談建筑中自然通風技術的作用原理

談建筑中自然通風技術的作用原理

[摘要]本文首先介紹了建筑中自然通風技術的作用原理，指出了自然通風的經濟效益和環境效益，進而論證了在建筑設計中如何實現自然通風，提出自然通風這項傳統的技術要與建筑所處地域的自然地理氣候特征相適應，并輔以實例分析了自然通風與地域氣候的完美結合。旨在引起在地域建筑設計中對自然通風傳統適宜技術的重視。
[關鍵詞] 自然通風 機理 效益 地域建筑 設計
長久以來,自然通風做為一項傳統的建筑防熱技術，在世界各地的傳統民居中，得到了廣泛的應用。在濕熱地區，人們看到的傳統民居往往有這樣的外表：建筑都有開闊的窗戶；采用輕便的墻體；深遠的挑檐；高高在上的頂棚并且設置有通風口；建筑往往架空，以避開地面的潮氣和熱氣，采集更多的涼風——這樣形象的背后，隱藏著勞動人民對利用自然通風技術的樸素觀念。自然通風是一種具有很大潛力的通風方式，是人類歷史上長期賴以調節室內環境的原始手段。
空調的產生，使人們可以主動地控制居住環境，而不是象以往一樣被動地適應自然；空調的大量使用，使人們漸漸淡化了對自然通風的應用。而在空調技術得以普及的今天，迫于節約能源、保持良好的室內空氣品質的雙重壓力下，全球的科學家不得不重新審視自然通風這一傳統技術。在這樣的背景下，把自然通風這種傳統建筑生態技術重新引回現代建筑中，有著比以往更為重要的意義。
1.自然通風的理論機理
通常意義上的自然通風指的是通過有目的的開口，產生空氣流動。這種流動直接受建筑外表面的壓力分布和不同開口特點的影響。壓力分布是動力，而各開口的特點則決定了流動阻力。就自然通風而言，建筑物內空氣運動主要有兩個原因：風壓以及室內外空氣密度差。這兩種因素可以單獨起作用，也可以共同起作用。
1．1風壓作用下的自然通風
風的形成是由于大氣中的壓力差。如果風在通道上遇到了障礙物，如樹和建筑物，就會產生能量的轉換。動壓力轉變為靜壓力，于是迎風面上產生正壓(約為風速動壓力的0.5-0.8倍)，而背風面上產生負壓(約為風速動壓力的0.3—0.4倍)。由于經過建筑物而出現的壓力差促使空氣從迎風面的窗縫和其他空隙流入室內，而室內空氣則從背風面孔口排出，就形成了全面換氣的風壓自然通風。某一建筑物周圍風壓與該建筑的幾何形狀、建筑相對于風向的方位、風速和建筑周圍的自然地形有關。
1．2熱壓作用下的自然通風
熱壓是室內外空氣的溫度差引起的，這就是所謂的“煙囪效應”。由于溫度差的存在，室內外密度差產生，沿著建筑物墻面的垂直方向出現壓力梯度。如果室內溫度高于室外，建筑物的上部將會有較高的壓力，而下部存在較低的壓力。當這些位置存在孔口時，空氣通過較低的開口進入，從上部流出。如果，室內溫度低于室外溫度，氣流方向相反。熱壓的大小取決于兩個開口處的高度差和室內外的空氣密度差。而在實際中，建筑師們多采用煙囪、通風塔、天井中庭等形式，為自然通風的利用提供有利的條件，使得建筑物能夠具有良好的通風效果。
1．3風壓和熱壓共同作用下的自然通風
在實際建筑中的自然通風是風壓和熱壓共同作用的結果，只是各自的作用有強有弱。由于風壓受到天氣、室外風向、建筑物形狀、周圍環境等因素的影響，風壓與熱壓共同作用時并不是簡單的線性疊加。因此建筑師要充分考慮各種因素，使風壓和熱壓作用相互補充，密切配合使用，實現建筑物的有效自然通風。
1．4機械輔助式自然通風
在一些大型建筑中，由于通風路徑較長，流動阻力較大,，單純依靠自然風壓與熱壓往往不足以實現自然通風。而對于空氣污染和噪聲污染比較嚴重的城市，直接的自然通風還會將室外污濁的空氣和噪聲帶入室內，不利于人體健康。在這種情況下，常常采用一種機械輔助式的自然通風系統。該系統有一套完整的空氣循環通道，輔以符合生態思想的空氣處理手段(如土壤預冷、預熱、深井水換熱等)，并借助一定的機械方式加速室內通風。
2.采用自然通風的的經濟效益和環境效益
自然通風是當今建筑普遍采取的一項改革建筑熱環境、節約空調能耗的技術，采用自然通風方式的根本目的就是取代（或部分取代）空調制冷系統。而這一取代過程有兩點至關重要的意義：一是實現有效被動式制冷，當室外空氣溫濕度較低時自然通風可以在不消耗不可再生能源的情況下降低室內溫度，帶走潮濕氣體，達到人體熱舒適，即使室外空氣溫濕度超過舒適區，需要消耗能源進行降溫降濕處理，也可以利用自然通風輸送處理后的新風，而省去風機能耗，且無噪聲。這有利于減少能耗、降低污染，符合可持續發展的思想。二是可以提供新鮮、清潔的自然空氣（新風），有利于人的生理和心理健康。室內空氣品質的低劣在很大程度上是由于缺少充足的新風。空調所造成的恒溫環境也使得人體抵抗力下降，引發各種“空調病”。而自然通風可以排除室內污濁的空氣，同時還有利于滿足人和大自然交往的心理需求。 3.建筑設計中自然通風的實現及實例分析
傳統建筑對自然通風有很多值得借鑒的方法，而在我們現代的建筑設計中積極地考慮自然通風，并注意與地域建筑的有效結合，對于自然通風的合理利用、節約能源具有現實意義。
3.1建筑體型與建筑群的布局的設計
建筑群的布局對自然通風的影響效果很大。考慮單體建筑得熱與防止太陽過度輻射的同時，應該盡量使建筑的法線與夏季主導風向一致；然而對于建筑群體，若風沿著法線吹向建筑，會在背風面形成很大的漩渦區，對后排建筑的通風不利。在建筑設計中要綜合考慮這兩方面的利弊，根據風向投射角（風向與房屋外墻面法線的夾角）對室內風速的影響來決定合理的建筑間距，同時也可以結合建筑群體布局的改變以達到縮小間距的目的。由于前幢建筑對后幢建筑通風的影響，因此在單體設計中還應該結合總體的情況對建筑的體型，包括高度、進深、面寬乃至形狀等實行一定的控制。
3.2維護結構開口的設計
建筑物開口的優化配置以及開口的尺寸、窗戶的型式和開啟方式，窗墻面積比等的合理設計，直接影響著建筑物內部的空氣流動以及通風效果。根據測定，當開口寬度為開間寬度的1／3～2／3時，開口大小為地板總面積的15％-25％時，通風效果最佳。開口的相對位置對氣流路線起著決定作用。進風口與出風口宜相對錯開布置，這樣可以使氣流在室內改變方向，使室內氣流更均勻，通風效果更好。
3.3注重“穿堂風”的組織
“穿堂風”是自然通風中效果最好的方式。所謂“穿堂風”是指風從建筑迎風面的進風口吹人室內，穿過房間，從背風面的出風口流出。顯然進風口和出風口之間的風壓差越大，房屋內部空氣流動阻力越小，通風越流暢。此時房屋在通風方向的進深不能太大，否則就會通風不暢。
3.4在建筑設計中形成豎井空間，來加速氣流流動，實現自然通風。
在建筑設計中豎井空間主要形式有：
(1)純開放空間——目前，大量的建筑中設計有中庭，主要是平面過大的建筑出于采光的考慮。從另外一個方面考慮，我們可利用建筑中庭內的熱壓形成自然通風。由福斯特主持設計的法蘭克福商業銀行就是一個利用中庭進行自然通風的成功案例。在這一案例中，設計者利用計算機模擬和風洞試驗，對60層高的中庭空間的通風進行分析研究。為了避免中庭內部過大的紊流，每12層作為一個獨立

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