建筑中自然通风的应用

建筑中自然通风的应用

一、 风压作用下的自然通风

室外气流与建筑物相遇时，将发生绕流，经过一段距离后，气流才恢复平行流动。由于建筑物的阻挡，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，动压降低，静压增高，侧面和背风面由于产生局部涡流，静压降低。和远处未受干扰的气流相比，这种静压的升高或降低统称为风压。静压升高，风压为正，称为正压；静压下降，风压为负，称为负压。风压为负值的区域称为空气动力阴影。

某一建筑物周围的风压分布与该建筑的几何形状和室外的风向有关。风向一定时，建筑物外围护结构上某一点的风压值可用下式表示：

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式中，K——空气动力系数；

错误！未找到引用源。——室外空气速度；

错误！未找到引用源。——室外空气密度；

K值为正，说明该点的风压为正值；K值为负，说明该点的风压为负值。不同形状的建筑物在不同方向的风力作用下，空气动力系数分布是不同的。空气动力系数要在风洞内通过模型试验得到。

同一建筑物的外围护结构上，如果有两个风压值不同的窗孔，空气动力系数大的窗孔将会进风，空气动力系数小的窗孔将会排风。如图1所示的建筑，处在风速为错误！未找到引用源。的风力作用下，由于错误！未找到引用源。=错误！未找到引用源。，没有热压的作用。在风的作用下，迎风面窗孔的风压为错误！未找到引用源。，背风面窗孔的风压为错误！未找到引用源。（错误！未找到引用源。），窗孔中心平面上的余压为错误！未找到引用源。。因为没有热压的作用，室内个点的余压均保持相等。

图1 风压作用下的自然通风

如果只开启窗孔a，关闭窗孔b，不管窗孔a内外的压差如何，由于空气的流动，室内的余压错误！未找到引用源。逐渐升高，当室内的余压等于窗孔a的风压时（即错误！未找到引用源。），空气停止流动。如果同时打开窗孔a和b，由于错误！未找到引用源。，错误！未找到引用源。，所以错误！未找到引用源。，空气将从窗孔b流出。随着空气的向外流动，室内的余压错误！未找到引用源。下降，这时错误！未找到引用源。，室外空气由窗孔a流入室内。一直到窗孔a的进风量等于窗孔b的排风量时，错误！未找到引用源。才保持稳定（错误！未找到引用源。）。

风压通风在炎热时节是一种特别有效的冷却方式，因为它不仅带走房间中的热量，而且通过增加人体的蒸发散热使人体感觉凉爽。设计风压通风时，首先要注意的是室外风向。当风向入射角在0~45°之间时，可得到有效的通风。其次要注意的是建筑平面布置要通透，减少风在流动路途中受到的阻力。理想的风压通风最好是一个通畅的房间，在平面上稀疏地布置家具，但实际上在大多数建筑中，这是不容易做到的。如果在进深方向上有两个房间或交通走廊，则迎风的房间会阻挡气流进入背风的房间。再次要注意的是通风口位置和大小。将进出风口分别布置在正压和负压区，可形成有效通风。当开口不能朝向主导风方向或房间只能有一面墙可开窗时，可用翼墙或景观地形的设计来改变风的流向，从而调整建筑物周围的正压区和负压区。翼墙出挑的深度至少应为窗户宽度的0.5~1.0倍，翼墙之间的距离至少应为窗户宽度的两倍。当进出风口的面积大而且风向垂直入射时，通风的速度大；进风口设计成比出风口大，有利于提高风压通风。另外，房间内的风速不应太大，否则会影响办公。

风压通风的冷却效果与气流速度、进出风口的面积、室外风速大小、风的入射方向、室内外的温度差都有关系。图2示出了风压通风的几种平面布置方式。

图2 风压通风的几种平面布置方式

二、 热压作用下的自然通风

在炎热气候条件下，当无风或者由于基地条件的限制，建筑物难以形成风压通风时，热压通风是一种重要的降温方式。

某建筑物如图3所示，在外维护结构的不同高度上设有窗孔a和b，两者的高差为h。假设窗孔外的静压力分别为Pa 、Pb ，窗孔内的静压力分别为错误！未找到引用源。、错误！未找到引用源。，室内外的空气温度和密度分别为错误！未找到引用源。、错误！未找到引用源。和错误！未找到引用源。、错误！未找到引用源。。由于错误！未找到引用源。>错误！未找到引用源。、错误！未找到引用源。<错误！未找到引用源。。

图3 热压作用下的自然通风

如果首先关闭窗孔b，仅开启窗孔a。不管最初窗孔a两侧的压差如何，由于空气的流动，错误！未找到引用源。将会等于错误！未找到引用源。。当窗孔a的内外压差错误！未找到引用源。时，空气停止流动。

根据流体静力学原理，这时窗孔b的内外压差为：

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式中 错误！未找到引用源。、错误！未找到引用源。 为窗孔a和b的内外压差，错误！未找到引用源。，该窗孔排风，错误！未找到引用源。，该窗孔进风。

从公式可以看出，在错误！未找到引用源。的情况下，只要错误！未找到引用源。（即错误！未找到引用源。>错误！未找到引用源。），则错误！未找到引用源。 。因此，如果窗孔b和窗孔a同时开启，空气将从窗孔b流出。随着室内空气的向外流动，室内静压逐渐降低，错误！未找到引用源。由等于零变为小于零。这时室外空气就由窗孔a流入室内，一直到窗孔a的进风量等于窗孔b的排风量时，室内静压才保持稳定。由于窗孔a进风，错误！未找到引用源。；窗孔b排风，错误！未找到引用源。 。

根据上式：

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进风窗孔和排风窗孔两侧压差的绝对值之和与两窗孔的高度差h和室内外的 上式表明，

空气密度差错误！未找到引用源。有关，通常把错误！未找到引用源。 称为热压。如果室内外没有空气温度差或者窗孔之间没有高差就不会产生热压作用下的自然通风。实际上，如果只有一个窗孔也仍然会形成自然通风，这是窗孔的上部排风，下部进风，相当于两个窗孔紧挨在一起。

由此可见，热压通风是一种依靠重力作用的通风系统，与建筑朝向的关系不大。其冷却效果与进出风口的面积、高差、空气温度差有关，高大的房间和烟囱可以强化热压通风。图4示出了热压通风的几种剖面布置方式。

图4 热压通风的几种剖面布置方式

三、风压、热压同时作用下的自然通风

某一建筑物受到风压热压的同时作用时，外围护结构上各窗孔的内外压差就等于各窗孔的余压和室外风压之差。

图5 风压热压同时作用下的自然通风

对于如图5所示的建筑，窗孔a的内外压差

错误！未找到引用源。

窗孔b的内外压差

错误！未找到引用源。

式中，错误！未找到引用源。——窗孔a的余压；

错误！未找到引用源。——窗孔b的余压；

错误！未找到引用源。、错误！未找到引用源。——窗孔a和b的空气动力系数； 错误！未找到引用源。——窗孔a和b之间的高差

由于室外风的风速和风向是经常变化的，不是一个可靠的稳定因素。为了保证自然通风的设计效果，在实际计算时通常仅考虑热压的作用，风压一般不予考虑。但是必须定性地考虑风压对自然通风的影响。

风压与热压通风，既可以在同一建筑的不同房间中使用，例如，风压通风可在迎风面的建筑及上层房间中使用，而热压通风可在背风面和无风的下层房间中使用，也可以在建筑中混合使用。当为这两种通风设计方案时，平面和剖面相应部分必须为空气流动提供进出开口。风压和热压一起作用的混合通风，其冷却效果归因于二者气流压差的总和。因为压力随风速平方的变化而变化，所以其组合的冷却效果是非线性的，组合的流速等于单项流速平方和的开平方

四、实例分析

由Feilden-Clegg公司设计的位于英国Garston的建筑研究机构办公楼是使用热压通风和风压通风的代表（如图6）。它在利用风压方面，使用了三种策略：对大楼进行分区，使得气流从建筑的一侧进入开放式办公室平面；在开放办公室北侧，单元式办公室并没有沿着建筑外周连续布置；在办公室顶棚上使用了中空的混凝土板，当单元式办公室被关闭或租户将它们连续地沿北面布置时，也可用单元式办公室天花上的风扇驱使空气流通。中空的混凝土板还可在白天蓄热、夜间蓄冷。在利用热压通风方面，该建筑南侧设置了5个通风烟囱供较低的一、二层使用，烟囱向上延伸了两层的高度，扩大了进出口之间的距离。大楼南侧装有玻璃窗，从而使上升的空气进一步加热，增加了与入口空气的温差。当热压通风不足时，可利用烟囱中的风扇进行辅助通风。在该大楼的顶层，背风侧布置了高侧窗，以形成烟囱效应进行热压通风。

图6 英国Garston的建筑研究机构办公楼

自然通风除了可以引入新鲜的冷空气外，也会引起采光和噪声问题。这些问题在BRE大楼的研讨室内得到了解决。在那里，室外空气从走廊下面的辅助空间引入，通过地板下消

声后抵达墙体底部的进风口，再进入房间。

在英国莱斯特（Leicester）deMongfort大学工程学院皇后大楼，Short+Ford的建筑师们采用了一种独立的烟囱来形成通风隔声区，解决了噪声的隔绝问题。由于观众厅需要维持平稳的通风，他们在座位下安装了具有吸声作用的进风口，空气由座位下方的调节器进入室内，再从两个高出屋顶的专用烟囱排出，这样，采光和通风都得到了控制。

带有走道的建筑尤其需要注意通风，因为气流会被房间或走道阻挡。在这种情况下，有三种基本的解决方式：可使用顶部气窗或通风孔，可通过在小空间处降低天花来形成兜风，可将地板或天花结构做成空心使用。可在每两层或每三层处设一条走道使房间有良好的风压通风，或者采用错层布置为热压通风提供机会。在湿热地区，流动的空间可以暴露在外面且可不加限制。通风可与遮阳设计相结合，既可抵挡阳光又可由最大的通风面积。

查尔斯柯里亚在设计位于印度孟买的Kanchunjunga公寓时，考虑了垂直空间作为交通空间，从而避免了走廊挡风的问题（如图7）。交通空间为每层两户所共用，这样的设计能让空气围绕交通空间从建筑的一侧流到另一侧。因为空气必须从迎风的房间流向其他背风的房间，所以该公寓的平面和剖面都被处理成松散、开放的形式，而私人的卧室都设于上部夹层中以求私密性。错层布置为热压通风创造了条件，同时，层高上的众多变化有助于用最少的分隔墙形成明确的空间界限。由于海风从西面吹来，公寓的主要立面向东和向西，并且通过一个两层高的花园平台来形成缓冲区，从而阻挡风雨和阳光（如图8）。这种用一个或更多的交通空间为每层两户所用的做法，也可用在较低矮的建筑中。

图7 Kanchununga 公寓剖面通风

图8 Kanchunjunga 公寓平面通风

五、总结