自然通风建筑的优势分析

摘要

自然通风是建筑节能的一种有效手段，对于降低能耗，提高室内舒适度都有着非常重要的作用。介绍了自然通风的两种基本形式(风压通风和热压通风)的原理以及国外自然通风建筑的实例，旨在揭示自然通风技术的重要性及复杂性。最后，利用自然通风技术为下沉式窑洞民居室内环境的改善做出了有益的尝试。

关键词： 自然通风； 风压； 热压； 下沉式窑洞

Abstract

The natural ventilation is an effective way to building energy-saving, it has very important role to save energy and improve the house comfortable-degree. In order to point out the importance and complexity of building ventilation technique, the basic principle that the two kinds of natural ventilation which are wind-induced pressurization and stack-ventilation were introduced, and the instance of natural venti- lation building of the overseas was quoted. By using the natural ventilation technique, the beneficial attempt to improve the indoor environment of the sunken caves dwelling was made.

Key words: natural ventilation; cross-ventilation; stack-ventilation; sunken caves

自然通风建筑

引言

随着空调技术的不断发展，人们越来越能主动的控制室内环境，创造前所未有的室内舒适气候要求，从而使人们逐渐淡化对自然通风这种气候适宜性技术的应用。然而，在今天全球能源紧张、节能压力增大、空气品质(IAQ)恶化以及建筑综合征(SBS)等发生的情况下，人们不得不从新审视自然通风这一传统的气候适宜性技术，自然通风这种古老而有效的技术在今天得到了前所未有的重视。 1 自然通风原理及国外实例

自然通风是一项古老的技术，与复杂、耗能的空调技术相比，自然通风是能够适应气候的一项廉价而成熟的技术措施，与空调系统相比，其可以在降低能源消耗的同时为室内引入新风，有利于人体生理和心理健康。通常认为自然通风具有三大主要作用：①提供新鲜空气；②生理降温；③释放建筑结构中蓄存的热量。

1.1 利用风压的自然通风

当风吹向建筑物时，空气的直线运动受到阻碍而围绕着建筑向上方及两侧偏转，迎风侧的气压就高于大气压力形成正压区，而背风侧的气压则降低形成负压区，使整个建筑产生了压力差。压力差的大小与建筑形式、建筑与风的夹角以及周围建筑布局等因素相关。当风垂直吹向建筑正面是，迎风面的中心处正压最大，在屋角及屋脊处负压最大。我们通常所说的“穿堂风”就是典型的风压通风。风压通风的典型实例为伦佐·皮亚诺设计的芝贝欧(Tjibaou)文化中心(见图 1)。其位于澳大利亚东侧的南太平洋热带岛国，气候炎热潮湿，常年多风，为此通风降湿成为适应气候的核心技术。文化中心由 10 个“容器”(cases) 棚屋状单元组成，棚屋一字排开，形成“村落”。贝壳状的棚屋背向夏季主导风向，在下风口产生强大的吸力(形成负压区)，在棚屋背面开口处形成正压区，从而使空气在建筑内部流动。针对不同风速和风向，设计者通过调节百叶的开合和不同方向上百叶的配合来控制室内气流，从而实现完全被动式的自然通风。

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1.2 利用热压的自然通风

热压通风即通常所说的烟囱效应(stack effect)，其原理为室内外温度不一，二者的空气密度存在差异，室内外的垂直压力梯度也相应有所不同，此时，若在开口下方再开一小口，则室外的空气就从此下方开口进入，而室内空气就从上方开口排出，从而形成“热压通风”。当室内外空气温差越大，则热压作用越强，在室内外温差形同和进气、排气口面积相同的情况下，如果上下开口之间的高差越大，热压越大。热压通风经常需要借助于建筑物的中庭、阳光间和烟囱等装置的作用，采用被动式热压自然通风装置，利用太阳能形成被动式热压自然通风(Passive thermal force of ventilation)。由 Michael Hopkins + Partners 设 计 的 英 国Portcullis House(见图 2)是利用热压进行通风的案例。设计者详细研究了热量在建筑内部和外部的流动、建筑外部空气流状态、使用者的舒适度等，采用计算机

模拟流体动力学模型，在进行风洞试验后，最终将尽可能多的功能整合在尽可能简单的建筑元素中。大厦自然通风系统的重要组成部分是 14 个结构精巧的风塔，风塔包括两个部分：生成正压的捕风孔，将新鲜空气吸入室内；利用进风口的涡流形成负压排风口，将室内空气通过陡峭的坡屋顶上的排风管道集中到风

塔中排出。风塔的设计不仅大大减少了室内排风扇的数量，而且也可以在一年的大部分时间中保证室内充足的自然通风，避免了机械通风的能耗。

图 2 保得利大厦(Portcullis House)

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1.3 风压与热压结合的混合自然通风

利用风压和热压进行自然通风往往是相互补充的，在实际情况中他们是共同作用的。一般来说，在建筑进深较小的部位多利用风压来直接通风，而在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(见图3)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，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、大厅及其他用房则更多地依靠“烟囱效应”进行自然通风 。同时，建筑的外围护结构采用厚重的蓄热材料，使得建筑内部的得热量降到最低。正是由于这些技术措施，相对同类建筑其能耗很低。在其建成一年后(1994 年夏)，40 年一遇的热浪席卷英伦三岛。而实测数据表明，在室外 31 ℃的情况下，室内温度大多不超过 23.5 ℃，可谓是通风降温效果极佳。

1.4 机械辅助的自然通风

对于体育场馆、展览馆、商业设施等大型公共建筑，由于通风路径过长，流通阻力较大，单纯依靠自然的风压和热压往往不足以实现自然通风。而且对于室外空气污染严重的城市中，直接的自然通风会将室外污染的空气和噪声传入室内，不利于健康环境的营造，因此，常采用一种机械辅助式自然通风系统。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。诺曼·福斯特设计的德国新议会大厦 (见图 4)位于城市重要的历史地段，其采用了机械式自然通风。新风经机械装置从进风口进入后，从座位下的风口低速均匀的散发到大厅内，然后再从穹顶内倒锥体的中空部位排出室外。此时，倒锥体成为巨大的拔风罩，自然通风效果十分有效。此外，设计者还把地下蓄水层的循环利用与自然通风相结合，在不需要供暖或降温的时候，多余的热量可以用来加热存储在地下 300 m深处的蓄水层中，将夏季热能存储给冬季用，冬季的冰能贮存给夏季用，设计中将其考虑为大型冷热交换器，形成积极的生态平衡

。

2 建筑中的自然通风考虑因素

自然通风技术在运用的过程中，要充分结合当地气候、环境条件，采取相适应得技术措施，才能保证自然通风达到良好的生态效能。自然通风在考虑普通的诸如气候、建筑朝向、室外绿化、通风构造细部等要素的影响外，越来越多的考虑以下两点要素：

① 太阳能强化自然通风。太阳能强化自然通风的建筑构件主要有屋面太阳能烟囱、Trombe 墙以及与建筑一体化安装的太阳能空气集热器。为了在夏季达到更好的冷却效果，通常将这些作法与其他建筑构件复合成一个有组织的自然通风系统；

② 计算机模拟自然通风。计算机模拟技术，特别是计算立体力学(CFD)对自通通风设计有着非常重要的作用，它利用连续性方程、动量方程、能量方程等控制方程对空气动力进行分析，然后利用计算机软件进行计算机模拟，得出可视化的直观效果，对建筑师设计出合理的建筑风环境提供了重要的参考。因此，随着计算机模拟技术的不断发展，计算机模拟对自然通风的设计无疑会产生巨大的推动作用。