自然通風原理在綠色建筑中的應用

方 雷

(安徽省城建設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230051)

1 工程概況

本文以安徽省天長市房屋建筑工程作為研究對象，該項目距離南京市只有50.2 km，該房屋建筑所處的地理位置較高，周圍的公共交通出行便捷。

此次研究的內容主要針對天長市某酒店的設計活動，該項目總建筑面積為86 586.27 m2，分為地上建筑物與地下室，地上建筑總面積設計為29 672.84 m2，地下室建筑總面積設計為35 784.89 m2。

2 自然通風原理及局限性

在實際設計建筑物空間布局時，必須重視房屋內的采光、通風問題，優化建筑空間的平面、結構。假若屬于過渡季典型施工狀況，那么大部分房間的自然通風次數必須達到2次/h；假若無法利用科學的模擬技術來優化設計方案，則應該參照以下基本要求確定：自然通風房間的外窗凈面積不得低于該房間內底板面積的4%；假若房間無法通過自身實現自然通風，需要借助臨近房間實現自然通風時，房間的通風口面積不得低于該房間凈面積的8%；單側房間的自然通風進風口深度應控制在房間凈高度的3倍以內。假若建筑物屬于高層建筑，以上設計應該結合實際情況而定。

2.1 自然通風

2.1.1 風壓作用下的自然通風

風之所以會產生主要是因為大氣環境中的氣壓差異。風在運動的過程中遇到障礙物時，例如樹木、建筑物等就會出現能量轉換。在這種情況下，動態壓力會立即轉變為靜態壓力，結合實際情況而言，迎風面會形成正壓力，背風面會形成負壓力。當風在經過建筑物時，會產生壓力促使空氣沿著建筑物的窗口進入到房間內，房間內的空氣則沿著背風面排除，這就是自然通風的基本原理。綜合而言，建筑物附近的風壓主要受建筑物的外形輪廓、風速、風向影響[1]。

2.1.2 熱壓作用下的自然通風

熱壓形成的原理是建筑物內部的溫度與外部溫度之間存在差異性而形成的。由于兩個獨立的空間之間的溫度存在差異，促使室內外的空氣密度存在差異，在這種情況下，會順著建筑物的墻面豎直方向形成壓力階梯。假若建筑物內部的溫度高于建筑物外部的溫度，那么室內上部空間的壓力會變大，下部壓力則減小，在這種情況下，空氣則會在氣壓的驅動下沿著高壓部位向低壓部位流動[2]。熱壓的大小主要受開口位置的高度差異影響。結合實際情況來看，大部分的建筑師均通過設計煙囪、通風塔來實現自然通風的目的。

2.1.3 風壓和熱壓共同作用下的自然通風

嚴格意義上來講，建筑物實現自然通風是風壓與熱壓共同作用產生的一種結果，但是二者在其中所發揮出來的作用程度有所差異。由于風壓往往會受到自然氣候、建筑物外形、周圍環境的影響，促使風壓與熱壓在共同作用下并非呈現出簡單的線性疊加。建筑師在實際設計的過程中，需要考慮多方面影響因素對房間自然通風所造成的影響，確保風壓與熱壓共同作用，高效地實現自然通風。

2.2 自然通風技術應用的局限性

1)建筑物內部熱量的局限性。假若想要實現自然通風，應保證建筑物外部的溫度大幅度低于建筑物內部溫度，在氣壓的驅動下，建筑物外部空氣會流向至建筑物內部，以此實現自然通風的目的。針對完全依靠通風降溫的建筑物，其降溫的效果會受到諸多因素的影響，建筑物獲取熱量只是其中一個相對比較重要的因素，當獲取的熱量越大時，利用降溫提高室內舒適性的可能性越小。結合調研結果來看，完全利用通風降溫的建筑物，房間內的熱量控制在40 W/m2以內比較合適。

2)建筑物外部空氣濕度的局限性。借助自然通風可以降低建筑物內部溫度，但是這種方法并不適用于降低建筑物內部空氣濕度活動。所以，自然通風一般不適合使用在環境比較濕潤的區域內。

3)噪音及污染物局限性。根據管理要求進行分析，利用自然通風將建筑物外部的噪音量控制在70 dB以內。此外，自然通風口附近的室外空氣質量必須滿足衛生管理規定。噪音量管理與空氣污染管理是城市環境管理的難題之一，所以自然通風技術在城市地區未能獲得良好的發展。

3 自然通風模擬分析

風壓作用下與熱壓作用下的自然通風動力影響因素存在差異，通常情況下，風壓與熱壓在建筑物中同時存在。熱壓作用的效能主要是受排風口的高度、建筑物內部溫度、建筑物外部溫度等因素影響。

當自然風從正面流向建筑物時，自然風會因為建筑物外立面的阻擋而形成正壓區，氣流會沿著建筑物表面向四周流動，同時在建筑物的側面及背面形成負壓區。自然通風的動力即正壓區與負壓區之間的壓力差，這種壓力差與建筑物的外形、空間布局、周圍環境之間存在緊密的關聯。

3.1 模型建立及邊界條件

1)模型建立。因室外氣流場與自然通風的效果會受到附近建筑物分布密度的影響，所以結合整體規格平面搭建出科學的計算模型，如圖1所示。

圖1 平面布置圖和模型圖

2)邊界條件。為保證建筑物圍護結構的熱工性能滿足設計及規范要求，將邊界條件確定：圍護結構需受到太陽照射與外部溫度的熱作用。室外溫度計算表達式為：

(1)

式中，ts為室外溫度，℃；tw為室外計算溫度，℃；ρ為圍護結構外表面對太陽輻射的吸收系數；J為維護結構所在朝向的日間太陽總輻射強度，W/m2；αw為維護結構外表面換熱系數，取值為23 W/(m2·K)。

3)分析工況。選取滁州地區典型氣象年過渡季的平均風速、風向頻率等參數，具體如表1所示。

表1 滁州地區過渡季風速、風向

3.2 模擬及分析

3.2.1 建筑室外流場模擬及建筑開口方案的確定

自然通風時利用室外的風力形成風壓，促使室外與室內的空氣溫度差異形成熱壓，在熱壓的作用下空氣開始流動，實現室外內空氣交換。該項目的室內空間中并不是很寬闊，所以熱壓作用下的自然通風效果不顯著，需要對該建筑物進行開口設計，在這種情況下應分析風壓作用，利用風壓作為自然通風的主要驅動力。

結合自然通風的基本原理來看，為保證自然通風的效果，應在建筑物的迎風面與背風面分別設置進風口與出風口。進一步對建筑物的室外環境中氣流場進行模擬，結合房屋建筑設計基本要求，初步設計建筑物的開口方案。由于該房屋建筑項目內還設計有展廳，為保證自然通風的效果，暫時不對展廳空間設置開口。

此次研究選擇使用PHOENICS2014版軟件對建筑物附近的溫度環境進行研究分析。以微觀角度作為出發點，對某個特定的房間進行試驗，將質量、能量計算表達式作為依據來對模型進行計算，分析該房間內空氣流動狀況。對自然風進行模擬，通過對區域內的風場進行優化設計，模擬出寬闊空間的流場，借助研究模型所提供的直觀形象的信息，以便于設計人員對通風問題進行優化設計，提高自然通風的效果。

此次研究選擇使用的是k-ε湍流模型，該研究模型經過多次實踐論證，具備較強的可靠性。自然風對流的過程中，氣流的浮升力發揮出關鍵性作用，因此，動量計算表達式內的密度波動可以使用Boussinesq進行處理，簡單而言就是輸入一個膨脹系數，保證空氣密度及溫度波動關系，符合以下表達式：

ρ2=ρ1/[1+β(t1-t2)]

(2)

式中,ρ2為固體密度,kg/m3；ρ1為氣體密度,kg/m3；β為膨脹系數；t1為固體溫度,℃；t2為氣體溫度,℃。

此次研究主要是考慮三方面的影響要素：風速、空氣齡、氣壓。

3.2.2 過渡季節工況下建筑的自然通風模擬及優化設計

此次研究使用的風壓值根據建筑物外部環境模擬結果進行確定，對建筑物內部的自然通風進行模擬，模擬結果見圖2～3。

圖2 1.2 m高度處風速云圖

圖3 1.2 m高度處空氣齡圖

結合以上信息可以了解到，該建筑物內部空氣流場分布比較均勻，整體分數保持在0.02～0.40 m/s；建筑物四層的空氣齡最大值為640 s，未超過1 800 s，所以房間內的自然通風換氣次數應該控制在2次/h以內。

結合以上模擬結果，在設計原則的基礎上對原設計方案進行了優化，在西北側客房、休息廳的立面位置擴大了開口面積。通過對設計優化前后的自然通風效果進行對比分析，當開口設計方案優化以后，休息廳的風速保持在0.02～0.4 m/s，不難發現，房間內的自然通風效果大幅度提升。相較之休息廳，由于西北側客房位于建筑物空間的西北角，過渡季節時的風向屬于ESE向，風流受建筑物遮擋影響比較大，所以該部位的自然通風效果無法與休息廳相比。以初步性設計的開口方案而言，四樓客房的房間外墻全部設置了開口，自然通風的效果比較理想，室內的風速穩定控制在0.5 m/s以上；走廊部分由于兩端設置了開口，該區域的自然通風效果比較好，室內的風速保持在0.3～0.5 m/s；客房內部衛生間的自然通風狀況不是很理想，少部分區域的風速未超出0.1 m/s，并且存在空氣滯留現象，整體自然通風的效果不理想。

通過設計優化后，其房間內的通風狀況也有所改善，但是仍然存在空氣滯留的問題，所以在衛生間需要增加機械通風。

4 結束語

建筑物的自然通風狀況主要受到建筑物環境、空間布局、氣象環境等多方面的因素影響，但這些因素并非通過開口的方式來形成空氣壓力差異，所以建筑師在實際設計的過程中應該著重注意以下內容。

1)巧妙借助建筑物的朝向、外形、風向進行設計，促使建筑物形成更多的迎風面或背風面，還可以通過調整外立面的平整度，促使墻面形成正壓、負壓區域，產生壓力差，促進室內換風。

2)單側開口且跨度較小的房間，開口間無法產生壓力差，可以利用門窗與走廊來改善室內的通風狀況。

3)機械通風是利用換氣扇等新風設備來使房間空氣循環流動。與自然通風相比較，這種方法可以使大量的空氣進行循環。并且導入新風是可以有效地控制的(大小、時效、風路)，不需要依賴外部自然條件。當內區不滿足自然通風房間，需增加機械通風。

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