淺談生態建筑中的自然通風與節能

郭朝福

(富陽市建設工程質量安全監督站，浙江富陽311400)

    自然通風是具有很大潛力的通風方式，不僅具有改善室內熱舒適度和提高室內空氣品質的優點，而且是人類歷史上長期賴以調節室內環境的原始手段，也是當今建筑物實現節能、生態、環保等目標的重要手段。

    我國大部分地區夏季氣候炎熱，供電系統常常面臨緊張的電能需求和消耗壓力，自然通風技術在建筑物中的應用，不僅能夠節約空調、風扇等機械通風所消耗的電能，還能夠改善建筑空間的生態環境，對降低建筑能耗和建設節約型城市具有非常重要的意義。

1.生態建筑中的自然通風設計

    生態建筑不僅應當具有與自然環境相和諧的良好的建筑外部環境，還要能提供舒適安全的室內環境。與其他相對復雜、昂貴的生態技術相比，自然通風是一項比較成熟而低廉的技術措施，并能取代(或部分取代)傳統空調制冷系統，做到節能減排。自然通風從動力來源上可分為完全自然通風和機械輔助自然通風兩種模式。對于建筑本身而言，建筑物的高度、進深、長度和迎風方位等都能影響其自然通風的效果。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，也能實現良好的自然通風效果，因而在建筑結構設計時應充分考慮并合理加以利用。

    1.1生態建筑中的完全自然通風技術

    建筑中的完全自然通風技術在實現原理上有利用風壓、熱壓以及風壓與熱壓相結合等幾種形式。

    1.1.1利用風壓實現自然通風

    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，風壓通風也就是我們通常所說的“穿堂風”。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，而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，建筑的迎風面和背風面之間的壓力差就實現空氣的流通。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。

    1.1.2利用熱壓實現自然通風

    受到周圍建筑布局或高大植被的影響的建筑物可以利用建筑內部空氣的熱壓差，即“煙囪效應”來實現建筑的自然通風。根據熱空氣上升的原理，在建筑上部設排風口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，達到自然通風的目的。在建筑設計中，可利用建筑物的樓梯間、中庭等豎向空腔滿足進排風口的高差要求，而室內外溫差和進、出風1：3的高差越大，熱壓作用越明顯。與風壓自然通風不同的是熱壓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。例如，英國卡斯廷的舊改新生態建筑BRE(Building Research Establishment)辦公建筑就是利用熱壓實現自然通風的典型實例。在該建筑物的南側立面上設置五個可以吸收太陽能加熱建筑內部空氣的風塔，由于熱空氣上升，產生熱壓差，逐漸形成上升氣流，從而實現自然通風。

    1.1.3壓與熱壓相結合實現自然通風

    由于建筑物受氣候因素、地理位置、周邊環境以及建筑布局等的影響，在實際應用中自然通風設計通常都是風壓和熱壓相結合的，只是各自的作用有強有弱。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。因而建筑師在進行通風設計時，需要充分考慮各種因素，使風壓和熱壓相互補充，配合使用，實現建筑的有效自然通風。

    1.2生態建筑中的機械輔助式自然通風技術

    機械輔助式自然通風是利用溫差造成的熱壓和機械動力相結合而形成的室內外空氣對流。與完全自然通風相比，雖然建筑內局部作為輔助動力的機械裝置要消耗一定的能源，但是通過這種裝置重新組織氣流，可以使自然通風達到更好的效果。

    1.2.1對流通風系統對流通風器

    在16世紀已經被用于礦井通風，但是最初的水力與蒸汽動力等驅動力都不適用于建筑通風，直到熱力學的進展促進了流體動力通風的發展。19世紀70—80年代，Bill-ing在建筑系統中采用了吸氣風管的通風設計，同時還利用氣流給建筑供暖，不是將燃燒器直接安放在吸氣管中，而是裝備了建筑供熱用的蒸汽盤管，從而最終利用同一管道實現了通風和供暖的統一。但是隨著技術的進一步完善，小型蒸汽引擎能夠在建筑中使用，導致機械風機通風系統在19世紀90年代最終取代了對流通風系統。

    1.2.2置換通風系統

    置換通風系統是一種新型、高效的空調送風方式，具有通風效率高、改善室內空氣品質的優點。它既可以彌補其它空調通風方式的不足，也能帶來相當的節能效果。置換通風以低于室內溫度、低速的送進新風，新風受到室內熱源的影響而受熱上升，同時也降低了發熱物表面的溫度，帶走熱量和污染物，排風在房間的上部進行，以利于排出最熱的和污染物濃度最高的部分空氣。

    1.2.3置換多元通風系統

    多元通風系統是一個能夠在不同時間、不同季節利用自然通風和機械通風的不同特性的系統，是一個結合了機械通風系統和自然通風的二元系統。它的基本原理是通過在機械通風和自然通風之間切換以維持良好的室內環境，并且避免建筑全年運行空調系統所帶來的成本、能源的過度消耗和導致的環境問題。系統的運行模式隨著季節改變而改變，在每一天的任意時刻，系統的運行模式反應了外部環境狀況并且充分利用了當時的環境。多元通風系統由建筑設計、內部負荷、自然驅動力、外界環境決定，并能以最節能的方式滿足內部環境的需要。

2.生態建筑中自然通風設計與節能

    生態建筑中的自然通風不僅能提供新鮮、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，減少使用空調的負面影響，同時降溫通風還可以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，有效地減少空調耗電量，做到建筑節能。生態建筑中主要通過對建筑物的屋頂、窗戶、地板等建筑構件上的優化設計來增強自然通風的效果。

    2.1屋頂的自然通風設計與節能

    屋頂除了作為整個建筑自然通風系統的一個組成部分，利用天窗、煙囪、風斗等構造為氣流提供進出口外，本身也可以稱為一個獨立的通風系統。首先，屋頂的形狀和高度影響室外風壓，采用翼形屋頂可以形成自然風的高壓區和低壓區，增強自然通風的效果；其次通風屋頂內部設有空氣間層，利用熱壓通風原理使氣流在空氣間層中流動，以提高或降低屋頂內表面的溫度。例如，建筑師赫爾佐格在改造德國慕尼黑的一個倉庫時，在室內加建了一層包裹住整個屋頂及大部分外墻內表面的薄膜，使薄膜和原有外圍護結構間的空氣成為一道阻熱層，起到了保溫和熱緩沖的作用。在屋頂上分別設置連通空氣阻熱層和室內空氣的風帽，使屋頂可以自由地選擇機械通風，也可以通過室內自然通風或空氣阻熱層內通風中的某一種或多種通風模式來調節室內氣候。

    2.2窗戶的自然通風與節能

    建筑中的自然通風設計通常是以窗戶來充當風口，窗戶的形式、面積大小及安裝位置等都會影響通風效率、室內氣流組織和室內熱舒適。窗戶的通風系數隨著開口面積、窗戶類型和室內外溫差的變化而變化，Per Heiselber9等人研究了不同類型窗戶的通風特性，認為對單側通風或貫流通風以及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。例如，倫佐·皮亞諾設計的位于南太平洋島國的Tjibaou文化中心，就是通過百葉的開合和不同方向上百葉的配合來控制室內氣流，從而實現完全被動式的自然通風，達到節約能源，減少污染的目的。

    2.3地板的自然通風與節能

    美國在上世紀90年代，對其封閉的節能建筑進行改造，大約有60％的建筑增加了建筑通風設施，將房間上部通風改為地板通風。采取地板通風，新鮮空氣從地板的進氣口上來，溫度比較低，人在房間里活動，新風就圍繞著人體(熱源)，不僅提供新鮮的室外空氣，還增加體內散熱及防止由皮膚潮濕引起的不適。

3.建筑中自然通風的生態原則

    自然通風可以節省能耗，具有環保和生態價值。作為建筑節能設計的手段，除了利用通風在建筑物結構上的應用外，還可以和多種其它能源相結合，因地制宜，充分發揮可再生能源的優勢，做到可持續發展的生態原則。

    3.1建筑通風與太陽能利用

    風壓和熱壓都是不穩定的因素，太陽能在建筑通風中的應用就是利用被動式太陽能技術加強風壓和熱壓在建筑物中實現自然通風，其原理類似于機械輔助式通風。通過太陽能煙囪、Trombe墻以及太陽能空氣集熱器等結構形式，使太陽能成為強化自然通風的動力。在冬季，利用機械裝置將位于屋頂太陽能集熱器中的熱空氣吸到房間的地板處，并通過地板上的氣孔進入室內實現利用太陽能采暖的目的，此后利用熱壓原理實現氣體在房間內的循環。而在夏季的夜晚，則利用天空背景輻射使太陽能集熱器迅速冷卻，并將集熱器中的冷空氣吸人室內，達到夜間通風降溫的目的。

    3.2風力發電系統的應用

    生態建筑除了直接利用自然通風外，還可利用風力發電。集中式的風力發電系統以建筑群和小區為單位，放在小區的上風處；分散式可在多風偏僻地區安裝獨立風車，自成體系為建筑能源。這種風能利用系統大都是將電力送入電網，建筑物再從電網獲取電力。在偏遠地區有條件的建筑中可設風／光互補發電系統，綜合利用風能和太阻能，無需架設遠距離的電網來獲取電力。

    3.3夜間自然通風的利用

    蓄熱材料作為建筑維護結構可以延緩日照等因素對室內溫度的影響，使室溫更穩定，更均勻，即白天不會因為太陽照射而溫度過高，夜晚不會因迅速冷卻而溫度過低。蓄熱材料在白天吸收大量熱量，使得室溫不至于過高，但夜間室內溫度居高不下。因此在夏季夜晚利用室外溫度較低的冷空氣對蓄熱材料進行充分的通風降溫，是改善夜間室內溫度、發揮蓄熱材料潛力的有效手段。

4.結  語

    總之，生態建筑中的自然通風可以通過以上幾種途徑的綜合運用達到節省能耗、生態環保及可持續性發展的要求的。建筑中的自然通風，僅有定性的設計是不夠的，在具體建造和施工過程中，還要根據建筑的功能和地理位置進行考慮，真正做到實事求是、因地制宜，降低建筑能耗，使建筑的人工環境與自然環境達到動態的平衡，也使建筑在滿足了基本的使用功能和美學要求后追求的更高目標。隨著科學技術的發展，自然通風這種廉價、舒適、健康的通風方式會在生態建筑中得到廣泛的應用。

參考文獻：

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(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)