綠色建筑策略-自然通風技術自然通風是一種具有很大潛力的通風方式，它具有節能、改善室內熱舒適性和提高室內空氣品質的優點，是人類歷史上長期賴以調節室內環境的原始手段。在空調技術得以普及，機械通風廣泛應用的今天，迫于節約能源、保持良好的室內空氣品質的雙重壓力下，全球的科學家開始重新審視自然通風技術。自然通風在實現原理上有利用風壓、利用熱壓、風壓與熱壓相結合以及機械輔助通風等幾種形式。現代人類對自然通風的利用已經不同于以前開窗、開門通風，而是綜合利用室內外條件來實現。如根據建筑周圍環境、建筑布局、建筑構造、太陽輻射、氣候、室內熱源等，來組織和誘導自然通風。在建筑構造上，通過中庭、雙層幕墻、風塔、門窗、屋頂等構件的優化設計，來實現良好的自然通風效果。采用自然通風的意義采用自然通風取代空調制冷技術至少具有兩方面的意義:一是實現了被動式制冷。自然通風可在不消耗不可再生能源情況下降低室內溫度,改善室內熱環境。二是可提供新鮮、清潔的自然空氣，帶走潮濕污濁的空氣，有利于人體的生理和心理健康。建筑中常用的自然通風實現方式主要有以下幾種:1、利用風壓實現自然通風節能自然通風最基本的動力是風壓和熱壓。在具有良好的外部風環境的地區,風壓可作為實現自然通風的主要手段。在我國大量的非空調建筑中,利用風壓促進建筑的室內空氣流通,改善室內的空氣環境質量,是一種常用的建筑處理手段。風洞試驗表明:當風吹向建筑時,因受到建筑的阻擋,會在建筑的迎風面產生正壓力。同時,氣流繞過建筑的各個側面及背面,會在相應位置產生負壓力。風壓通風就是利用建筑的迎風面和背風面之間的壓力差實現空氣的流通。壓力差的大小與建筑的形式、建筑與風的夾角以及建筑周圍的環境有關。當風垂直吹向建筑的正立面時,迎風面中心處正壓最大,在屋角和屋脊處負壓最大。另外,伯努利流體原理顯示,流動空氣的壓力隨其速度的增加而減小,從而形成低壓區。依據這種原理,可以在建筑中局部留出橫向的通風通道,當風從通道吹過時,會在通道中形成負壓區,從而帶動周圍空氣的流動,這就是管式建筑的通風原理。通風的管式通道要在一定方向上封閉,而在其他方向開敞,從而形成明確的通風方向。這種通風方式可以在大進深的建筑空間中達到較好的通風效果。2、利用熱壓實現自然通風自然通風的另一原理是利用建筑內部空氣的熱壓差即通常講的“煙囪效應”來實現建筑的自然通風。利用熱空氣上升的原理,在建筑上部設排風口可將污濁的熱空氣從室內排出,而室外新鮮的冷空氣則從建筑底部被吸入。熱壓作用與進、出風口的高差和室內外的溫差有關,室內外溫差和進、出風口的高差越大,則熱壓作用越明顯。在建筑設計中,可利用建筑物內部貫穿多層的豎向空腔如樓梯間、中庭、拔風井等滿足進排風口的高差要求,并在頂部設置可以控制的開口,將建筑各層的熱空氣排出,達到自然通風的目的。與風壓式自然通風不同,熱壓式自然通風更能適應常變的外部風環境和不良的外部風環境。3、風壓與熱壓相結合實現自然通風在建筑的自然通風設計中,風壓通風與熱壓通風往往是互為補充、密不可分的。一般來說,在建筑進深較小的部位多利用風壓來直接通風,而進深較大的部位則多利用熱壓來達到通風效果。位于英國萊徹斯特的蒙特福德大學女王館就是這方面的一個優秀實例。建筑師肖特和福特將龐大的建筑分成一系列小體塊,既在尺度上與周圍古老的街區相協調,又能形成一種有節奏的韻律感,同時小的體量使得自然通風成為可能。位于指狀分支部分的實驗室、辦公室進深較小,可以利用風壓直接通風;而位于中間部分的報告廳、大廳及其它用房則更多地依靠“煙囪效應”進行自然通風 。同時,建筑的外維護結構采用厚重的蓄熱材料,使得建筑內部的得熱量降到最低。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于實現自然通風。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。5、雙層維護結構雙層維護結構是當今生態建筑中所普遍采用的一項先進技術,被譽為“可呼吸的皮膚”。雙層維護結構一般由雙層玻璃或三層玻璃組成,在兩層玻璃之間留有一定寬度的空隙形成空氣夾層,并配有可調節的深色百頁。在冬季,空氣夾層和百頁可以形成一個利用太陽能加熱空氣的裝置,提高建筑外墻表面溫度,有利于建筑的保溫采暖;在夏季,則可以利用熱壓原理將熱空氣不斷從夾層上部排出,達到降溫的目的。對于高層建筑來說,直接對外開窗容易造成紊流,不易控制,而雙層維護結構則能夠很好的解決這一問題。建筑設計與自然通風自然通風效果與建筑構件(窗、門、墻體等)有著密切關系。我們在建筑結構設計時應考慮充分利用自然通風。1、雙層玻璃幕墻(double2skin facade)在歐洲,采用玻璃幕墻的建筑很流行,為減少夏季空調的冷負荷,需要遮陽設備。研究表明,采用外遮陽設備比內遮陽設備節能效果更佳,但外遮陽設備投資大且影響美觀。于是發展了雙層玻璃幕墻,雙層玻璃之間留有較大的空間,常被稱為“會呼吸的皮膚”。有時可將房間的窗戶開向墻穴。在冬季,雙層玻璃間層形成陽光溫室,提高建筑圍護結構表面溫度;在夏季,可利用煙囪效應在間層內通風。玻璃幕墻間層內氣流和溫度分布受雙層墻及建筑的幾何、熱物理、光和空氣動力特性等因素的影響。CFD和network 方法的模擬結果表明,該結構可大大減少建筑冷負荷,提高自然通風效率 。雙層玻璃幕墻具有如下優點:避免開窗帶來的對室內氣候的干擾;使室內免受室外交通噪聲的干擾;夜間可安全通風。然而由于大量使用玻璃,夏季會增加太陽輻射得熱而使夾層內的溫度很高,引起能耗增加,甚至導致辦公室過熱。所以為減少其帶來的不利影響,內層可采用淺色玻璃,間層內設置窗檐, 但應注意窗檐、風口、窗戶的合理安裝。2、窗戶大多數情況下,自然通風系統中以窗戶來充當風口,窗戶的形式、面積大小及安裝位置影響通風效率、室內氣流組織和室內熱舒適。Per Heiselberg等人研究了不同類型窗戶的通風特性,認為對于單側自然通風、貫流通風或熱壓驅動的自然通風來說,在冬季最好選擇底懸式窗戶,在夏季最好選擇側懸式窗戶。窗戶的通風系數Cd 隨著開口面積、窗戶類型和室內外溫差的變化而變化,不能認為是常數,僅當開口面積較大時,通風系數才近似等于0.6。3、中庭高層建筑可利用中庭的熱壓作用實現自然通風,德國法蘭克福商業銀行總部大樓便是成功的一例 。有中庭的建筑越來越多,但大多為封閉式,設計的目的主要是采光。4、風塔由垂直豎井和幾個風口組成,在房間的排風口末端安裝太陽能空氣加熱器以對從風塔頂部進入的空氣產生抽吸作用。該系統類似于風管供風系統。5、屋頂屋頂的形狀影響室外風壓,從而影響自然通風效果。可采用翼形屋頂以便形成高壓區和低壓區。用CFD方法和實驗方法研究了自然通風建筑中,屋頂形狀和屋頂高度對自然通風情況下的室內氣流分布和室內氣流流速的影響。自然通風整體設計自然通風與機械通風不同,它受氣候、建筑周圍的微環境、建筑結構及建筑內部熱源分布情況的強烈影響,所以它的設計是與氣候、環境、建筑融為一體的整體設計。其整體設計步驟如下。1、確定氣候的自然通風潛力自然通風潛力(NVP) ,指僅依靠自然通風就可確保可接受的室內空氣品質和室內熱舒適性的潛力。根據建筑所在地區的宏觀氣候條件,如宏觀風速分布和風向(風玫瑰圖) 、宏觀氣溫分布、太陽輻射照度、室外空氣濕度等來確定該地區氣候的自然通風潛力。在確定自然通風方案之前,有必要收集建筑所在地區的氣象參數逐時變化情況資料并進行分析。2、確定建筑微環境的自然通風潛力根據建筑微環境如建筑周圍風速分布及氣溫分布、城市地形與布局(建筑平均高度、建筑分布情況、街道的布局、植被分布等) 、建筑內部布置、建筑高度、室外噪聲水平、室外污染等來確定建筑微環境的自然通風潛力。建筑微環境對自然通風的影響很復雜,目前這方面的研究較少。3、預測自然通風驅動力,確定自然通風方案根據建筑周圍微環境和建筑內部情況(如熱源分布、房間大小、房間的布置、內隔斷、房間的位置等) 預測自然通風驅動力,確定自然通風方案和設計氣流路徑。一般情況下,自然通風驅動力是很小的,自然通風系統中風口兩側的壓差一般小于10 Pa ,而機械通風系統風口兩側壓差為100Pa 。當預測的自然通風驅動力很小時,就需考慮是否可以通過改變建筑設計方案,如用雙層玻璃墻,或設計為中庭式建筑,或改變窗戶形式、位置及大小等,或采用風機輔助式自然通風。文獻41 從房間的進深( d) 與高度( h) 的關系考慮,認為當d = 2 h 時,采用單風口單側通風較好;當d = 2. 5 h 時,采用兩風口單側通風較好;當d = 5 h 時,采用貫流通風較好。4、根據設計要求和設計參數選擇通風設備和確定通風設備的安裝位置與大小自然通風的設計要求和設計參數與機械通風有很大的差別,因為在自然通風環境中,人們能夠忍受較大的溫度波動范圍,而這個溫度范圍已超出了ASHRAE 55 1992 標準的規定值,所以應制定適合于自然通風的設計標準。目前還沒有較完整的自然通風設計指南或手冊,而且目前的研究成果還遠遠不能滿足自然通風設計的要求。自然通風設備主要指戶、風口、排風豎井、天窗、門及風機等。窗戶、風口的形式和安裝位置是影響自然通風效率的關鍵因素。目前已研究出了適合于自然通風的自控型通風口。5、控制系統的設計因為影響自然通風的各種因素是動態變化的,所以自然通風是一個動態變化過程,如何在自然通風的動態變化過程中保證室內的熱舒適性呢? 控制系統應起關鍵作用。自然通風控制系統一般包括手動控制和自動控制。手動控制以保證不同人的實際需要,增強了人控制環境的自主能動性。自然通風的控制主要是對風口的控制。但如果是風機輔助式自然通風(混合通風) ,則還須控制風機的啟停,控制問題變得復雜。6、評估設計方案并作修改評價一個設計方案的優劣,首先應確立一個評價標準。自然通風系統評估標準應與機械通風系統評估標準有所不同。在評價一個機械通風方案時,通常確定一些指標,如通風效率、空氣齡,那么在評價一個自然通風方案時,應確立什么樣的評價指標呢? 這有待于進一步的探討。總之,自然通風系統的設計應從動態和整體的觀念出發,與建筑結構設計密切配合,需建筑師、土木工程師、建筑設備工程師及電力控制師甚至房主的參與,未來建筑物的整體設計將越來越重要。另外,自然通風系統的兩個重要設計參數,即通風量與室內溫度相互影響,故其設計還需借助于一些設計和分析工具。高層建筑中的自然通風問題與多層建筑的自然通風相比,高層建筑的自然通風有其特殊性。風壓在垂直方向的分布有利于高層建筑的自然通風,但過高的風壓卻會使建筑的門窗難于開啟,也給建筑室內的使用帶來不便,而且在冬季會帶走大量的熱能,不利于保溫要求。而太高的中庭空間則會形成過大的熱壓,如不能有效控制,則會產生強烈的紊流,甚至在底層進氣口產生令人不安的嘯叫。根據凡丘里現象:當流動的空氣暫時遇到壓縮時,例如空氣進入一個漏斗型的通風井口時,受壓縮的氣流速度加快,氣壓降低。當建筑中設有導風墻時,導風墻可以在平面上被看作是一個漏斗,門窗則被視為進風口。楊經文設計的馬來西亞檳榔嶼州Menara Umno 是第一個利用自然通風來創造舒適室內環境的高層建筑。由于氣候濕熱,為了獲得舒適的內部環境,需要一個較高的空氣交換率。因此,為了引入自然風,在開口處采用了“風墻”體系。將“風墻”安排在有通高推拉門的陽臺部位,兩道風墻形成了喇叭狀的口袋,將風捕捉到陽臺。陽臺內的推拉門可以根據所需風量控制開口的大小,也可完全關閉,形成“空氣鎖”。這一構思來自建筑師對當地風向資料的分析,實踐證明這種“風墻”與“空氣鎖”的設置效果很好。在法蘭克福商業銀行的設計過程中,針對塔樓60 層高度中庭空間的自然通風狀況,福斯特及其合作者進項了無數次計算機模擬和風洞試驗。結果顯示,如果整個中庭從上到下不加分隔,在很多情況下中庭內部將產生令人無法忍受的紊流。因此福斯特只得將每12 層作為一個單元,在每個單元內部利用熱壓來進行自然通風,各個單元之間通過透明玻璃相分隔。這樣,整個中庭便成為一個個自然通風單元,而不再是一個通高的“大煙囪”。為了減少過高的風壓和熱壓對高層建筑自然通風的不利影響,1990 年英恩霍文在波恩電話大樓的設計中發展了雙層玻璃幕墻,這一革命性的設想,在埃森RWE 辦公大樓得以實現。幕墻內外層玻璃間隔50 mm ,即形成可蓄熱的空腔,提供了節能的可能性,又可以通過內層可開啟的玻璃窗實現室內各層間的自然通風。由于外層的玻璃阻擋了高空的風力,人們第一次可以在高層建筑中打開窗戶,讓室外的新鮮空氣流入室內。這一新異的構想使大樓基本上放棄了昂貴的機械空調,使自然通風率達到70 % ,節能30 % 。自然通風研究方法1.實驗法1.1風洞模型實驗法風洞實驗的原理是相似性原理,它應用于自然通風中主要是模擬建筑表面及建筑周圍的壓力場和速度場,以及確定風壓系數,預測自然通風性能。1.2示蹤氣體測量法示蹤氣體測量法可以預測建筑通風量和氣流分布。有兩種測量方法:定濃度法和衰減法。所謂定濃度法,就是在測試期間,保持所有測試房間的示蹤氣體濃度不變,而改變示蹤氣體注射量,它可用來處理驅動力發生改變的通風問題,如滲透問題和自然通風。而衰減法指向測試房間注入一定量的示蹤氣體,隨著示蹤氣體在測試房間的擴散,示蹤氣體的濃度呈衰減趨勢。在自然通風中可用該方法來預測自然通風量。1.3熱浮力實驗模型技術用熱浮力實驗模型技術模擬熱壓驅動的自然通風的物理過程比較直觀。目前主要有4 種技術:帶有加熱裝置的氣體模擬法(the gas modeling system ,以空氣或其他氣體作為流動介質,熱浮力由固定的加熱裝置產生) ;帶有加熱裝置的水模型系統( the water modeling system ,以水作為介質,有固定的加熱裝置) ; 鹽水模擬法( the brine2water modeling ,利用鹽水的濃度差產生類似于熱羽的流動,已被廣泛接受,但需大蓄水池和不斷補充鹽水) ; 氣泡技術(a fine bubble technique ,由電路的陰極產生氣泡以模擬熱羽運動,可以模擬點源、線源及垂直熱源的情況) 。其缺點為:不能模擬建筑熱特性對自然通風的影響。對風壓與熱壓共同驅動的自然通風的實驗模擬較復雜,可以通過改進這4 種模擬法或綜合這4 種模擬法使之能模擬二力共同驅動的自然通風。圖9b是將鹽水模擬技術加以改進而得出的一種模擬風壓輔助熱壓式自然通風。裝有鹽水的水箱懸掛在裝有純凈水的大水箱中,鹽水箱上部接一直徑很小的管道與一補水箱相連,其兩側開有許多孔口且可通過調節其上的插栓來調節每個孔口面積。用小水箱與大水箱間的鹽水濃度差以模擬熱壓,通過泵來調節鹽水箱的水流出速度及鹽水箱兩側的壓差(可由壓差計測量) 以模擬風力 。2.數值模擬法2.1 CFD 方法應用相當廣泛,該方法就是將房間劃分為小的控制體,把控制空氣流動的連續的微分方程組通過有限差分或有限元方法離散為非連續的代數方程組,并結合實際的邊界條件在計算機上求解離散所得的代數方程組,只要劃分的控制體足夠小,就可認為離散區域的離散值代表整個房間內空氣分布情況。由于分割的控制體可以很小,所以它可詳細描述流場,但由于求解的問題往往是非線性的,需進行多次迭代,故較耗時。它可與建筑能源模擬軟件如EnergyPlus 進行耦合。2.2 多區模型方法(multi2zone model 或single2flow element model)假設每個房間的特征參數分布均勻,則可將建筑的一個房間看作一個節點,通過窗戶、門、縫隙等與其他房間連接。其優點是簡單,可以預測通過整個建筑的風量,但不能提供房間的溫度與氣流分布信息。該方法是利用伯努利方程求解開口兩側的壓差,根據壓差與流量的關系就可求出流量。它只適用于預測每個房間參數分布較均勻的多區建筑的通風量,不適合預測建筑內的氣流分布。2.3區域模型方法(zonal model 或multi2flow elements model)許多文獻中介紹的區域模型方法與多區模型方法相同。實際上,多區模型方法過分簡化了系統,產生很大誤差,尤其在處理熱壓驅動的自然通風等室內溫度產生明顯分層的情況時誤差很大方法的基本思想是:將房間劃分為一些有限的宏觀區域,認為每個區域的相關參數如溫度、濃度等相等,而區域間存在熱質交換;建立質量和能量守恒方程,并充分考慮區域間壓差和流動的關系來研究房間內的溫度分布及流動情況。可見該方法比多區模型方法復雜和精確,