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摘要：自然風是無污染的、可再生的能源，自然通風是建筑實現(xiàn)節(jié)能、健康與生態(tài)等目標的重要手段。封閉的節(jié)能建筑引發(fā)了很多健康問題，以下在分析生態(tài)建筑中自然通風設計的基礎上，就自然通風與節(jié)能問題展開論述，結(jié)合生態(tài)建筑的生態(tài)原則，為生態(tài)建筑中的自然通風設計提供了一定的設計依據(jù)。...

淺談生態(tài)建筑中的自然通風與節(jié)能

郭朝福

(富陽市建設工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，浙江富陽311400)

    自然通風是具有很大潛力的通風方式，不僅具有改善室內(nèi)熱舒適度和提高室內(nèi)空氣品質(zhì)的優(yōu)點，而且是人類歷史上長期賴以調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境的原始手段，也是當今建筑物實現(xiàn)節(jié)能、生態(tài)、環(huán)保等目標的重要手段。

    我國大部分地區(qū)夏季氣候炎熱，供電系統(tǒng)常常面臨緊張的電能需求和消耗壓力，自然通風技術(shù)在建筑物中的應用，不僅能夠節(jié)約空調(diào)、風扇等機械通風所消耗的電能，還能夠改善建筑空間的生態(tài)環(huán)境，對降低建筑能耗和建設節(jié)約型城市具有非常重要的意義。

1.生態(tài)建筑中的自然通風設計

    生態(tài)建筑不僅應當具有與自然環(huán)境相和諧的良好的建筑外部環(huán)境，還要能提供舒適安全的室內(nèi)環(huán)境。與其他相對復雜、昂貴的生態(tài)技術(shù)相比，自然通風是一項比較成熟而低廉的技術(shù)措施，并能取代(或部分取代)傳統(tǒng)空調(diào)制冷系統(tǒng)，做到節(jié)能減排。自然通風從動力來源上可分為完全自然通風和機械輔助自然通風兩種模式。對于建筑本身而言，建筑物的高度、進深、長度和迎風方位等都能影響其自然通風的效果。在建筑構(gòu)造上，通過中庭、雙層幕墻、風塔、門窗、屋頂?shù)葮?gòu)件的優(yōu)化設計，也能實現(xiàn)良好的自然通風效果，因而在建筑結(jié)構(gòu)設計時應充分考慮并合理加以利用。

    1.1生態(tài)建筑中的完全自然通風技術(shù)

    建筑中的完全自然通風技術(shù)在實現(xiàn)原理上有利用風壓、熱壓以及風壓與熱壓相結(jié)合等幾種形式。

    1.1.1利用風壓實現(xiàn)自然通風

    在具有良好的外部風環(huán)境的地區(qū)，風壓可作為實現(xiàn)自然通風的主要手段，風壓通風也就是我們通常所說的“穿堂風”。當風吹向建筑時，因受到建筑的阻擋，會在建筑的迎風面產(chǎn)生正壓力，而氣流繞過建筑的各個側(cè)面及背面，會在相應位置產(chǎn)生負壓力，建筑的迎風面和背風面之間的壓力差就實現(xiàn)空氣的流通。壓力差的大小與建筑的形式、建筑與風的夾角以及建筑周圍的環(huán)境有關(guān)。當風垂直吹向建筑的正立面時，迎風面中心處正壓最大，在屋角和屋脊處負壓最大。

    1.1.2利用熱壓實現(xiàn)自然通風

    受到周圍建筑布局或高大植被的影響的建筑物可以利用建筑內(nèi)部空氣的熱壓差，即“煙囪效應”來實現(xiàn)建筑的自然通風。根據(jù)熱空氣上升的原理，在建筑上部設排風口將污濁的熱空氣從室內(nèi)排出，而室外新鮮的冷空氣則從建筑底部被吸入，達到自然通風的目的。在建筑設計中，可利用建筑物的樓梯間、中庭等豎向空腔滿足進排風口的高差要求，而室內(nèi)外溫差和進、出風1：3的高差越大，熱壓作用越明顯。與風壓自然通風不同的是熱壓自然通風更能適應常變的外部風環(huán)境和不良的外部風環(huán)境。例如，英國卡斯廷的舊改新生態(tài)建筑BRE(Building Research Establishment)辦公建筑就是利用熱壓實現(xiàn)自然通風的典型實例。在該建筑物的南側(cè)立面上設置五個可以吸收太陽能加熱建筑內(nèi)部空氣的風塔，由于熱空氣上升，產(chǎn)生熱壓差，逐漸形成上升氣流，從而實現(xiàn)自然通風。

    1.1.3壓與熱壓相結(jié)合實現(xiàn)自然通風

    由于建筑物受氣候因素、地理位置、周邊環(huán)境以及建筑布局等的影響，在實際應用中自然通風設計通常都是風壓和熱壓相結(jié)合的，只是各自的作用有強有弱。在建筑進深較小的部位多利用風壓來直接通風，而進深較大的部位則多利用熱壓來達到通風效果。因而建筑師在進行通風設計時，需要充分考慮各種因素，使風壓和熱壓相互補充，配合使用，實現(xiàn)建筑的有效自然通風。

    1.2生態(tài)建筑中的機械輔助式自然通風技術(shù)

    機械輔助式自然通風是利用溫差造成的熱壓和機械動力相結(jié)合而形成的室內(nèi)外空氣對流。與完全自然通風相比，雖然建筑內(nèi)局部作為輔助動力的機械裝置要消耗一定的能源，但是通過這種裝置重新組織氣流，可以使自然通風達到更好的效果。

    1.2.1對流通風系統(tǒng)對流通風器

    在16世紀已經(jīng)被用于礦井通風，但是最初的水力與蒸汽動力等驅(qū)動力都不適用于建筑通風，直到熱力學的進展促進了流體動力通風的發(fā)展。19世紀70—80年代，Bill-ing在建筑系統(tǒng)中采用了吸氣風管的通風設計，同時還利用氣流給建筑供暖，不是將燃燒器直接安放在吸氣管中，而是裝備了建筑供熱用的蒸汽盤管，從而最終利用同一管道實現(xiàn)了通風和供暖的統(tǒng)一。但是隨著技術(shù)的進一步完善，小型蒸汽引擎能夠在建筑中使用，導致機械風機通風系統(tǒng)在19世紀90年代最終取代了對流通風系統(tǒng)。

    1.2.2置換通風系統(tǒng)

    置換通風系統(tǒng)是一種新型、高效的空調(diào)送風方式，具有通風效率高、改善室內(nèi)空氣品質(zhì)的優(yōu)點。它既可以彌補其它空調(diào)通風方式的不足，也能帶來相當?shù)墓?jié)能效果。置換通風以低于室內(nèi)溫度、低速的送進新風，新風受到室內(nèi)熱源的影響而受熱上升，同時也降低了發(fā)熱物表面的溫度，帶走熱量和污染物，排風在房間的上部進行，以利于排出最熱的和污染物濃度最高的部分空氣。

    1.2.3置換多元通風系統(tǒng)

    多元通風系統(tǒng)是一個能夠在不同時間、不同季節(jié)利用自然通風和機械通風的不同特性的系統(tǒng)，是一個結(jié)合了機械通風系統(tǒng)和自然通風的二元系統(tǒng)。它的基本原理是通過在機械通風和自然通風之間切換以維持良好的室內(nèi)環(huán)境，并且避免建筑全年運行空調(diào)系統(tǒng)所帶來的成本、能源的過度消耗和導致的環(huán)境問題。系統(tǒng)的運行模式隨著季節(jié)改變而改變，在每一天的任意時刻，系統(tǒng)的運行模式反應了外部環(huán)境狀況并且充分利用了當時的環(huán)境。多元通風系統(tǒng)由建筑設計、內(nèi)部負荷、自然驅(qū)動力、外界環(huán)境決定，并能以最節(jié)能的方式滿足內(nèi)部環(huán)境的需要。

2.生態(tài)建筑中自然通風設計與節(jié)能

    生態(tài)建筑中的自然通風不僅能提供新鮮、清潔的自然空氣，帶走潮濕污濁的空氣，有利于人體的生理和心理健康，減少使用空調(diào)的負面影響，同時降溫通風還可以在不消耗不可再生能源情況下降低室內(nèi)溫度，改善室內(nèi)熱環(huán)境，有效地減少空調(diào)耗電量，做到建筑節(jié)能。生態(tài)建筑中主要通過對建筑物的屋頂、窗戶、地板等建筑構(gòu)件上的優(yōu)化設計來增強自然通風的效果。

    2.1屋頂?shù)淖匀煌�風設計與節(jié)能

    屋頂除了作為整個建筑自然通風系統(tǒng)的一個組成部分，利用天窗、煙囪、風斗等構(gòu)造為氣流提供進出口外，本身也可以稱為一個獨立的通風系統(tǒng)。首先，屋頂?shù)男螤詈透叨扔绊懯彝怙L壓，采用翼形屋頂可以形成自然風的高壓區(qū)和低壓區(qū)，增強自然通風的效果；其次通風屋頂內(nèi)部設有空氣間層，利用熱壓通風原理使氣流在空氣間層中流動，以提高或降低屋頂內(nèi)表面的溫度。例如，建筑師赫爾佐格在改造德國慕尼黑的一個倉庫時，在室內(nèi)加建了一層包裹住整個屋頂及大部分外墻內(nèi)表面的薄膜，使薄膜和原有外圍護結(jié)構(gòu)間的空氣成為一道阻熱層，起到了保溫和熱緩沖的作用。在屋頂上分別設置連通空氣阻熱層和室內(nèi)空氣的風帽，使屋頂可以自由地選擇機械通風，也可以通過室內(nèi)自然通風或空氣阻熱層內(nèi)通風中的某一種或多種通風模式來調(diào)節(jié)室內(nèi)氣候。

    2.2窗戶的自然通風與節(jié)能

    建筑中的自然通風設計通常是以窗戶來充當風口，窗戶的形式、面積大小及安裝位置等都會影響通風效率、室內(nèi)氣流組織和室內(nèi)熱舒適。窗戶的通風系數(shù)隨著開口面積、窗戶類型和室內(nèi)外溫差的變化而變化，Per Heiselber9等人研究了不同類型窗戶的通風特性，認為對單側(cè)通風或貫流通風以及熱壓驅(qū)動的自然通風來說，在冬季最好選擇底懸式窗戶，在夏季最好選擇側(cè)懸式窗戶。例如，倫佐·皮亞諾設計的位于南太平洋島國的Tjibaou文化中心，就是通過百葉的開合和不同方向上百葉的配合來控制室內(nèi)氣流，從而實現(xiàn)完全被動式的自然通風，達到節(jié)約能源，減少污染的目的。

    2.3地板的自然通風與節(jié)能

    美國在上世紀90年代，對其封閉的節(jié)能建筑進行改造，大約有60％的建筑增加了建筑通風設施，將房間上部通風改為地板通風。采取地板通風，新鮮空氣從地板的進氣口上來，溫度比較低，人在房間里活動，新風就圍繞著人體(熱源)，不僅提供新鮮的室外空氣，還增加體內(nèi)散熱及防止由皮膚潮濕引起的不適。

3.建筑中自然通風的生態(tài)原則

    自然通風可以節(jié)省能耗，具有環(huán)保和生態(tài)價值。作為建筑節(jié)能設計的手段，除了利用通風在建筑物結(jié)構(gòu)上的應用外，還可以和多種其它能源相結(jié)合，因地制宜，充分發(fā)揮可再生能源的優(yōu)勢，做到可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)原則。

    3.1建筑通風與太陽能利用

    風壓和熱壓都是不穩(wěn)定的因素，太陽能在建筑通風中的應用就是利用被動式太陽能技術(shù)加強風壓和熱壓在建筑物中實現(xiàn)自然通風，其原理類似于機械輔助式通風。通過太陽能煙囪、Trombe墻以及太陽能空氣集熱器等結(jié)構(gòu)形式，使太陽能成為強化自然通風的動力。在冬季，利用機械裝置將位于屋頂太陽能集熱器中的熱空氣吸到房間的地板處，并通過地板上的氣孔進入室內(nèi)實現(xiàn)利用太陽能采暖的目的，此后利用熱壓原理實現(xiàn)氣體在房間內(nèi)的循環(huán)。而在夏季的夜晚，則利用天空背景輻射使太陽能集熱器迅速冷卻，并將集熱器中的冷空氣吸人室內(nèi)，達到夜間通風降溫的目的。

    3.2風力發(fā)電系統(tǒng)的應用

    生態(tài)建筑除了直接利用自然通風外，還可利用風力發(fā)電。集中式的風力發(fā)電系統(tǒng)以建筑群和小區(qū)為單位，放在小區(qū)的上風處；分散式可在多風偏僻地區(qū)安裝獨立風車，自成體系為建筑能源。這種風能利用系統(tǒng)大都是將電力送入電網(wǎng)，建筑物再從電網(wǎng)獲取電力。在偏遠地區(qū)有條件的建筑中可設風／光互補發(fā)電系統(tǒng)，綜合利用風能和太阻能，無需架設遠距離的電網(wǎng)來獲取電力。

    3.3夜間自然通風的利用

    蓄熱材料作為建筑維護結(jié)構(gòu)可以延緩日照等因素對室內(nèi)溫度的影響，使室溫更穩(wěn)定，更均勻，即白天不會因為太陽照射而溫度過高，夜晚不會因迅速冷卻而溫度過低。蓄熱材料在白天吸收大量熱量，使得室溫不至于過高，但夜間室內(nèi)溫度居高不下。因此在夏季夜晚利用室外溫度較低的冷空氣對蓄熱材料進行充分的通風降溫，是改善夜間室內(nèi)溫度、發(fā)揮蓄熱材料潛力的有效手段。

4.結(jié)  語

    總之，生態(tài)建筑中的自然通風可以通過以上幾種途徑的綜合運用達到節(jié)省能耗、生態(tài)環(huán)保及可持續(xù)性發(fā)展的要求的。建筑中的自然通風，僅有定性的設計是不夠的，在具體建造和施工過程中，還要根據(jù)建筑的功能和地理位置進行考慮，真正做到實事求是、因地制宜，降低建筑能耗，使建筑的人工環(huán)境與自然環(huán)境達到動態(tài)的平衡，也使建筑在滿足了基本的使用功能和美學要求后追求的更高目標。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，自然通風這種廉價、舒適、健康的通風方式會在生態(tài)建筑中得到廣泛的應用。

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(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網(wǎng)絡：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)

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