利用热压促进自然通风_以张家港生态农宅通风计算分析为例_宋晔皓

利用热压促进自然通风

——以张家港生态农宅通风计算分析为例

宋晔皓

〔提要〕自然通风主要通过热压通风、风压通风或者二者的综合作用完成。热压通风可以应用在建筑密度较高,可能会遮挡风压通风的地方。经过分析比较,张家港生态农宅利用室内的文丘里管促进热压通风,本文对其通风效果进行了计算分析。

关键词:自然通风　热压　风压　文丘里管

1.促进自然通风的目的和作用

风能与太阳能、生物能等属于可再生的自然能源,如何利用风能是注重生态的建筑设计应该首先考虑的问题。而利用自然通风改善室内空气质量,改善人体的热舒适条件,是利用风能的一个典型例子。

建筑内部的通风条件是决定人们健康、舒畅的重要因素之一。它通过空气更新和气流的生理作用对人体的生物感受起到直接的影响作用,并通过对室内气温、湿度及内表面温度的影响而起到间接的影响作用。

通常认为,自然通风的作用具有三种不同的功能〔1〕:第一,健康通风,即保证室内空气质量I AQ;第二,热舒适通风,即增加体内散热,以及防止由皮肤潮湿引起的不舒适以改善热舒适条件;第三,降温通风,即当室内气温高于室外的气温时,使建筑构件降温。

上述各种功能的相对重要性取决于不同季节与地区的主导气候条件。其中健康通风的优劣可以用单位时间内的换气次数来表示;热舒适通风的效果利用气流流度表示;建筑降温的通风效果可以利用单位时间的换气次数表示。

通风的效果究竟是增热还是降温,取决于进行通风的期间,没有通风时的室内温度与室外温度间的温差情况。在室内气温高于室外的期间,如进行通风,就可以降低室内温度。从温度模拟结果分析,由于傍晚和夜间的室外气温低于高于室内,在此期间通风可以收到降温的效果。

2.张家港生态农宅采用热压促进通风的设计策略

生态农宅中,“文丘里管”式渐缩断面剖面的设计目的主要有两个:第一,改善原有的利用风压作用通风的状况,构造自身的热压通风管道,增强夜间自然通风效果(图1)。

自然通风的基本原理非常简单,一般利用风压或热压为动力,促进自然通风〔2〕。

而现有的苏南农宅多采用“撒芝麻”的布局方式,由于这是一种相对松散的布局方式,不会对空气的自然流动产生遮挡影响。所以在有风的条件下,农宅室内良好的自然通风作用效果是由未受建筑遮挡影响的风压差所引起的。

目前苏南地区的农宅建设正在趋向于集中,以便适度提高建筑密度,改变“撒芝麻”这种不利于节约土地的布局方

式。例如,双山岛生态村规划项目中,采用的是联排式农宅方案。

这样虽然可以节约土地,但是从自然通风的角度分析,建筑之间的相互遮挡影响了原有利用风压差的自然通风方式:随着建筑密度的提高,建筑之间会对空气流动产生一定的遮挡。这种遮挡的直接结果是减少了街道层面的风的流量,从而减少了自然风压差,因此会影响传统苏南农宅利用风压差进行的自然通风。

很多研究成果都可以说明这一点。例如,依据英国伦敦建筑学院的研究,街道层面的风速是未受遮挡的风速的1/3左右〔3〕。而奥戈雅总结了堪萨斯农业实验室所作的四种遮挡物的风洞实验结果,指出了空气流动速度衰减与遮挡物类型和相对遮挡物的空间方位之间的关系〔4〕。如果考虑到建筑物周围紊流绕流情况的存在,那么一般认为被建筑所遮挡的风速,可以在5～10倍建筑高度的位置恢复(图2)。

为了解决这一问题存在着一些不同的设计策略。比较有代表性的是干热气候条件下,一些乡土建筑的设计策略:利用“捕风窗”或者“风塔”引风〔5〕。

对于苏南地区而言,由于降水频繁,不可能采用类似的设计策略。因此张家港生态农宅采用了室内“文丘里管”式渐缩断面的设计策略,以便在室温高于外温的时间段,例如夏季的夜晚,即使在无风的条件下,可以利用热压形成局部的负压区域,加强自然通风效果,以便改善夜间的人体热舒适感觉:一方面,增强由室内到室外的热交换,降低夜间的室内温度;另一方面,形成适度的吹风感。

利用热延迟作用,夜间降温对白天的室温会产生一定影响,减少白天的极值温度〔6〕,吉沃尼的研究同样证明了这一点:具有较高热容量的建筑在只有夜间通风,白天关闭窗户的条件下,有利于降低温度,另外,如果室外温度没有超出人体舒适范围,可以承受速度的通风,有利于促进人体热舒适〔7〕。

3.热压通风的基本原理分析

所谓热压通风,就是利用建筑内部由于空气密度不同,热空气趋向于上升,而冷空气则趋向于下降的特点,促进自然通风。热压作用与进风和出风的风口高度差,以及室内外空气温度差存在着密切的关系:高度差愈大,温度差愈大,则

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建筑学报　2000—12

1　

生态住宅纵向剖面模型

2　遮挡造成的空气流动在5～10

倍建筑高度的位置恢复原风速

3　

热压通风原理示意

4　热压导致的生态农宅室内白天通风状况

5　

热压导致的生态农宅室内夜间通风状况

6　生态农宅风压和热压综合作用通风分析

热压通风的效果愈明显。

如图3所示,如果室内温度小于室外温度,则通风状况

为由上向下通风,如果室内温度高于室外温度,则通风状况

为由下向上通风(图中a、b分别为下方和上方的两个通风

口,T w、d w、P w分别为室外温度、室内空气密度和室外该开口

处的压强,T n、d n、P n分别为室内温度、室内空气密度和室内

该开口处的压强)。

4.张家港生态农宅热压通风计算

4.1　白天通风计算分析

根据清华大学热能工程系空调实验室开发出的BEE软

件(建筑环境模拟)模拟分析的结果,取夏季白天一些比较

炎热时间段的室外温度为33℃,而此时室内温度为29℃进

行分析。

因t内d外,利用热压产生的自然通风流动情

况如下图4所示。

如果开窗3,可能导致自然通风气流流动短路(图中虚

线所示),从而无法流通至前堂屋处。因此,为了利于房间的

自然通风,应开启窗户1、2,关闭3,开启门窗4、7、8,开

5、6窗。t n=29℃,d n= 1.169kg/m3,t w=33℃,d w=

1.154kg/m3,设门窗4处内外压差为ΔP x,ΔP x>0。

则ΔP1=ΔP x+gh1(d w-d n)<0

ΔP2=ΔP x+gh2(d w-d n)<0

通风达稳态时,有总进风量=总出风量

即2G1+2G2=2G4(G i为通过窗洞i的空气量),

也即:_1F12d wΔP1+_2F22d wΔP2=_4F42d nΔP x

算式中:

_i——第i个窗孔的流量系数,与窗孔的构造有关;

F i——第i个窗孔的面积,m2;

ΔP i——第i个窗孔两侧的压力差,Pa;

d——空气的密度,kg/m3。

取一般构造窗孔的流量系数_1=_2=_4=0.4,依据设

计方案,可以得到F1,F2,F4,h1,h2的数值:F1=0.9×

0.9m2,F2=0.9×0.9m2,F4=0.9×1.8m2,h1= 6.84m,

h2= 4.14m。

代入数值,整理得出:

1.005-ΔP x+0.609-ΔP x= 4.052ΔP x

根据非线性方程组的解法中,不动点迭代数值的压缩映射原

理,导出:

ΔP x=0.494 4.072ΔP x- 4.052ΔP2x-0.098

对上式利用迭代求解得:ΔP x≈0.389Pa。

从而得出自然通风量G= 1.236kg/s,L=1.071m3/s。

换气次数:L=3855.7m3,V≈204m3

N=

L

V

≈19次/小时

自然通风的速度:V=

L

2F4

≈0.330m/s

从计算结果来看,此种农宅夏季白天的自然通风效果不

错,在合理的门窗开启情况下,能保持一定的通风量,达到

自然通风的作用效果,保证室内空气品质I AQ。

通过分析村民调研问卷的回答结果,可以发现:村民对

于夏季气候条件的关注,主要集中在自然通风和温度适宜这

两个方面。而在夏季白天的气候条件下,上述两点是矛盾的

两个方面:

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