采用中庭、通风塔等热压通风设计，而热湿气候
“十一五”国家科技支撑计划项目（２００６ＢＡＪ０２Ａ０５）
ＥＣＯＬＯＧＩＣＡＬ　ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ
的通风一样有害无益，因此干热地区的自然通风和寒冷地区一样都需要减少通风量。

与寒冷地区不同的是，干热地区热压通风需要排除大部分太阳辐射，因此中庭在干热地区需要发挥“太阳烟囱”的作用，可以将高宽比设计的更大，从而充分利用烟囱效应来进行拔风。

另外干热地区空气干燥，湿度很小，需要在建筑内增加水体的设计并结合通风来进行蒸发制冷和增加湿度，同时充分利用夜间通风来降温。

３）　热湿地区
在湿热地区主要的通风方式是风压通风，建筑呈现出“开放式通风”特征。

民居多为大屋顶，架空的干栏式，再配合深深的挑檐用来遮阳和诱导通风。

通风策略以除湿为主要目的，降温则主要通过气流吹过人体产生蒸发散热来实现。

４）　温暖地区与温和地区
温暖地区与温和地区的舒适度比较高，适合采用热压通风。

可通过“烟囱效应”来进行自然通风。

位于英国莱彻斯特的德・蒙特福德大楼就是一个热压通风的经典范例。

这座建筑利用贯通３层的狭窄中庭并配合一些通风烟囱，充分发挥了烟囱效应的优势，使得这座建筑成为第一个以热压自然通风取代空调系统的案例，它低耗能而且
对环境影响也很小。

２ 建筑周围微环境预测与优化
评估完大环境的气候潜力，设计人员需要进一步预测与优化建筑微环境，如季节风向、温度变化、地形特征、周围建筑摆放等具体情况。

此步骤为下一步风压与热压的应用打下基础。

１）　建筑物朝向、间距与布局对风压的影响
由于大气气流不稳定，作用于建筑物表面风压的大小与方向总是不断地变化。

因此，在进行风压通风建筑布置时，应根据当地的主导风向进行设计。

从总图设计时，就需考虑建筑物的朝向和排列。

中国大部分地区的主导风向，夏季为东南风，冬季为西北风，所以坐北朝南的建筑更有利于风压通风。

建筑群错列、斜列的平面布局形式相对行列式更有利于自然通风［６］（图１、２）。

建筑背风面存在回旋气流区，此区域不利于风压通风，且此区域中的污染物浓度相对较高，应尽量避免将其他建筑摆放于此区域内。

对于建筑群，地形特征也会直接影响到建筑周围的气流走向。

２）　植被绿化与水体布置
植被对建筑通风的影响主要有两个方
区、干热地区更适合采用风压通风设计。

设计人员可以参考此图评估目标地区自然通风的利用率，即使不在此图上出现的城市，也可根据前面的风压、热压利用率的判定标准，结合当地的气象参数，进行评估。

在气候潜力的基础上，结合当地实际情况，就有自然通风气候设计策略。

１．２ 气候设计策略
在阐述自然通风的气候策略之前，需要了解两个概念，“必要换气量”与“舒适性通风”。

“必要换气量”是保证室内氧气充足，确保人体生命安全的必要通风量，即保证基本室内空气品质的换气量。

“舒适性通风”的概念则侧重于排除潮湿污浊空气，提供新鲜、舒适的自然空气，以便保证人体的热舒适性。

有鉴于此，根据不同气候区的特点应使用不同的通风设计策略。

１）　寒冷地区
在北方的寒冷地区，侧重于保温性与气密性，其通风量只需满足必要性换气量即可，因为过量的通风将会导致建筑大量失热，这一地区呈现出一种“封闭性的通风文化”。

建筑通常进行热压通风，不适合采用风压通风。

２）　干热地区
在干热地区，室外温度过高，过量
面：首先，树木等植被的布置对气流会产生一定的阻挡、导流与缓和作用；其次，植被本身对空气质量与热舒适性有较强的改善作用。

进风口附近的绿化，在夏季有明显的降温效果，水体有降温与加湿的作用。

３）　建筑风环境预测
有时，为了掌握目标地点的真实环境条件，可根据流体相似性原理进行风洞模拟，但成本较高。

另外，也可使用大气层边界经验公式进行预测［７］，但这种传统方法精度较低。

目前，研究人员已经使用Ｆｌｕｅｎｔ等ＣＦＤ（计算流体动力学）软件对建筑室外气流速度场、温度场等进行精度较高的预测分析［８］。

预测的结果，如建筑周围的压力场、温度场和速度场等参数，可作为设计人员确定风压和热压具体应用方案的判定依据。

３ 风压与热压的设计与利用
完成建筑周围的微环境的预测后，设计人员可决定使用风压或热压的具体方案。

风压与热压是自然通风的核心驱动力，两者可单独作用，也可共同作用。

方案确定后，同样需要使用实验模拟（如盐水实验）、公式计算、数值模拟等方法，以确定风换气量，再用这个值与通风量需求进行对比，以评估可行性。

确定方案后，进行风压与热压的具体设计。

３．１ 风压通风设计
当风作用建筑表面时，由于压力差，气流在建筑内部流过，这就是风压通风。

当外界风速较高时，可以通过调节开口开度，减
小通风量；但反过来，外界风速较小时，则
有可能无法满足建筑的通风量要求。

所以，
应该尽量减小建筑内部气流路径的阻力。

直接的手段是减短气流路径，如建筑穿堂
风设计。

一般情况下，建筑平面进深不超过楼
层净高的５倍（一般以小于１４ｍ为宜），而单
侧通风的建筑进深最好不超过净高的２．５
倍［６］。

建筑内部气流通道的设计原则是穿过
建筑物的气流路径尽量短，途经的障碍物
尽量少［９］。

３．２ 热压通风设计
热压自然通风又被称为“烟囱效应”，
其应用主要依靠建筑设计及通风控制技术。

热压换气量不足是最主要的问题。

理论模
型表明，热压产生的流量大小主要受室内
外温度差及进出风开口之间的有效高差影
响。

室内外温差与开口之间高差越大，则热
压产生的换气量越大。

在设计中，提高室内外温差的方法常
采用太阳烟囱，即通过玻璃幕墙利用太阳
光加热室内的空气，最终达到提高室内外
温差的目的。

通过通风塔、天井等建筑设
计，人为提高通风开口间有效高差，也是常
用的热压通风手段。

１）　太阳能强化自然通风
为了加强自然通风的抽风效果，经常
人为设计太阳采光烟囱。

玻璃幕墙是常用
的建筑形式［１０］。

图３左侧的墙采用透明玻璃
幕墙，阳光射入后，太阳烟囱内的空气被加
热，进而产生较强的热升力，最终将室内的
空气排出。

应特别注意，夏季需做好隔热与
遮阳措施，以防阳光对室内造成过大的温
升作用，增加空调负荷。

清华大学超低能耗楼通过楼梯间与通
风井道的组合进行自然通风［１１］。

通过自然
采光，室内空气温度被提升，最终将建筑内
空气“抽”出室外。

２）　中庭热压通风设计
中庭、天井等大空间建筑，是最常用的
热压通风建筑形式。

在建筑内部，一般由阳
光、人员、电器等组成热源，中庭正是利用
这些热源产生的热浮升力，将建筑内的气
流由下部开口吸入，由上部开口排出。

中庭
具有较大的热压作用高差，有利于提高通
风换气量。

如经典的莱彻斯特的德・蒙特福
德大楼（图４）。

３）　热压通风塔
同样，为了进一步增强热压通风效果，
特别是医院、车站、市政厅、学校、公共市
场等人流聚集的公共建筑，往往采用通风
塔，其实质依然是增加通风开口间的高差。

在很多实际情况中，经常同时运用太阳烟
囱与增加建筑高度两种手段。

英国国内税
收中心就是利用热压进行自然通风的。

设
计者设计了一组顶帽可以升降的圆柱形玻
璃通风塔，用作建筑的入口和楼梯间，玻璃
通风塔可以最大限度的吸收太阳的能量，
提高塔内空气温度，进一步加强烟囱效应，
带动各楼层的空气循环，实现自然通风。

热压设计虽然非常合理有效，但进行
ＥＣＯＬＯＧＩＣＡＬ　ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ
设计时，必须注意以下问题：夏季，室外需要有凉爽的气温，且需要有足够的室内外温度差。

热压通风设计一般尽量采取少间隔、大开窗的开放式设计，与气密性要求较高的空调设计正好相反。

然而，在泛亚热带地区，永远有一段必须使用空调的时期，如３０℃以上的夏日。

如果建筑在空调使用期间无法密闭，必然造成空调负荷增加，增加耗电量，导致得不偿失。

所以建议使用自然通风与空调混合设计，合理布置空调分区，以便切换两种空气调节手段［５］。

４ 设备选型
为了进一步加大风压的作用效果，设计人员需要借助风压通风设备。

利用风压的核心是合理的利用建筑各个方向上的压力差，风压通风设备正是局部利用风压的装置。

建筑物的迎风面呈正压状态，背风面与顶部一般呈负压状态。

在外界风的作用下，普通天窗迎风面的排风窗孔会发生倒灌，如果引入室内的气流风速大于３ｍ／ｓ时，将造成纸张飞扬，不利于工作与生活。

因此，为了保证天窗能稳定排风，不发生倒灌，在天窗上增设挡风板，以保证在任何风向下，天窗帽都处于负压状态，这种天窗称为避风天窗，传统风帽等风压通风装置的原理也是类似（图５）。

在此基础上，有人提出可对倒灌的气流进行控制，减速后再引入室内。

于是出现了一种有导向叶片的风帽。

风帽的进风口与出风口方向会随导向叶片的旋转而旋转，以保持进风口面向迎风面，出风口面向背风面（图６）。

５ 控制策略
在前面的设计步骤全部完成后，设计人员需要根据实际情况，制定合理的控制方法，以便保证系统运行的最佳效果，即自然通风控制策略。

在不同的季节有不同的使用策略，同一天的不同时刻也有不同使用方法［１３］。

５．１ 自然通风的季节策略
在很多地区，室外环境都存在明显的季节性差异。

在不同季节，建筑自然通风的控制策略都会发生相应的变化，不仅通风量会发生变化，通风方式也会有明显区别。

德国盖尔森基尔兴科技园的朝西的外廊式中庭存在冬夏两种不同的通风策略［１４］，中庭立面安装了可随季节变化调节的隔热
玻璃，幕墙底部的挡板可以像推拉窗一样
滑动。

夏季白天打开通风开口挡板加强通
风，并结合室外遮阳装置来防热（图７－１）；
在冬季白天，通风开口关闭，减小通风量，
撤除遮阳板，利用中庭的温室效应配合供
热系统一起保存热量（图７－２）。

５．２ 通风开口即时控制
即使在一天中，室内外的温湿度都会
发生较大的变化，所以需要对通风系统进
行即时调节。

例如，同样是德国盖尔森基尔
兴科技园的中庭，在夏季晚上，仅利用建筑
余热及室内热源进行热压通风，通风起到
通风与降温的作用（图７－３）。

目前，已经出
现自然通风即时控制系统，如考文垂大学
图书馆使用的一种“建筑能源管理系统
（ＢＥＭＳ）”，它会根据感应器所提供的室内
外气温、风强度和ＣＯ
２
浓度等信息来改变
通风开口闸门的开闭状态，控制自然通风
的使用。

５．３ 夜间通风
由通风开口即时控制思路，分析夏季
一天内的温度变化，得到一个常用的通风
策略“夜间通风”。

夜间通风是指在夏季的
夜间引入室外冷空气，通过冷空气与作为
蓄冷材料的建筑围护结构接触换热，冷却
建筑材料，达到蓄冷目的；在白天通过房间
的空气与建筑材料换热，将建筑材料中贮
存的冷量取出并释放到房间，实现抑制房
间温度上升的目的［１５］。

控制人员应该根据
室内外温湿度等参数来合理控制通风开口
的开关。

前文所述中庭热压通风设计中的
德・蒙特福德大楼实例中使用了夜间通风
控制策略。

６ 方案评估
在确定以上５个步骤后，需要对整个系
统的效果进行评估。

评估可从节能效果、室
内空气品质及热舒适性三个角度进行。

目
前，此环节尚处于研究阶段。

７ 总结
自然通风是一个跨学科的综合设计体
系，至今并没有一个统一的设计步骤或原
则。

本文提出了一套尝试性的设计流程，并
对其中的要点与原理进行阐述。

虽然明确了自然通风设计领域的６个
主要环节，但每个环节仍然存在若干未解
决的问题。

本课题将就这些问题进行深入
研究。

总之，自然通风设计应从整体的观念
出发，需要建筑师、设备工程师等技术人员
的密切合作。

未来建筑物的整体设计将越
来越重要。

■
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