談建筑中自然通風(fēng)技術(shù)的作用原理

[摘要]本文首先介紹了建筑中自然通風(fēng)技術(shù)的作用原理，指出了自然通風(fēng)的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益，進(jìn)而論證了在建筑設計中如何實(shí)現自然通風(fēng)，提出自然通風(fēng)這項傳統的技術(shù)要與建筑所處地域的自然地理氣候特征相適應，并輔以實(shí)例分析了自然通風(fēng)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(fēng)傳統適宜技術(shù)的重視。
[關(guān)鍵詞] 自然通風(fēng) 機理 效益 地域建筑 設計
長(cháng)久以來(lái),自然通風(fēng)做為一項傳統的建筑防熱技術(shù)，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(kāi)闊的窗戶(hù)；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(fēng)口；建筑往往架空，以避開(kāi)地面的潮氣和熱氣，采集更多的涼風(fēng)——這樣形象的背后，隱藏著(zhù)勞動(dòng)人民對利用自然通風(fēng)技術(shù)的樸素觀(guān)念。自然通風(fēng)是一種具有很大潛力的通風(fēng)方式，是人類(lèi)歷史上長(cháng)期賴(lài)以調節室內環(huán)境的原始手段。
空調的產(chǎn)生，使人們可以主動(dòng)地控制居住環(huán)境，而不是象以往一樣被動(dòng)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(fēng)的應用。而在空調技術(shù)得以普及的今天，迫于節約能源、保持良好的室內空氣品質(zhì)的雙重壓力下，全球的科學(xué)家不得不重新審視自然通風(fēng)這一傳統技術(shù)。在這樣的背景下，把自然通風(fēng)這種傳統建筑生態(tài)技術(shù)重新引回現代建筑中，有著(zhù)比以往更為重要的意義。
1.自然通風(fēng)的理論機理
通常意義上的自然通風(fēng)指的是通過(guò)有目的的開(kāi)口，產(chǎn)生空氣流動(dòng)。這種流動(dòng)直接受建筑外表面的壓力分布和不同開(kāi)口特點(diǎn)的影響。壓力分布是動(dòng)力，而各開(kāi)口的特點(diǎn)則決定了流動(dòng)阻力。就自然通風(fēng)而言，建筑物內空氣運動(dòng)主要有兩個(gè)原因：風(fēng)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(fēng)壓作用下的自然通風(fēng)
風(fēng)的形成是由于大氣中的壓力差。如果風(fēng)在通道上遇到了障礙物，如樹(shù)和建筑物，就會(huì )產(chǎn)生能量的轉換。動(dòng)壓力轉變?yōu)殪o壓力，于是迎風(fēng)面上產(chǎn)生正壓(約為風(fēng)速動(dòng)壓力的0.5-0.8倍)，而背風(fēng)面上產(chǎn)生負壓(約為風(fēng)速動(dòng)壓力的0.3—0.4倍)。由于經(jīng)過(guò)建筑物而出現的壓力差促使空氣從迎風(fēng)面的窗縫和其他空隙流入室內，而室內空氣則從背風(fēng)面孔口排出，就形成了全面換氣的風(fēng)壓自然通風(fēng)。某一建筑物周?chē)�風(fēng)壓與該建筑的幾何形狀、建筑相對于風(fēng)向的方位、風(fēng)速和建筑周?chē)�的自然地形有關(guān)。
1．2熱壓作用下的自然通風(fēng)
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(chǎn)生，沿著(zhù)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(huì )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(shí)，空氣通過(guò)較低的開(kāi)口進(jìn)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(gè)開(kāi)口處的高度差和室內外的空氣密度差。而在實(shí)際中，建筑師們多采用煙囪、通風(fēng)塔、天井中庭等形式，為自然通風(fēng)的利用提供有利的條件，使得建筑物能夠具有良好的通風(fēng)效果。
1．3風(fēng)壓和熱壓共同作用下的自然通風(fēng)
在實(shí)際建筑中的自然通風(fēng)是風(fēng)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(fēng)壓受到天氣、室外風(fēng)向、建筑物形狀、周?chē)�環(huán)境等因素的影響，風(fēng)壓與熱壓共同作用時(shí)并不是簡(jiǎn)單的線(xiàn)性疊加。因此建筑師要充分考慮各種因素，使風(fēng)壓和熱壓作用相互補充，密切配合使用，實(shí)現建筑物的有效自然通風(fēng)。
1．4機械輔助式自然通風(fēng)
在一些大型建筑中，由于通風(fēng)路徑較長(cháng)，流動(dòng)阻力較大,，單純依靠自然風(fēng)壓與熱壓往往不足以實(shí)現自然通風(fēng)。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(fēng)還會(huì )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(fēng)系統。該系統有一套完整的空氣循環(huán)通道，輔以符合生態(tài)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(fēng)。
2.采用自然通風(fēng)的的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益
自然通風(fēng)是當今建筑普遍采取的一項改革建筑熱環(huán)境、節約空調能耗的技術(shù)，采用自然通風(fēng)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(guò)程有兩點(diǎn)至關(guān)重要的意義：一是實(shí)現有效被動(dòng)式制冷，當室外空氣溫濕度較低時(shí)自然通風(fēng)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(guò)舒適區，需要消耗能源進(jìn)行降溫降濕處理，也可以利用自然通風(fēng)輸送處理后的新風(fēng)，而省去風(fēng)機能耗，且無(wú)噪聲。這有利于減少能耗、降低污染，符合可持續發(fā)展的思想。二是可以提供新鮮、清潔的自然空氣（新風(fēng)），有利于人的生理和心理健康。室內空氣品質(zhì)的低劣在很大程度上是由于缺少充足的新風(fēng)�？照{所造成的恒溫環(huán)境也使得人體抵抗力下降，引發(fā)各種“空調病”。而自然通風(fēng)可以排除室內污濁的空氣，同時(shí)還有利于滿(mǎn)足人和大自然交往的心理需求。 3.建筑設計中自然通風(fēng)的實(shí)現及實(shí)例分析
傳統建筑對自然通風(fēng)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(fēng)，并注意與地域建筑的有效結合，對于自然通風(fēng)的合理利用、節約能源具有現實(shí)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(fēng)的影響效果很大�？紤]單體建筑得熱與防止太陽(yáng)過(guò)度輻射的同時(shí)，應該盡量使建筑的法線(xiàn)與夏季主導風(fēng)向一致；然而對于建筑群體，若風(fēng)沿著(zhù)法線(xiàn)吹向建筑，會(huì )在背風(fēng)面形成很大的漩渦區，對后排建筑的通風(fēng)不利。在建筑設計中要綜合考慮這兩方面的利弊，根據風(fēng)向投射角（風(fēng)向與房屋外墻面法線(xiàn)的夾角）對室內風(fēng)速的影響來(lái)決定合理的建筑間距，同時(shí)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(fēng)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(jìn)深、面寬乃至形狀等實(shí)行一定的控制。
3.2維護結構開(kāi)口的設計
建筑物開(kāi)口的優(yōu)化配置以及開(kāi)口的尺寸、窗戶(hù)的型式和開(kāi)啟方式，窗墻面積比等的合理設計，直接影響著(zhù)建筑物內部的空氣流動(dòng)以及通風(fēng)效果。根據測定，當開(kāi)口寬度為開(kāi)間寬度的1／3～2／3時(shí)，開(kāi)口大小為地板總面積的15％-25％時(shí)，通風(fēng)效果最佳。開(kāi)口的相對位置對氣流路線(xiàn)起著(zhù)決定作用。進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口宜相對錯開(kāi)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(fēng)效果更好。
3.3注重“穿堂風(fēng)”的組織
“穿堂風(fēng)”是自然通風(fēng)中效果最好的方式。所謂“穿堂風(fēng)”是指風(fēng)從建筑迎風(fēng)面的進(jìn)風(fēng)口吹人室內，穿過(guò)房間，從背風(fēng)面的出風(fēng)口流出。顯然進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口之間的風(fēng)壓差越大，房屋內部空氣流動(dòng)阻力越小，通風(fēng)越流暢。此時(shí)房屋在通風(fēng)方向的進(jìn)深不能太大，否則就會(huì )通風(fēng)不暢。
3.4在建筑設計中形成豎井空間，來(lái)加速氣流流動(dòng)，實(shí)現自然通風(fēng)。
在建筑設計中豎井空間主要形式有：
(1)純開(kāi)放空間——目前，大量的建筑中設計有中庭，主要是平面過(guò)大的建筑出于采光的考慮。從另外一個(gè)方面考慮，我們可利用建筑中庭內的熱壓形成自然通風(fēng)。由福斯特主持設計的法蘭克福商業(yè)銀行就是一個(gè)利用中庭進(jìn)行自然通風(fēng)的成功案例。在這一案例中，設計者利用計算機模擬和風(fēng)洞試驗，對60層高的中庭空間的通風(fēng)進(jìn)行分析研究。為了避免中庭內部過(guò)大的紊流，每12層作為一個(gè)獨立

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