浅谈生态建筑中的自然通风技术

浅谈生态建筑中的自然通风技术

荆海薇

(西北农林科技大学,陕西杨凌712100)

摘　要:本文介绍了生态建筑中自然通风技术的作用原理,热压和风压对自然通风的影响。分析了建筑结构对自然通风的影响,指出了在实际应用自然通风应该注意的问题。

关键词:自然通风;热压;风压;生态建筑

中图分类号:T U201.5

所谓生态建筑,是指充分利用自然资源,并以不破坏环境基本生态平衡为目的而建造的建筑物[1]。生态建筑无疑是解决经济发展与环境污染矛盾的有效方法,同时还具有良好的室内气候条件和较强的生物气候调节能力。而自然通风就是在生态建筑中广泛关注的一种技术。

风是人类生存空间中的生态因子,它降低了能耗,减少了污染,提高了室内空气品质和舒适感觉,为居住者和使用者提供了良好的生活与工作空间[2]。研究者调查发现,人们对室外的自然风有着更好的接受性[3-4]。调查结果显示,尽管许多家庭配有完善的空调装置,但大部分人都喜欢打开窗户,依靠自然通风来保持室内空气环境,只有当自然通风无法满足要求时,才会使用空调设备。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[5]。

1　自然通风的机理

通常意义上的自然通风指的是通过有目的的开口,产生空气流动。这种流动直接受建筑外表面的压力分布和不同开口特点的影响。压力分布是动力,而各开口的特点则决定了流动阻力。就自然通风而言,建筑物内空气运动主要有两个原因:风压以及室内外空气密度差。这两种因素可以单独起作用,也可以共同起作用[6]。

1.1　风压作用下的自然通风[7]

风的形成是由于大气中的压力差。如果风在通道上遇到了障碍物,如树和建筑物,就会产生能量的转换。动压力转变为静压力,于是迎风面上产生正压(约为风速动压力的015-018倍),而背风面上产生负压(约为风速动压力的013-014倍)。由于经过建筑物而出现的压力差促使空气从迎风面的窗缝和其他空隙流入室内,而室内空气则从背风面孔口排出,就形成了全面换气的风压自然通风。某一建筑物周围风压与该建筑的几何形状、建筑相对于风向的方位、风速和建筑周围的自然地形有关。

1.2　热压作用下的自然通风

热压是室内外空气的温度差引起的,这就是所谓的"烟囱效应"。由于温度差的存在,室内外密度差产生,沿着建筑物墙面的垂直方向出现压力梯度。如果室内温度高于室外,建筑物的上部分将会有较高的压力,而下部存在较低的压力。当这些位置存在孔口时,空气通过较低的开口进入,从上部流出。如果,室内温度低于室外温度,气流方向相反。热压的大小取决于两个开口处的高度差H和室内外的空气密度差。

而在实际中,建筑师们多采用烟囱,通风塔,天井中庭等形式,为自然通风的利用提供有利的条件,使得建筑物能够具有良好的通风效果。

1.3　风压和热压共同作用下的自然通风

而在实际建筑中的自然通风是热压和风压共同作用的结果,只是各自的作用有强有弱。由于风压受到天气,室外风向,建筑物形状,周围环境等因素的影响,风压与热压共同作用时并不是简单的线性叠加。因此建筑师要充分考虑各种因素,使风压和热压作用相互补充,密切配合使,实现建筑物的有效自然通风。

2　自然通风的应用

人们利用自然通风主要是利用其两大功能:一是通风换气,改善室内空气品质;二是利用自然通风解决夏季或过渡季节的热舒适性问题,取代或部

第22卷　第6期2006年6月

甘肃科技

Gansu Science and Technology

V ol.22　N o.6

J un.　2006

分取代空调。目前自然通风在一些建筑物中的应用如下:

(1)利用门、窗户的相对设置,在建筑物内形成自然通风。在大多数情况下,自然通风系统以窗户、门作为风口,因此窗户和门的大小,形状和安装位置都会对室内气流组织、通风效率和热舒适性产生影响。通常在建筑物进深小的部位利用风压实现自然通风,在建筑物进深大的地方利用热压实现自然通风[5,8]。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0.6[9]。

(2)利用"竖井"实现自然通风,改变建筑物内部气候。一般来说作为共享空间的中庭就能起到"竖井"的职能。这种中庭一般具备两种功能:一是让太阳射入中庭,加热中庭内的空气,使上下空气形成温差;二是这种中庭一般是可开启的,在需要通风时可使空气流出。冬天,阳光透过玻璃屋顶直射进来,中庭屋顶的侧窗关闭,使中庭成为一个巨大的"暖房",到了夜晚,白天中庭储存的热量又可以向两侧的房间辐射;夏天,中庭屋顶的侧窗开启,将从门厅引进的自然风带着热量一并排出,使建筑在夜间能冷却下来。可作为"竖井"空间的,除了中庭外,还可以利用建筑的楼梯间。

(3)利用烟囱实现自然通风。这种烟囱是自然通风和太阳能相结合的产物--太阳能烟囱。在太阳能烟囱的上部一般安装有太阳能集热器,集热器吸收的太阳能,可加热烟囱内的空气,产生抽吸作用,使冷空气从建筑物的下部进入,热空气从上部排出,这样在建筑物内形成空气流动,达到室内通风降温的目的。这种系统类似于风管系统[10]。这种利用太阳能强化自然通风的烟囱还可做成风塔或风帽的形式。但如何使那些突出屋面的部分在外观上和屋顶协调,甚至使其成为整个建筑造型的亮点,对每个建筑师来说既是挑战,更是机遇[11]。

(4)利用屋顶强化自然通风。屋顶除了作为整个建筑自然通风系统的一个组成部分,利用天窗、烟囱、风斗等构造为气流提供进出口外,本身也可以成为一个独立的通风系统。这种通风屋顶内部一般有一个空气间层,利用热压通风的原理使气流在空气间层中流动,以提高或降低屋顶内表面的温度,进而影响到室内空气的温度。在日本的OM阳光体系住宅中,室外空气由屋顶下端被吸入空气间层,并被安装在屋顶上的玻璃集热板加热,受热后上升到屋顶的最高处。屋顶最高处设置了空气处理装置,包括空气阀门、热交换盘管和一个小型风机。这个装置既能将加热过的空气通过管道送到建筑的各个角落,又能将不需要加热的空气由排气管排出[12]。

(5)利用双层维护结构强化自然通风。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,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。

3　自然通风在实际应用中应注意的几点问题

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。

(1)不同的气候条件,对自然通风建筑的要求也不尽相同。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、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,有必要收集建筑物所在地区的气象参数逐时变化情况资料并进行分析。地区不同,采用的自然通风能力、方式也不尽相同。

(2)建筑微环境不同,对自然通风的设计要求也不尽相同。建筑微环境是指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)、建筑内部布置、建筑高度、室外噪声水平、室外污染。建筑的微环境对自然通风的影响很复杂,在建筑设计中应尽量全面考虑。比如在设计中应选址在有利的外部风环境中;使房间的纵轴垂直于夏季主导风向,以获得良好得通风效果;建筑物的正压区和负压区都会延伸一段距离,其大小和建筑物的高度形状有关,在此距离内其他建筑的通风会受到影响,因此应该合理安排相邻建筑的合理间距。另外在设计中也应考虑自然

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第6期 荆海薇:浅谈生态建筑中的自然通风技术