论建筑设计中的自然通风

摘要：随着能源问题、室内环境问题等的制约，建筑节能，建筑可持续发展成为建筑相关行业的一致发展方向。自然通风技术是一项节能、改善室内热舒适的技术手段，也是现代建筑生态设计中一种重要的技术策略，在国内外均是重要的研究课题。本文分析了自然通风的原理，并就建筑设计中如何充分保证自然通风进行了探讨，以营造一个健康、舒适的居室环境。

关键词：自然通风建筑设计风压热压

Abstract: with the energy problem, indoor environment restriction, energy conservation of the building, building the sustainable development become construction related industry consistent development direction. Natural ventilation technology is a saving energy, improving the indoor thermal comfort technical method, but also the modern building ecological design an important technical strategy at home and abroad, all be important research subject. This paper analyzes the natural and ventilated principle, and the architectural design in how to fully guarantee the natural ventilation is discussed, in order to build a healthy, comfortable bedroom environment.

Keywords: natural ventilation building design of hot air

中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：

1 自然通风原理概述与计算

建筑通风包括从室内排出污浊空气和向室内补充新鲜空气两部分，前者称为排风，后者称为送风。为实现排风和送风所采用的设备装置总称为建筑通风系统。有效的通风系统可以保证室内空气质量符合卫生标准，提高室内空气品质（IAQ Indoor Air Quality）。

1.1热压分析

热压通风就是利用建筑内部空气的热压差，即通常讲的“烟囱效应”来实现建筑的自然通风。利用热空气上升的原理，在建筑上部设排风口，可将污浊的热空气从室内排出，而室外新鲜的冷空气则从建筑底部被吸入。热压作用与进、出风口的高差和室内外的温差有关，室内外温差和进、出风口的高差越大，则热压作用越明显。

假设室内通风不存在空气压缩，由伯努利方程可知：

（1）

式中：H――建筑洞口相对高度；

P――建筑洞口风压；

V――建筑洞口风速。

变换得：

（2）

其中，Zl―Z2=H（进排风口中心线的垂直距离）；Pl―P2=Pw十P；hw为损失水头。

则可得热压通风的计算式：

（3）

式中：P――热压，Kg/m2 ；

H――进排风口中心线的垂直距离，m；

ρe――室外空气密度，Kg/m3；

ρi――室内空气密度，Kg/m3。

1.2排风量计算

由于室内存在热源，同时室内外空气通过建筑围护结构由温差传热，不考虑日射作用，上部下部各有一个开口，高度为H，在热压作用下，下部进风上部出风。假定室内空气温度一致，开口处空气速度一致，开口处空气速度均匀一致，则在通过开口的空气截流面上将有一个收缩面。以建筑为控制体，列进出口质量方程、能量方程、建筑开口间的静压方程、室内负荷计算方程联立，联立方程，可解得排风体积流量：

（4）

1.3风压通风

风压是当风吹向建筑物时，由于空气流动受阻，风速降低，使风的部分动能变为静压，作用在建筑物的迎风面上，因而使迎风面上所受到的压力大于大气压，从而在迎风面上形成正压区。风受到迎风面的阻挡后，从建筑物的屋顶及两侧快速绕流过去。绕流作用增加的风速使建筑物屋顶、两侧及背风面受到的压力小于大气压，形成负压区。如果建筑物上设有开口，气流就会从正压区流入室内，再从室内流向负压区，这就形成了风压通风。

2 自然通风对建筑设计的要求

建筑设计应该以人为本，其根本目的在于为人们创造一个健康舒适的工作生活环境。全球性的能源和环境危机促使有远见的建筑师积极行动起来，大力研究自然通风在建筑设计中的应用。他们的目的是最大限度地减少空调对不可再生能源的消耗和对环境的污染，即走符合可持续发展原则的建筑创作之路。

从建筑设计的角度看，我们要认识到当前建筑设计中的一些不足：一味追求大体量、大进深、大密度的建筑，室内净高太低，建筑开窗不够，甚至做成推拉半开窗或死窗；过度依赖中央空调和机械设备，只强调降温与采暖，忽略对室内空气质量的要求。因此，建筑设计应该更多关注建筑的健康功能，抛弃那些虚幻的、概念化的设计理念，从细部着手，切实处理好建筑中的自然通风问题。欲利用自然通风，建筑设计应该注意以下几个方面。

首先建筑应选址在有利的外部风环境中，风速要大于3m/s，这是前提条件。其次，建筑的主要进风面应与夏季主导风向成60°―90°角，不宜小于45°。第三，建筑物的正压区和负压区都会延伸一段距离，其大小和建筑物的高度形状有关，在此距离内的其它建筑的通风要受到影响。因此要合理安排相邻建筑的距离，以免相互干扰。对于居住区设计应特别注意此点，务必使相邻住宅的距离和住宅高度保持合适的比例关系。最后，建筑物本身要采取措施来加强自然通风，如利用热压原理通风时，在天窗两侧加装挡风板，使天窗始终处于负压区，只排不进，从而避免了天窗在迎风面发生气流倒灌现象。又如，在檐口部位合理设置迸气口。这样当关闭门窗时，新鲜空气仍能进入室内进行自然通风。霍普金斯在设计英国新议会大厦时，将建筑进风口设在檐口高度，并在风道中安装空气净化器，从而为室内提供干净卫生的新鲜空气。

在住宅设计时，为了利用自然通风，进深不能太大(小于15m)，宜利用风压组织穿堂风进行通风换气。对于公建，由于其入流大，宜利用热压通风。同时其规模面积也较大，单纯依靠自然通风难以完全满足要求，此时可采用机械设备来辅助自然通风。另外，在炎热地区，利用自然通风是达到人体热舒适的首选策略，而寒冷地区，应在满足室内空气质量前提下尽量减少通风换气次数，以减少热损失。

建筑设计还要善于利用高科技来解决通风问题，使自然通风和高科技有机结合以更好地为人们创造健康舒适的工作生活环境。例如，皮弧诺在特吉巴奥艺术中心设计中，充分利用计算机模拟技术进行气流分析和风洞实验，最终形成通透和开放的锥状造型，既减小了风荷载，又最大限度地利用风压实现了建筑的自然通风。

3 自然通风在建筑设计中的实现

3.1建筑物的朝向

建筑的主要朝向应迎合当地夏季的主导风向(我国大部分地区以南北向或接近南北向布局为宜)，利于自然通风，提高居住的舒适度。同时，南北朝向的建筑物在夏季所受到的太阳辐射也相对东西朝向建筑要少很多，可以节省夏季空调的用量。

3.2建筑群布局的设计

建筑群的布局对自然通风的影响效果很大。在单体建筑设计时，应尽量使建筑的法线与夏季主导风向一致；但对于建筑群体，其在设计时应根据风向投射角(风向与房屋外墙面法线的夹角)对室内风速的影响来决定合理的建筑间距。建筑间距应在满足当地规划部门的日照间距要求上适当加大。增加建筑物的间距有利于居住区内的空气流动――风量增大、风速提高，从而使建筑物与空气的热交换增加，有效降低建筑物的温度，从而降低建筑能耗。此外，考虑到前幢建筑对后幢建筑通风的影响，在单体设计中，还应结合总体的情况对建筑的体型(高度、进深、面宽、形状)实行一定的控制。

3.3门窗开口的优化设计

建筑物开口的优化配置以及开口的尺寸、窗户的型式和开启方式，窗墙面积比等的合理设计，直接影响着建筑物内部的空气流动以及通风效果。据测定显示，当开口宽度为开间宽度的1/3―2/3时，开口大小为地板总面积的15％～25％时，通风效果最佳。因此，在建筑设计中，应避免采用一些直接或间接增加门窗面积的设计，最大限度的减少洞口面积。另外，开口的相对位置对气流路线起着决定作用，进风口与出风口宜相对错开布置，这样可以使气流在室内改变方向，使室内气流更均匀，通风效果更好。

3.4屋顶的自然通风

当室内存在贯穿整幢建筑的“竖井”空间肘，就可利用其上下两端的温差来加速气流，以带动室内通风，其实质就是“温差一热压一通风”的原理。作为建筑共享空间的中庭就可以胜任这个“竖井”的职能，一般来说，其所占空间比例以超过整幢建筑的1/3为宜。这种屋顶的自然通风一般有：一是在结构层上部设置架空隔热层。这种做法把通风层设置在屋面结构层上，利用中间的空气间层带走热量，达到屋面降温的目的，另外架空板还保护了屋面防水层；二是利用坡屋顶自身结构，在结构层中间设置通风隔热层，也可得到较好的隔热效果。

3.5太阳能强化自然通风

利用太阳能强化自然通风，不仅可以改善室内热环境，而且可以避免空调所引发的各种“空调病”。太阳能强化自然通风的建筑结构主要有屋面太阳能烟囱、Trombe墙以及与建筑一体化安装的太阳能空气集热器，它们可以单独设置来强化通风，也可以与其它建筑结构复合成一个有组织的自然通风系统。

3.6玻璃幕墙围护结构

利用双层(或三层)玻璃幕墙实现自然通风也是现代建筑的一个特色，其通风原理是在两层玻璃幕墙之间留一个空腔，空腔的两端有可以控制的进风口和出风口，在阳光的照射下通道内的空气温度吸热，这时打开进出风口，利用“烟囱效应”在空腔内部实现自然通风，使玻璃之间的热空气不断的被排走，达到降温的目的。利用双层(或三层)玻璃幕墙，可很好地解决高层建筑中过高的风压和热压带来的风速过大造成的紊流不易控制的问题，能实现夜间开窗通风，并能降低室内的噪音。

4 结束语

在当前生态环保意识日益加强的趋势下，全球各地不断涌现出充分利用自然通风的优秀建筑设计作品，这证明了自然通风在建筑设计中具有广阔的应用前景和实用价值。建筑师应该加强对生态建筑设计的研究和实践，正确处理人、建筑和环境之间的关系，在建筑设计中尽可能利用自然通风，降低能耗，减少污染，走符合可持续发展原则的建筑创作之路，不断为保护好我们的自然环境做出应有的贡献。