自然通風在建筑中的應用

1.自然通風的功能能、能和生物能是可再生的自然能量。使用太陽能是考慮生態(tài)設計的第一個問題。而利用自然通風改善室內空氣質量,改善人體的熱舒適條件,是利用風能的一個典型例子。建筑內部的通風條件是決定人們健康、舒暢的重要因素之一。它通過空氣更新和氣流的生理作用對人體的生物感受起到直接的影響作用,并通過對室內氣溫、濕度及內表面溫度的影響而起到間接的影響作用。通常認為,自然通風的作用具有三種不同的功能1:第一,健康通風,即保證室內空氣質量IAQ;第二,熱舒適通風,即增加體內散熱,以及防止由皮膚潮濕引起的不舒適以改善熱舒適條件;第三,降溫通風,即當室內氣溫高于室外的氣溫時,使建筑構件降溫。上述各種功能的相對重要性取決于不同季節(jié)與地區(qū)的主導氣候條件。其中健康通風的優(yōu)劣可以用單位時間內的換氣次數(shù)來表示;熱舒適通風的效果利用氣流流度表示;建筑降溫的通風效果可以利用單位時間的換氣次數(shù)表示。通風的效果究竟是增熱還是降溫,取決于進行通風的期間,沒有通風時的室內溫度與室外溫度間的溫差情況。在室內氣溫高于室外的期間,如進行通風,就可以降低室內溫度。從溫度模擬結果分析,由于傍晚和夜間的室外氣溫低于高于室內,在此期間通風可以收到降溫的效果。2.蘇南地區(qū)的主觀條件下,建筑之間的遮擾機生態(tài)農(nóng)宅中,“文丘里管”式漸縮斷面剖面的設計目的主要有兩個:第一,改善原有的利用風壓作用通風的狀況,構造自身的熱壓通風管道,增強夜間自然通風效果(圖1)。自然通風的基本原理非常簡單,一般利用風壓或熱壓為動力,促進自然通風2。而現(xiàn)有的蘇南農(nóng)宅多采用“撒芝麻”的布局方式,由于這是一種相對松散的布局方式,不會對空氣的自然流動產(chǎn)生遮擋影響。所以在有風的條件下,農(nóng)宅室內良好的自然通風作用效果是由未受建筑遮擋影響的風壓差所引起的。目前蘇南地區(qū)的農(nóng)宅建設正在趨向于集中,以便適度提高建筑密度,改變“撒芝麻”這種不利于節(jié)約土地的布局方式。例如,雙山島生態(tài)村規(guī)劃項目中,采用的是聯(lián)排式農(nóng)宅方案。這樣雖然可以節(jié)約土地,但是從自然通風的角度分析,建筑之間的相互遮擋影響了原有利用風壓差的自然通風方式:隨著建筑密度的提高,建筑之間會對空氣流動產(chǎn)生一定的遮擋。這種遮擋的直接結果是減少了街道層面的風的流量,從而減少了自然風壓差,因此會影響傳統(tǒng)蘇南農(nóng)宅利用風壓差進行的自然通風。很多研究成果都可以說明這一點。例如,依據(jù)英國倫敦建筑學院的研究,街道層面的風速是未受遮擋的風速的1/3左右3。而奧戈雅總結了堪薩斯農(nóng)業(yè)實驗室所作的四種遮擋物的風洞實驗結果,指出了空氣流動速度衰減與遮擋物類型和相對遮擋物的空間方位之間的關系4。如果考慮到建筑物周圍紊流繞流情況的存在,那么一般認為被建筑所遮擋的風速,可以在5～10倍建筑高度的位置恢復(圖2)。為了解決這一問題存在著一些不同的設計策略。比較有代表性的是干熱氣候條件下,一些鄉(xiāng)土建筑的設計策略:利用“捕風窗”或者“風塔”引風5。對于蘇南地區(qū)而言,由于降水頻繁,不可能采用類似的設計策略。因此張家港生態(tài)農(nóng)宅采用了室內“文丘里管”式漸縮斷面的設計策略,以便在室溫高于外溫的時間段,例如夏季的夜晚,即使在無風的條件下,可以利用熱壓形成局部的負壓區(qū)域,加強自然通風效果,以便改善夜間的人體熱舒適感覺:一方面,增強由室內到室外的熱交換,降低夜間的室內溫度;另一方面,形成適度的吹風感。利用熱延遲作用,夜間降溫對白天的室溫會產(chǎn)生一定影響,減少白天的極值溫度6,吉沃尼的研究同樣證明了這一點:具有較高熱容量的建筑在只有夜間通風,白天關閉窗戶的條件下,有利于降低溫度,另外,如果室外溫度沒有超出人體舒適范圍,可以承受速度的通風,有利于促進人體熱舒適7。3.空氣溫度差與h所謂熱壓通風,就是利用建筑內部由于空氣密度不同,熱空氣趨向于上升,而冷空氣則趨向于下降的特點,促進自然通風。熱壓作用與進風和出風的風口高度差,以及室內外空氣溫度差存在著密切的關系:高度差愈大,溫度差愈大,則熱壓通風的效果愈明顯。如圖3所示,如果室內溫度小于室外溫度,則通風狀況為由上向下通風,如果室內溫度高于室外溫度,則通風狀況為由下向上通風(圖中a、b分別為下方和上方的兩個通風口,Tw、ρw、Pw分別為室外溫度、室內空氣密度和室外該開口處的壓強,Tn、ρn、Pn分別為室內溫度、室內空氣密度和室內該開口處的壓強)。4.計算結果表明，香港生態(tài)農(nóng)業(yè)用地的熱壓通風4.1夏季氣候條件以自然通風帶動其隨機應變量的2.根據(jù)清華大學熱能工程系空調實驗室開發(fā)出的BEE軟件(建筑環(huán)境模擬)模擬分析的結果,取夏季白天一些比較炎熱時間段的室外溫度為33℃,而此時室內溫度為29℃進行分析。因t內<t外,ρ內>ρ外,利用熱壓產(chǎn)生的自然通風流動情況如下圖4所示。如果開窗3,可能導致自然通風氣流流動短路(圖中虛線所示),從而無法流通至前堂屋處。因此,為了利于房間的自然通風,應開啟窗戶1、2,關閉3,開啟門窗4、7、8,開5、6窗。tn=29℃,ρn=1.169kg/m3,tw=33℃,ρw=1.154kg/m3,設門窗4處內外壓差為ΔPx,ΔPx>0。則ΔΡ1=ΔΡx+gh1(ρw-ρn)<0ΔΡ2=ΔΡx+gh2(ρw-ρn)<0則ΔP1=ΔPx+gh1(ρw?ρn)<0ΔP2=ΔPx+gh2(ρw?ρn)<0通風達穩(wěn)態(tài)時,有總進風量=總出風量即2G1+2G2=2G4(Gi為通過窗洞i的空氣量)?也即:μ1F12ρwΔP1+μ2F22ρwΔP2=μ4F42ρnΔPx算式中:μi——第i個窗孔的流量系數(shù),與窗孔的構造有關;Fi——第i個窗孔的面積,m2;ΔPi——第i個窗孔兩側的壓力差,Pa;ρ——空氣的密度,kg/m3。取一般構造窗孔的流量系數(shù)μ1=μ2=μ4=0.4,依據(jù)設計方案,可以得到F1,F2,F4,h1,h2的數(shù)值:F1=0.9×0.9m2,F2=0.9×0.9m2,F4=0.9×1.8m2,h1=6.84m,h2=4.14m。代入數(shù)值,整理得出:√1.005-ΔΡx+√0.609-ΔΡx=√4.052?ΔΡx根據(jù)非線性方程組的解法中,不動點迭代數(shù)值的壓縮映射原理,導出:ΔΡx=0.494√4.072ΔΡx-4.052ΔΡ2x-0.098對上式利用迭代求解得:ΔPx≈0.389Pa。從而得出自然通風量G=1.236kg/s,L=1.071m3/s。換氣次數(shù):L=3855.7m3,V≈204m3Ν=LV≈19次/小時自然通風的速度:V=L2F4≈0.330m/s從計算結果來看,此種農(nóng)宅夏季白天的自然通風效果不錯,在合理的門窗開啟情況下,能保持一定的通風量,達到自然通風的作用效果,保證室內空氣品質IAQ。通過分析村民調研問卷的回答結果,可以發(fā)現(xiàn):村民對于夏季氣候條件的關注,主要集中在自然通風和溫度適宜這兩個方面。而在夏季白天的氣候條件下,上述兩點是矛盾的兩個方面:一方面,自然通風引發(fā)的吹風感,可以在一定程度上起到改善人體生物舒適感覺的作用,因此在一定程度上,應該促進夏季白天的自然通風;另一方面,隨著自然通風的進行,夏季白天室外溫度較高的空氣會流入室內,導致室內溫度逐漸升高,直到接近于室外溫度,這種由于自然通風引起的室內溫度升高,存在直接和間接兩種不利的后果:直接后果是室內溫度的升高,不利于改善人體的生物舒適感覺;間接后果是由于采用了蓄熱能力較高的“水桶墻”這一設計策略,“水桶墻”本身隨著室內溫度的升高會積蓄較多的熱量,然后在溫度較低的情況下釋放出來,會抵消夜間自然通風造成的降溫效果。因此應該控制夏季白天的自然通風。是重視吹風感,還是重視溫度的適宜,必須由使用者結合自身的生物感受,作出選擇。由于夏季主導風向為南或南偏東南,與白天熱壓通風的方向是相反的。如果在有風的條件下,由于風壓作用與熱壓作用的相互抵消,熱壓通風的作用效果會比理想狀態(tài)的估算要小,甚至會完全遵循風壓作用的自然通風效果。4.2自然通風能力核算根據(jù)BEE軟件模擬分析的結果,可取一定時間段的夏季夜間室外溫度為24℃,室內溫度為29℃進行分析。因t內>t外,ρ內<ρ外,利用熱壓產(chǎn)生的自然通風流動情況如圖5所示。如果開窗2、3,可能導致自然通風氣流流動短路,從而無法流通至最高處的窗戶1處。因此,為了利于房間的自然通風,應開啟窗戶1,關閉2、3,開啟窗4、5、6、7、8。tn=29℃,ρn=1.169kg/m3,tw=24℃,ρw=1.189kg/m3,設門窗4處內外壓差為ΔPx,ΔPx<0。則ΔP1=ΔPx+gh1(ρw-ρn)>0通風達穩(wěn)態(tài)時,有總進風量=總出風量即2G1=2G4(Gi為通過窗洞i的空氣量),也即:μ1F12ρwΔΡ1=μ4F42ρnΔΡx算式中:μi——第i個窗孔的流量系數(shù),與窗孔的構造有關;Fi——第i個窗孔的面積,m2;ΔPi——第i個窗孔兩側的壓力差,Pa;ρ——空氣的密度,kg/m3。取一般構造窗孔的流量系數(shù)μ1=μ4=0.4,依據(jù)設計方案,可以得到F1,F4,h1的數(shù)值,其中F1=0.9×0.9m2,F4=0.9×1.8m2,h1=6.84m。對上式求解得:ΔPx≈-0.229Pa。從而得出自然通風量G=0.948kg/s,L=0.797m3/s。換氣次數(shù):L=2869.2m3,V≈204m3Ν=LV≈14次/小時自然通風的速度:V=L2F4≈0.246m/s從計算結果來看,此種生態(tài)農(nóng)宅的夜間熱壓自然通風狀況非常好,能保持一定的通風量,達到自然通風的作用效果,保證室內空氣品質IAQ。同時利用文丘里管漸縮斷面的變截面效果,增加從臥室方向的引流作用,促進臥室的通風降溫效果。5.結果分析和討論建筑室內的實際氣流是在熱壓和風壓綜合作用下形成的。窗洞口兩邊的壓差是熱壓和風壓兩種壓差的代數(shù)和,這兩種作用可能是同一方向,也可能是相反方向,需要根據(jù)風向和室內外的溫度情況來確定。而通過開口的氣流量與綜合壓差的平方根成正比,因此吉沃尼引用J.B.迪克的研究結果,指出“即使二者的作用方向一致,通過窗洞口的氣流量也僅比在較大的一種力單獨作用下所產(chǎn)生的氣流量稍多一些(最多達40%)。8”由于夏季主導風向為南或南偏東南,與夜間熱壓通風的方向完全一致。因此在有風的條件下,風壓作用會促進熱壓作用,增強夜間自然通風效果,加強自然通風對二層、三層臥室的引流效果,促進整個生態(tài)農(nóng)