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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(jì)效益和環(huán)境效益，進(jìn)而論證了在建筑設(shè)計(jì)中如何實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)，提出自然通風(fēng)這項(xiàng)傳統(tǒng)的技術(shù)要與建筑所處地域的自然地理氣候特征相適應(yīng)，并輔以實(shí)例分析了自然通風(fēng)與地域氣候的完美結(jié)合。旨在引起在地域建筑設(shè)計(jì)中對(duì)自然通風(fēng)傳統(tǒng)適宜技術(shù)的重視。[關(guān)鍵詞] 自然通風(fēng) 機(jī)理 效益 地域建筑 設(shè)計(jì)
長(zhǎng)久以來(lái),自然通風(fēng)做為一項(xiàng)傳統(tǒng)的建筑防熱技術(shù)，在世界各地的傳統(tǒng)民居中，得到了廣泛的應(yīng)用。在濕熱地區(qū)，人們看到的傳統(tǒng)民居往往有這樣的外表：建筑都有開闊的窗戶；采用輕便的墻體；深遠(yuǎn)的挑檐；高高在上的頂棚并且設(shè)置有通風(fēng)口；建筑往往架空，以避開地面的潮氣和熱氣，采集更多的涼風(fēng)——這樣形象的背后，隱藏著勞動(dòng)人民對(duì)利用自然通風(fēng)技術(shù)的樸素觀念。自然通風(fēng)是一種具有很大潛力的通風(fēng)方式，是人類歷史上長(zhǎng)期賴以調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境的原始手段。
空調(diào)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(yīng)自然；空調(diào)的大量使用，使人們漸漸淡化了對(duì)自然通風(fēng)的應(yīng)用。而在空調(diào)技術(shù)得以普及的今天，迫于節(jié)約能源、保持良好的室內(nèi)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(tǒng)技術(shù)。在這樣的背景下，把自然通風(fēng)這種傳統(tǒng)建筑生態(tài)技術(shù)重新引回現(xiàn)代建筑中，有著比以往更為重要的意義。
1.自然通風(fēng)的理論機(jī)理
通常意義上的自然通風(fēng)指的是通過有目的的開口，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口特點(diǎn)的影響。壓力分布是動(dòng)力，而各開口的特點(diǎn)則決定了流動(dòng)阻力。就自然通風(fēng)而言，建筑物內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng)主要有兩個(gè)原因：風(fēng)壓以及室內(nèi)外空氣密度差。這兩種因素可以單獨(dú)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，如樹和建筑物，就會(huì)產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)換。動(dòng)壓力轉(zhuǎn)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(fù)壓(約為風(fēng)速動(dòng)壓力的0.3—0.4倍)。由于經(jīng)過建筑物而出現(xiàn)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(nèi)，而室內(nèi)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)。某一建筑物周圍風(fēng)壓與該建筑的幾何形狀、建筑相對(duì)于風(fēng)向的方位、風(fēng)速和建筑周圍的自然地形有關(guān)。
1．2熱壓作用下的自然通風(fēng)
熱壓是室內(nèi)外空氣的溫度差引起的，這就是所謂的“煙囪效應(yīng)”。由于溫度差的存在，室內(nèi)外密度差產(chǎn)生，沿著建筑物墻面的垂直方向出現(xiàn)壓力梯度。如果室內(nèi)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(dāng)這些位置存在孔口時(shí)，空氣通過較低的開口進(jìn)入，從上部流出。如果，室內(nèi)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)開口處的高度差和室內(nèi)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(jié)果，只是各自的作用有強(qiáng)有弱。由于風(fēng)壓受到天氣、室外風(fēng)向、建筑物形狀、周圍環(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(bǔ)充，密切配合使用，實(shí)現(xiàn)建筑物的有效自然通風(fēng)。
1．4機(jī)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(zhǎng)，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(xiàn)自然通風(fēng)。而對(duì)于空氣污染和噪聲污染比較嚴(yán)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(nèi)，不利于人體健康。在這種情況下，常常采用一種機(jī)械輔助式的自然通風(fēng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)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(yù)冷、預(yù)熱、深井水換熱等)，并借助一定的機(jī)械方式加速室內(nèi)通風(fēng)。
2.采用自然通風(fēng)的的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益
自然通風(fēng)是當(dāng)今建筑普遍采取的一項(xiàng)改革建筑熱環(huán)境、節(jié)約空調(diào)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(diào)制冷系統(tǒng)。而這一取代過程有兩點(diǎn)至關(guān)重要的意義：一是實(shí)現(xiàn)有效被動(dòng)式制冷，當(dāng)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(nèi)溫度，帶走潮濕氣體，達(dá)到人體熱舒適，即使室外空氣溫濕度超過舒適區(qū)，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(jī)能耗，且無(wú)噪聲。這有利于減少能耗、降低污染，符合可持續(xù)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(nèi)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{(diào)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(diào)病”。而自然通風(fēng)可以排除室內(nèi)污濁的空氣，同時(shí)還有利于滿足人和大自然交往的心理需求。 3.建筑設(shè)計(jì)中自然通風(fēng)的實(shí)現(xiàn)及實(shí)例分析
傳統(tǒng)建筑對(duì)自然通風(fēng)有很多值得借鑒的方法，而在我們現(xiàn)代的建筑設(shè)計(jì)中積極地考慮自然通風(fēng)，并注意與地域建筑的有效結(jié)合，對(duì)于自然通風(fēng)的合理利用、節(jié)約能源具有現(xiàn)實(shí)意義。
3.1建筑體型與建筑群的布局的設(shè)計(jì)
建筑群的布局對(duì)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)過度輻射的同時(shí)，應(yīng)該盡量使建筑的法線與夏季主導(dǎo)風(fēng)向一致；然而對(duì)于建筑群體，若風(fēng)沿著法線吹向建筑，會(huì)在背風(fēng)面形成很大的漩渦區(qū)，對(duì)后排建筑的通風(fēng)不利。在建筑設(shè)計(jì)中要綜合考慮這兩方面的利弊，根據(jù)風(fēng)向投射角（風(fēng)向與房屋外墻面法線的夾角）對(duì)室內(nèi)風(fēng)速的影響來(lái)決定合理的建筑間距，同時(shí)也可以結(jié)合建筑群體布局的改變以達(dá)到縮小間距的目的。由于前幢建筑對(duì)后幢建筑通風(fēng)的影響，因此在單體設(shè)計(jì)中還應(yīng)該結(jié)合總體的情況對(duì)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(hù)結(jié)構(gòu)開口的設(shè)計(jì)
建筑物開口的優(yōu)化配置以及開口的尺寸、窗戶的型式和開啟方式，窗墻面積比等的合理設(shè)計(jì)，直接影響著建筑物內(nèi)部的空氣流動(dòng)以及通風(fēng)效果。根據(jù)測(cè)定，當(dāng)開口寬度為開間寬度的1／3～2／3時(shí)，開口大小為地板總面積的15％-25％時(shí)，通風(fēng)效果最佳。開口的相對(duì)位置對(duì)氣流路線起著決定作用。進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口宜相對(duì)錯(cuò)開布置，這樣可以使氣流在室內(nèi)改變方向，使室內(nèi)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(nèi)，穿過房間，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(nèi)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(shè)計(jì)中形成豎井空間，來(lái)加速氣流流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)。
在建筑設(shè)計(jì)中豎井空間主要形式有：
(1)純開放空間——目前，大量的建筑中設(shè)計(jì)有中庭，主要是平面過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(nèi)的熱壓形成自然通風(fēng)。由福斯特主持設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)者利用計(jì)算機(jī)模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)，對(duì)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(nèi)部過大的紊流，每12層作為一個(gè)獨(dú)立
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