浅谈建筑中的自然通风和住宅建筑设计

董海涛　董海波

摘 要:在建筑设计中通过引入自然风方式加强人与自然的联系,提高人们的生活质量和环境质量,降低能源消耗,并使人类与自然相近、相亲、相融。本文首先介绍了建筑中自然通风技术的作用原理,指出了自然通风的经济效益和环境效益

关键词:自然通风;住宅建筑

随着空调技术的不断发展,人们越来越能主动的控制室内环境,创造前所未有的室内舒适气候要求,从而使人们逐渐淡化对自然通风这种气候适宜性技术的应用。把自然通风这种传统建筑生态技术重新引回现代建筑中,有着比以往更为重要的意义。

1 自然通风技术的原理

通常意义上的自然通风指的是通过有目的的开口,产生空气流动。这种流动直接受建筑外表面的压力分布和不同开口特点的影响。压力分布是动力,而各开口的特点则决定了流动阻力。就自然通风而言,建筑物内空气运动主要有两个原因:风压以及室内外空气密度差。这两种因素可以单独起作用,也可以共同起作用。

1.1 风压作用下的自然通风。风的形成是由于大气中的压力差。如果风在通道上遇到了障碍物,如树和建筑物,就会产生能量的转换。动压力转变为静压力,于是迎风面上产生正压(约为风速动压力的0.5-0.8倍),而背风面上产生负压(约为风速动压力的0.3-0.4倍)。由于经过建筑物而出现的压力差促使空气从迎风面的窗缝和其他空隙流入室内,而室内空气则从背风面孔口排出,就形成了全面换气的风压自然通风。某一建筑物周围风压与该建筑的几何形状、建筑相对于风向的方位、风速和建筑周围的自然地形有关。

1.2 热压作用下的自然通风。热压是室内外空气的温度差引起的,这就是所谓的“烟囱效应”。由于温度差的存在,室内外密度差产生,沿着建筑物墙面的垂直方向出现压力梯度。如果室内温度高于室外,建筑物的上部将会有较高的压力,而下部存在较低的压力。当这些位置存在孔口时,空气通过较低的开口进入,从上部流出。如果,室内温度低于室外温度,气流方向相反。热压的大小取决于两个开口处的高度差和室内外的空气密度差。而在实际中,建筑师们多采用烟囱、通风塔、天井中庭等形式,为自然通风的利用提供有利的条件,使得建筑物能够具有良好的通风效果。

1.3 风压和热压共同作用下的自然通风。在实际建筑中的自然通风是风压和热压共同作用的结果,只是各自的作用有强有弱。由于风压受到天气、室外风向、建筑物形状、周围环境等因素的影响,风压与热压共同作用时并不是简单的线性叠加。因此建筑师要充分考虑各种因素,使风压和热压作用相互补充,密切配合使用,实现建筑物的有效自然通风。

1.4 机械辅助式自然通风。在一些大型建筑中,由于通风路径较长,流动阻力较大,,单纯依靠自然风压与热压往往不足以实现自然通风。而对于空气污染和噪声污染比较严重的城市,直接的自然通风还会将室外污浊的空气和噪声带入室内,不利于人体健康。在这种情况下,常常采用一种机械辅助式的自然通风系统。该系统有一套完整的空气循环通道,辅以符合生态思想的空气处理手段(如土壤预冷、预热、深井水换热等),并借助一定的机械方式加速室内通风。

2 自然通风技术的优势

自然通风是当今建筑普遍采取的一项改革建筑热环境、节约空调能耗的技术,采用自然通风方式的根本目的就是取代(或部分取代)空调制冷系统。而这一取代过程有两点至关重要的意义:一是实现有效被动式制冷,当室外空气温湿度较低时自然通风可以在不消耗不可再生能源的情况下降低室内温度,带走潮湿气体,达到人体热舒适,即使室外空气温湿度超过舒适区,需要消耗能源进行降温降湿处理,也可以利用自然通风输送处理后的新风,而省去风机能耗,且无噪声。这有利于减少能耗、降低污染,符合可持续发展的思想。二是可以提供新鲜、清洁的自然空气(新风),有利于人的生理和心理健康。室内空气品质的低劣在很大程度上是由于缺少充足的新风。空调所造成的恒温环境也使得人体抵抗力下降,引发各种“空调病”。而自然通风可以排除室内污浊的空气,同时还有利于满足人和大自然交往的心理需求。

3 自然通风系统设计中的限制性条件

自然通风技术作为一种免费的技术,它的应用必然受到环境的限制。对于室外环境温、湿度比较温和的地区(如英国),该技术的应用非常成熟,下面基于他们的应用经验,介绍有关自然通风技术应用的限制性条件。

3.1 室内得热量的限制。应用自然通风的前提是室外空气温度比室内低,通过室内空气的通风换气,将室外风引入室内,降低室内空气的温度。很显然,室内、外空气温差越大,通风降温的效果越好。对于一般的依靠空调系统降温的建筑而言,应用自然通风系统可以在适当时间降低空调运行负荷,典型的如空调系统在过渡季节的全新风运行。对于完全依靠自然通风系统进行降温的建筑,其使用效果则取决于很多因素,建筑的得热量是其中的一个重要因素,得热量越大,通过降温达到室内舒适要求的可能性越小。现在的研究结果表明,完全依靠自然通风降温的建筑,其室内的得热量最好不要超过40W/m2。

3.2 建筑环境的要求。应用自然通风降温措施后,建筑室内环境在很大程度上依靠室外环境进行调节,除了空气的温、湿度参数外,室内的空气品质和噪音控制也将被室外环境所破坏。根据目前的一些标准要求,采用自然通风的建筑,其建筑外的噪音不应该超过70dB;尤其在窗户开启的时候,应该保证室内周边地带的噪音不超过55dB。同时,自然通风进风口的室外空气质量应该满足有关卫生要求。

4 建筑条件的限制

应用自然通风的建筑,在建筑设计上应该参考以上两点要求,充分发挥自然通风的优势。

4.1 建筑位置。周围是否有交通干道、铁路等一般认为,建筑的立面应该离开交通干道20米,以避免进风空气的污染或噪音干扰;或者,在设计通风系统时,将靠近交通干道的地方作为通风的排风侧。地区的主导风向与风速根据当地的主导风向与风速确定自然通风系统的设计,特别注意建筑是否处于周围污染空气的下游。周围环境由于城市环境与乡村环境不同,对建筑通风系统的影响也不同,特别是建筑周围的其它建筑或障碍物将影响建筑周围的风向和风速、采光和噪音等。

4.2 建筑形状。形状建筑的宽度直接影响自然通风的形式和效果。建筑宽度不超过10米的建筑可以使用单侧通风方法;宽度不超过15米的建筑可以使用双侧通风方法;否则,将需要其它辅助措施,例如烟囱结构或机械通风与自然通风的混合模式等。建筑朝向为了充分利用风压作用,系统的进风口应该面对建筑周围的主导风向。同时建筑的朝向还涉及减少得热措施的选择。开窗面积系统进风侧外墙的窗墙比应该兼顾自然采光和日射得热的控制,一般为30%-50%。建筑结构形式建筑结构可以是轻型、中型或重型结构。对于中型或重型结构,由于其热惰性比较大,可以结合晚间通风等技术措施改善自然通风系统的运行效果。

5 自然通风在住宅设计中的运用

影响自然通风的因素对于建筑本身而言,有建筑物的高度、进深、长度和迎风方位;对于建筑群体而言,有建筑的间距、排列组合方式和建筑群体的迎风方位;对于住宅区规划而言,有住宅区的合理选址以及住宅区道路、绿地、水面的合理布局等,以便达到最佳的通风效果。以下就几方面加以说明。

5.1 建筑物的朝向。要确定建筑物的朝向,不但要了解当地日照量较多的方向,还要了解当地风的相关特性,包括冬季和夏季主导风的方向、速度以及风的温度。每一个地区有自己风的特点,由于建筑物迎风面最大的压力是在与风向垂直的面上,因此,在选择建筑物朝向时,应尽量使建筑主立面朝向夏季主导风向,而侧立面对着冬季主导风向;南向是太阳辐射量最多的方向,加之我国大部分地区夏季主导风向都是南或南偏东,故无论从改善夏季自然通风、调节房间热环境,还是从减少冬季、夏季的房间采暖空调负荷的角度来讲,南向都是建筑物朝向最好的选择。而且选择南向这样的朝向也有利于避免东、西晒,两者都可以兼顾。对于那些朝向不够理想的建筑,就应采取有效措施妥善解决上述两方面问题。

5.2 建筑物的间距。建筑物南北向日照间距较小时,前排建筑遮挡后排建筑,风压小,通风效果差;反之,建筑日照间距较大时,后排建筑的风压较强,自然通风效果愈好。所以在住宅组团设计中,加大部分住宅楼的间距,形成组团绿地,对改善绿地下风侧住宅的自然通风,有较好的效果,同时还能为人们提供良好的休息和交流的场所。同时在条件许可的时候,尽量加大山墙的间距。因为室外气流吹过呈行列式布局的建筑群时,在建筑物的山墙之间将形成一条空气射流。

结束语

综上所述,能更好利用自然通风,更好的发挥其经济效益和环境效益,起到节能减排的作用,自然通风这种廉价、健康的通风方式将会越来越多地被利用。