自然通风技术在现代城市建筑中的应用探讨

一、自然通风技术的原理及应用

自然通风是在压差推动下的空气流动。根据压差形成的机理，可以分为风压作用下的自然通风和热压作用下的自然通风。

当有风从左边吹向建筑时，建筑的迎风面将受到空气的推动作用形成正压区，推动空气从该侧进入建筑；而建筑的背风面，由于受到空气绕流影响形成负压区，吸引建筑内空气从该侧的出口流出，这样就形成了持续不断的空气流，成为风压作用下的自然通风。

当室内存在热源时，室内空气将被加热，密度降低，并且向上浮动，造成建筑内上部空气压力比建筑外大，导致室内空气向外流动，同时在建筑下部，不断有空气流入，以填补上部流出的空气所让出的空间，这样形成的持续不断的空气流就是热压作用下的自然通风。

根据进出口位置，自然通风可以分为单侧的自然通风和双侧的自然通风。图1-1就是双侧自然通风系统示意图，而图1-2表示的是单侧的自然通风形式。

由 于自然通风系统运行的动力来自于自然界的自然过程，因此该技术自古以来就是一种免费的自然冷却技术，在旧建筑中得到广泛的应用。在空调技术和产品日益发展 以后，该技术逐渐被人们所淡忘。但是，上个世纪发生的能源危机和全球环境危机后，集合低能耗、高环境价值的自然通风技术作为重要的生态建筑技术之一受到广 泛关注。关于其运行机理[1]的研究和建筑设计的实践[2，3]报道非常丰富，特别是在示范性生态建筑中，自然通风更是一种重要手段。下图1和图2是上海 建筑科学研究院主持设计、建设的生态示范办公楼，图2给出了利用太阳能增强热压形成自然通风的烟囱外形图。

图1 上海辛庄生态示范办公楼全景

图2 上海辛庄生态示范办公楼自然通风烟囱

然而，随着城市化进程的不断发展，城市地面交通和建筑之间的日益融合，自然通风技术能否再度成为城市生态建筑的主流则需要讨论。

下面从建筑室内环境控制的角度，讨论一下自然通风系统设计中的限制性条件。

二、自然通风系统设计中的限制性条件

自然通风技术作为一种免费的技术，它的应用必然受到环境的限制。对于室外环境温、湿度比较温和的地区（如英国），该技术的应用非常成熟，下面基于他们的应用经验[4-7]，介绍有关自然通风技术应用的限制性条件。

（一）室内得热量的限制

应 用自然通风的前提是室外空气温度比室内低，通过室内空气的通风换气，将室外风引入室内，降低室内空气的温度。很显然，室内、外空气温差越大，通风降温的效 果越好。对于一般的依靠空调系统降温的建筑而言，应用自然通风系统可以在适当时间降低空调运行负荷，典型的如空调系统在过渡季节的全新风运行。对于完全依 靠自然通风系统进行降温的建筑，其使用效果则取决于很多因素，建筑的得热量是其中的一个重要因素，得热量越大，通过降温达到室内舒适要求的可能性越小。现 在的研究结果表明，完全依靠自然通风降温的建筑，其室内的得热量最好不要超过40W/m2。

（二）建筑环境的要求

应 用自然通风降温措施后，建筑室内环境在很大程度上依靠室外环境进行调节，除了空气的温、湿度参数外，室内的空气品质和噪音控制也将被室外环境所破坏。根据 目前的一些标准要求，采用自然通风的建筑，其建筑外的噪音不应该超过70dB；尤其在窗户开启的时候，应该保证室内周边地带的噪音不超过55 dB。同时，自然通风进风口的室外空气质量应该满足有关卫生要求。

（三）建筑条件的限制

应用自然通风的建筑，在建筑设计上应该参考以上两点要求，充分发挥自然通风的优势。具体的建议见下表2-1。

表2-1 使用自然通风时的建筑条件

建筑位置
周围是否有交通干道、铁路等	一般认为，建筑的立面应该离开交通干道20米，以避免进风空气的污染或噪音干扰；或者，在设计通风系统时，将靠近交通干道的地方作为通风的排风侧。
地区的主导风向与风速	根据当地的主导风向与风速确定自然通风系统的设计，特别注意建筑是否处于周围污染空气的下游。
周围环境	由于城市环境与乡村环境不同，对建筑通风系统的影响也不同，特别是建筑周围的其它建筑或障碍物将影响建筑周围的风向和风速、采光和噪音等。
建筑形状
形状	建筑的宽度直接影响自然通风的形式和效果。建筑宽度不超过10米的建筑可以使用单侧通风方法；宽度不超过15米的建筑可以使用双侧通风方法；否则，将需要其它辅助措施，例如烟囱结构或机械通风与自然通风的混合模式等。
建筑朝向	为了充分利用风压作用，系统的进风口应该面对建筑周围的主导风向。同时建筑的朝向还涉及减少得热措施的选择。
开窗面积	系统进风侧外墙的窗墙比应该兼顾自然采光和日射得热的控制，一般为30%-50%。
建筑结构形式	建筑结构可以是轻型、中型或重型结构。对于中型或重型结构，由于其热惰性比较大，可以结合晚间通风等技术措施改善自然通风系统的运行效果。
建筑内部设计
层高	比较大的层高有助于利用室内热负荷形成的热压，加强自然通风
室内分隔	室内分隔的形式直接影响通风气流的组织和通风量
建筑内竖直通道或风管	可以利用竖直通道产生的烟囱效应有效组织自然通风
室内人员
室内人员密度和设备、照明得热的影响	对于建筑得热超过40W/m2的建筑，可以根据建筑内热源的种类和分布情况，在适当的区域分别设置自然通风系统和机械制冷系统。
工作时间	工作时间将影响其它辅助技术的选择（如晚间通风系统）。

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