自然通风技术

前几天参加注册建筑师继续教育，湖南的，专题就是绿色建筑，中间哟偶提到自然通风，现在绿色建筑，节能建筑越来越得到重视了，是件好事

建筑设计与自然通风：
自然通风效果与建筑构件(窗、门、墙体等) 有着密切关系。我们在建筑结构设计时应考虑充分利用自然通风。
1.双层玻璃幕墙
在欧洲,采用玻璃幕墙的建筑很流行,为减少夏季空调的冷负荷,需要遮阳设备。研究表明,采用外遮阳设备比内遮阳设备节能效果更佳,但外遮阳设备投资大且影响美观。于是发展了双层玻璃幕墙,双层玻璃之间留有较大的空间,常被称为“会呼吸的皮肤”。有时可将房间的窗户开向墙穴。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。CFD和network 方法的模拟结果表明,该结构可大大减少建筑冷负荷,提高自然通风效率 。双层玻璃幕墙具有如下优点:避免开窗带来的对室内气候的干扰;使室内免受室外交通噪声的干扰;夜间可安全通风。然而由于大量使用玻璃,夏季会增加太阳辐射得热而使夹层内的温度很高,引起能耗增加,甚至导致办公室过热。所以为减少其带来的不利影响,内层可采用浅色玻璃,间层内设置窗檐, 但应注意窗檐、风口、窗户的合理安装。
2.窗户
大多数情况下,自然通风系统中以窗户来充当风口,窗户的形式、面积大小及安装位置影响通风效率、室内气流组织和室内热舒适。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 。
3.中庭
高层建筑可利用中庭的热压作用实现自然通风,德国法兰克福商业银行总部大楼便是成功的一例 。有中庭的建筑越来越多,但大多为封闭式,设计的目的主要是采光。
4.风塔
由垂直竖井和几个风口组成,在房间的排风口末端安装太阳能空气加热器以对从风塔顶部进入的空气产生抽吸作用。该系统类似于风管供风系统。
5.屋顶绿色
屋顶的形状影响室外风压,从而影响自然通风效果。可采用翼形屋顶以便形成高压区和低压区。用CFD 方法和实验方法研究了自然通风建筑中,屋顶形状和屋顶高度对自然通风情况下的室内气流分布和室内气流流速的影响。
自然通风整体设计
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。其整体设计步骤如下。
1.确定气候的自然通风潜力
自然通风潜力(NVP) ,指仅依靠自然通风就可确保可接受的室内空气品质和室内热舒适性的潜力。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(风玫瑰图) 、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,有必要收集建筑所在地区的气象参数逐时变化情况资料并进行分析。
2.确定建筑微环境的自然通风潜力
根据建筑微环境如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、室外污染等来确定建筑微环境的自然通风潜力。建筑微环境对自然通风的影响很复杂,目前这方面的研究较少。
3.预测自然通风驱动力,确定自然通风方案
根据建筑周围微环境和建筑内部情况(如热源分布、房间大小、房间的布置、内隔断、房间的位置等) 预测自然通风驱动力,确定自然通风方案和设计气流路径。一般情况下,自然通风驱动力是很小的,自然通风系统中风口两侧的压差一般小于10 Pa ,而机械通风系统风口两侧压差为100Pa 。当预测的自然通风驱动力很小时,就需考虑是否可以通过改变建筑设计方案,如用双层玻璃墙,或设计为中庭式建筑,或改变窗户形式、位置及大小等,或采用风机辅助式自然通风。文献[41 ]从房间的进深( d) 与高度( h) 的关系考虑,认为当d = 2 h 时,采用单风口单侧通风较好;当d = 2. 5 h 时,采用两风口单侧通风较好;当d = 5 h 时,采用贯流通风较好。
4.根据设计要求和设计参数选择通风设备和确定通风设备的安装位置与大小
自然通风的设计要求和设计参数与机械通风有很大的差别,因为在自然通风环境中,人们能够忍受较大的温度波动范围,而这个温度范围已超出了ASHRAE 55 1992 标准的规定值,所以应制定适合于自然通风的设计标准。目前还没有较完整的自然通风设计指南或手册,而且目前的研究成果还远远不能满足自然通风设计的要求。自然通风设备主要指户、风口、排风竖井、天窗、门及风机等。窗户、风口的形式和安装位置是影响自然通风效率的关键因素。目前已研究出了适合于自然通风的自控型通风口。
5.控制系统的设计
因为影响自然通风的各种因素是动态变化的,所以自然通风是一个动态变化过程,如何在自然通风的动态变化过程中保证室内的热舒适性呢? 控制系统应起关键作用。自然通风控制系统一般包括手动控制和自动控制。手动控制以保证不同人的实际需要,增强了人控制环境的自主能动性。自然通风的控制主要是对风口的控制。但如果是风机辅助式自然通风(混合通风) ,则还须控制风机的启停,控制问题变得复杂。
6.评估设计方案并作修改
评价一个设计方案的优劣,首先应确立一个评价标准。自然通风系统评估标准应与机械通风系统评估标准有所不同。在评价一个机械通风方案时,通常确定一些指标,如通风效率、空气龄,那么在评价一个自然通风方案时,应确立什么样的评价指标呢? 这有待于进一步的探讨。总之,自然通风系统的设计应从动态和整体的观念出发,与建筑结构设计密切配合,需建筑师、土木工程师、建筑设备工程师及电力控制师甚至房主的参与,未来建筑物的整体设计将越来越重要。另外,自然通风系统的两个重要设计参数,即通风量与室内温度相互影响,故其设计还需借助于一些设计和分析工具。
高层建筑中的自然通风问题
与多层建筑的自然通风相比,高层建筑的自然通风有其特殊性。风压在垂直方向的分布有利于高层建筑的自然通风,但过高的风压却会使建筑的门窗难于开启,也给建筑室内的使用带来不便,而且在冬季会带走大量的热能,不利于保温要求。而太高的中庭空间则会形成过大的热压,如不能有效控制,则会产生强烈的紊流,甚至在底层进气口产生令人不安的啸叫。根据凡丘里现象:当流动的空气暂时遇到压缩时,例如空气进入一个漏斗型的通风井口时,受压缩的气流速度加快,气压降低。当建筑中设有导风墙时,导风墙可以在平面上被看作是一个漏斗,门窗则被视为进风口。
杨经文设计的马来西亚槟榔屿州Menara Umno 是第一个利用自然通风来创造舒适室内环境的高层建筑。由于气候湿热,为了获得舒适的内部环境,需要一个较高的空气交换率。因此,为了引入自然风,在开口处采用了“风墙”体系。将“风墙”安排在有通高推拉门的阳台部位,两道风墙形成了喇叭状的口袋,将风捕捉到阳台。阳台内的推拉门可以根据所需风量控制开口的大小,也可完全关闭,形成“空气锁”。这一构思来自建筑师对当地风向资料的分析,实践证明这种“风墙”与“空气锁”的设置效果很好。
在法兰克福商业银行的设计过程中,针对塔楼60 层高度中庭空间的自然通风状况,福斯特及其合作者进项了无数次计算机模拟和风洞试验。结果显示,如果整个中庭从上到下不加分隔,在很多情况下中庭内部将产生令人无法忍受的紊流。因此福斯特只得将每12 层作为一个单元,在每个单元内部利用热压来进行自然通风,各个单元之间通过透明玻璃相分隔。这样,整个中庭便成为一个个自然通风单元,而不再是一个通高的“大烟囱”。
为了减少过高的风压和热压对高层建筑自然通风的不利影响,1990 年英恩霍文在波恩电话大楼的设计中发展了双层玻璃幕墙,这一革命性的设想,在埃森RWE 办公大楼得以实现。幕墙内外层玻璃间隔50 mm ,即形成可蓄热的空腔,提供了节能的可能性,又可以通过内层可开启的玻璃窗实现室内各层间的自然通风。由于外层的玻璃阻挡了高空的风力,人们第一次可以在高层建筑中打开窗户,让室外的新鲜空气流入室内。这一新异的构想使大楼基本上放弃了昂贵的机械空调,使自然通风率达到70 % ,节能30 % 。