浅谈生态建筑中的自然通风与节能

浅谈生态建筑中的自然通风与节能

OnNaturalVentilationandEnergySavinginEcologicalBuildings

郭朝福

GUOChao2fu

(富阳市建设工程质量安全监督站,浙江富阳311400)摘　要:自然风是无污染的、可再生的能源,自然通风是建筑实现节能、健康与生态等目标的重要手段。封闭的节能建筑引发了很多健康问题,以下在分析生态建筑中自然通风设计的基础上,就自然通风与节能问题展开论述,结合生态建筑的生态原则,为生态建筑中的自然通风设计提供了一定的设计依据。关键词:生态建筑;自然通风;节能

中图分类号:TU834.3+5　　　文献标识码:A　　　文章编号:1008-3707(2008)12-0051-03

　　自然通风是具有很大潜力的通风方式,不仅具有改善室内热舒适度和提高室内空气品质的优点,而且是人类历史上长期赖以调节室内环境的原始手段,也是当今建筑物实现节能、生态、环保等目标的重要手段。

我国大部分地区夏季气候炎热,供电系统常常面临紧张的电能需求和消耗压力,自然通风技术在建筑物中的应用,不仅能够节约空调、风扇等机械通风所消耗的电能,还能够改善建筑空间的生态环境,对降低建筑能耗和建设节约型城市具有非常重要的意义。

通风的效果。在建筑构造上,通过中庭、双层幕墙、风塔、门窗、屋顶等构件的优化设计,也能实现良好的自然通风效果,因而在建筑结构设计时应充分考虑并合理加以利用。

1.1　生态建筑中的完全自然通风技术

建筑中的完全自然通风技术在实现原理上有利用风压、热压以及风压与热压相结合等几种形式。1.1.1　利用风压实现自然通风　在具有良好的外

部风环境的地区,风压可作为实现自然通风的主要手段,风压通风也就是我们通常所说的“穿堂风”。当风吹向建筑时,因受到建筑的阻挡,会在建筑的迎风面产生正压力,而气流绕过建筑的各个侧面及背面,会在相应位置产生负压力,建筑的迎风面和背风面之间的压力差就实现空气的流通。压力差的大小与建筑的形式、建筑与风的夹角以及建筑周围的环境有关。当风垂直吹向建筑的正立面时,迎风面中心处正压最大,在屋角和屋脊处负压最大。1.1.2　利用热压实现自然通风　受到周围建筑布

1　生态建筑中的自然通风设计

生态建筑不仅应当具有与自然环境相和谐的良好的建筑外部环境,还要能提供舒适安全的室内环境。与其他相对复杂、昂贵的生态技术相比,自然通风是一项比较成熟而低廉的技术措施,并能取代(或部分取代)传统空调制冷系统,做到节能减排。自然通风从动力来源上可分为完全自然通风和机械辅助自然通风两种模式。对于建筑本身而言,建筑物的高度、进深、长度和迎风方位等都能影响其自然

局或高大植被的影响的建筑物可以利用建筑内部空气的热压差,即“烟囱效应”来实现建筑的自然通风。根据热空气上升的原理,在建筑上部设排风口

收稿日期:2008-07-03

作者简介:郭朝福(1972—),男,浙江江山人,工程师,从事建筑工程质量监督工作。

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52　　　　　　　　　　　　　　　　　浙　江　建　筑2008年　第25卷

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,达到自然通风的目的。在建筑设计中,可利用建筑物的楼梯间、中庭等竖向空腔满足进排风口的高差要求,而室内外温差和进、出风口的高差越大,热压作用越明显。与风压自然通风不同的是热压自然通风更能适应常变的外部风环境和不良的外部风环境。例如,英国卡斯廷的旧改新生态建筑BRE(BuildingResearchEstablishment)办公建筑就是利用热压实现自然通风的典型实例。在该建筑物的南侧立面上设置五个可以吸收太阳能加热建筑内部空气的风塔,由于热空气上升,产生热压

[1]

差,逐渐形成上升气流,从而实现自然通风。1.1.3　风压与热压相结合实现自然通风　由于建筑物受气候因素、地理位置、周边环境以及建筑布局等的影响,在实际应用中自然通风设计通常都是风压和热压相结合的,只是各自的作用有强有弱。在建筑进深较小的部位多利用风压来直接通风,而进深较大的部位则多利用热压来达到通风效果。因而建筑师在进行通风设计时,需要充分考虑各种因素,使风压和热压相互补充,配合使用,实现建筑的有效自然通风。1.2　生态建筑中的机械辅助式自然通风技术

机械辅助式自然通风是利用温差造成的热压和机械动力相结合而形成的室内外空气对流。与完全自然通风相比,虽然建筑内局部作为辅助动力的机械装置要消耗一定的能源,但是通过这种装置重新组织气流,可以使自然通风达到更好的效果。

1.2.1　对流通风系统　对流通风器在16世纪已经

室内温度、低速的送进新风,新风受到室内热源的影响而受热上升,同时也降低了发热物表面的温度,带走热量和污染物,排风在房间的上部进行,以利于排出最热的和污染物浓度最高的部分空气。1.2.3　置换多元通风系统　多元通风系统是一个

能够在不同时间、不同季节利用自然通风和机械通风的不同特性的系统,是一个结合了机械通风系统和自然通风的二元系统。它的基本原理是通过在机械通风和自然通风之间切换以维持良好的室内环境,并且避免建筑全年运行空调系统所带来的成本、能源的过度消耗和导致的环境问题。系统的运行模式随着季节改变而改变,在每一天的任意时刻,系统的运行模式反应了外部环境状况并且充分利用了当时的环境。多元通风系统由建筑设计、内部负荷、自然驱动力、外界环境决定,并能以最节能的方式满足内部环境的需要。

2　生态建筑中自然通风设计与节能

生态建筑中的自然通风不仅能提供新鲜、清洁的自然空气,带走潮湿污浊的空气,有利于人体的生理和心理健康,减少使用空调的负面影响,同时降温通风还可以在不消耗不可再生能源情况下降低室内温度,改善室内热环境,有效地减少空调耗电量,做到建筑节能。生态建筑中主要通过对建筑物的屋顶、窗户、地板等建筑构件上的优化设计来增强自然通风的效果。

2.1　屋顶的自然通风设计与节能

[2]

屋顶除了作为整个建筑自然通风系统的一个组成部分,利用天窗、烟囱、风斗等构造为气流提供进出口外,本身也可以称为一个独立的通风系统。首先,屋顶的形状和高度影响室外风压,采用翼形屋顶可以形成自然风的高压区和低压区,增强自然通风的效果;其次通风屋顶内部设有空气间层,利用热压通风原理使气流在空气间层中流动,以提高或降低屋顶内表面的温度。例如,建筑师赫尔佐格在改造德国慕尼黑的一个仓库时,在室内加建了一层包裹住整个屋顶及大部分外墙内表面的薄膜,使薄膜和原有外围护结构间的空气成为一道阻热层,起到了保温和热缓冲的作用。在屋顶上分别设置连通空气阻热层和室内空气的风帽,使屋顶可以自由地选择机械通风,也可以通过室内自然通风或空气阻热层内通风中的某一种或多种通风模式来调节室内气候。

被用于矿井通风,但是最初的水力与蒸汽动力等驱动力都不适用于建筑通风,直到热力学的进展促进了流体动力通风的发展。19世纪70-80年代,Bill2ing在建筑系统中采用了吸气风管的通风设计,同时还利用气流给建筑供暖,不是将燃烧器直接安放在吸气管中,而是装备了建筑供热用的蒸汽盘管,从而最终利用同一管道实现了通风和供暖的统一。但是随着技术的进一步完善,小型蒸汽引擎能够在建筑中使用,导致机械风机通风系统在19世纪90年代最终取代了对流通风系统。1.2.2　置换通风系统　置换通风系统是一种新型、高效的空调送风方式,具有通风效率高、改善室内空气品质的优点。它既可以弥补其它空调通风方式的不足,也能带来相当的节能效果。置换通风以低于

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第12期

2.2　窗户的自然通风与节能

郭朝福:浅谈生态建筑中的自然通风与节能53

3.2　风力发电系统的应用

建筑中的自然通风设计通常是以窗户来充当风口,窗户的形式、面积大小及安装位置等都会影响通风效率、室内气流组织和室内热舒适。窗户的通风系数随着开口面积、窗户类型和室内外温差的变化而变化,PerHeiselberg等人研究了不同类型窗户的通风特性,认为对单侧通风或贯流通风以及热压驱动的自然通风来说,在冬季最好选择底悬式窗户,在夏季最好选择侧悬式窗户。例如,伦佐・皮亚诺设计的位于南太平洋岛国的Tjibaou文化中心,就是通过百叶的开合和不同方向上百叶的配合来控制室内气流,从而实现完全被动式的自然通风,达到节约

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能源,减少污染的目的。2.3　地板的自然通风与节能[3]

生态建筑除了直接利用自然通风外,还可利用

风力发电。集中式的风力发电系统以建筑群和小区为单位,放在小区的上风处;分散式可在多风偏僻地区安装独立风车,自成体系为建筑能源。这种风能利用系统大都是将电力送入电网,建筑物再从电网获取电力。在偏远地区有条件的建筑中可设风/光互补发电系统,综合利用风能和太阳能,无需架设远距离的电网来获取电力。3.3　夜间自然通风的利用蓄热材料作为建筑维护结构可以延缓日照等因素对室内温度的影响,使室温更稳定,更均匀,即白天不会因为太阳照射而温度过高,夜晚不会因迅速冷却而温度过低。蓄热材料在白天吸收大量热量,使得室温不至于过高,但夜间室内温度居高不下。因此在夏季夜晚利用室外温度较低的冷空气对蓄热材料进行充分的通风降温,是改善夜间室内温度、发挥蓄热材料潜力的有效手段。

美国在上世纪90年代,对其封闭的节能建筑进行改造,大约有60%的建筑增加了建筑通风设施,将房间上部通风改为地板通风。采取地板通风,新鲜空气从地板的进气口上来,温度比较低,人在房间里活动,新风就围绕着人体(热源),不仅提供新鲜的室外空气,还增加体内散热及防止由皮肤潮湿引起的不适。

4　结　语

总之,生态建筑中的自然通风可以通过以上几种途径的综合运用达到节省能耗、生态环保及可持续性发展的要求的。建筑中的自然通风,仅有定性的设计是不够的,在具体建造和施工过程中,还要根据建筑的功能和地理位置进行考虑,真正做到实事求是、因地制宜,降低建筑能耗,使建筑的人工环境与自然环境达到动态的平衡,也使建筑在满足了基本的使用功能和美学要求后追求的更高目标。随着科学技术的发展,自然通风这种廉价、舒适、健康的通风方式会在生态建筑中得到广泛的应用。

参考文献

[1]　韦　峰.建筑自然通风在设计中的应用[J].河南科技大学学

3　建筑中自然通风的生态原则

自然通风可以节省能耗,具有环保和生态价值。作为建筑节能设计的手段,除了利用通风在建筑物

结构上的应用外,还可以和多种其它能源相结合,因地制宜,充分发挥可再生能源的优势,做到可持续发展的生态原则。3.1　建筑通风与太阳能利用风压和热压都是不稳定的因素,太阳能在建筑通风中的应用就是利用被动式太阳能技术加强风压和热压在建筑物中实现自然通风,其原理类似于机械辅助式通风。通过太阳能烟囱、Trombe墙以及太阳能空气集热器等结构形式,使太阳能成为强化自然通风的动力。在冬季,利用机械装置将位于屋顶太阳能集热器中的热空气吸到房间的地板处,并通过地板上的气孔进入室内实现利用太阳能采暖的目的,此后利用热压原理实现气体在房间内的循环。而在夏季的夜晚,则利用天空背景辐射使太阳能集热器迅速冷却,并将集热器中的冷空气吸入室内,达到夜间通风降温的目的。

报(自然科学版),2004,25(05):54-57.

[2]　李哲海.现代建筑屋顶与建筑的自然通风[J].节能创新,2007

(01):81-82.

[3]　HeiselbergPer.Characteristicsofairflowfromopenwindows[J].

BuildingandEnvironment,2001,36(7):859-869.

[4]　王　鹏,谭　刚.生态建筑中的自然通风[J].世界建筑,2000

(4):62-65.

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