浅析建筑自然通风

李清疆

【摘要】本文通过对建筑自然通风影响因素的量化研究，总结了建筑内形成自然通风的条件和优化方法，有助于建筑设计人员在设计时合理组织建筑通风。通过选择建筑朝向、设计门窗洞口等方法，强化建筑自然通风能力，利用楼梯间的热效应，组织建筑内部的自然通风，最终实现良好的室内通风效果。

1.引言

建筑中的自然通风往往是热压与风压共同作用的结果，只是各自作用的程度不同，对建筑物整体自然通风的贡献不同。而风压作用常常受到大气环流、地方风、建筑形状、周围环境等因素的影响具有不稳定性。所以当风压与热压同时作用的时候，还可能出现减弱通风效果的情况。当风向与热压作用的流线方向相同时，会相互促进；反之则会相互阻碍，从而影响自然通风的效果。

2.自然通风的类型与影响因素研究

2.1风压作用下的自然通风 （图2.1-2）

室外气流与建筑物相遇时，将发生绕流，经过一段距离后，气流才恢复平行运动。见图，由于建筑物的阻挡，建筑物四周室外气流的压力分布将发生变化，迎风面气流受阻，动压降低，静压增高，侧面和背风面由于产生局部涡流静压降低，和远处未受干扰的气流相比，这种静压得升高或降低统称为风压。静压增高，风压为正，称为正压；静压下降，风压为负，称为负压。风压为负值得区域称为空气动力阴影。

某一建筑物周围的风压分布与该建筑的几何形状和室外风向有关。风向一定时，建筑物外围护结构上某一点的风压值可用下式表示：

（1）

式中--空气动力系数；

--室外空气速度，m/s；

--室外空气密度，kg/ m3。

为正，说明该点的风压为正值，为负，说明该点的风压为负值。不同形状的建筑物在不同方向的风力作用下，空气动力系数分布是不同的。空气动力系数要在风洞内通过模型试验求得。

图2.1-1 建筑物四周的气流分布 图2.1-2 风压作用下的自然通风

同一建筑物的外围护结构上，如果有两个风压值不同的窗孔，空气动力系数大的窗孔将会进风，空气动力系数小的窗孔将会排风。图2.1-2所示的建筑，处在风速为的风力作用下，由于，没有热压的作用。在风的作用下，迎风面窗孔的风压为，背风面窗孔的风压为，窗孔中心平面上的余压为（室内某一点的压力和室外同标高未受扰动的空气压力的差值）。因为没有热压的作用，室内各点余压均保持相等。

如果只开启窗孔a，关闭窗孔b，不管窗孔a内外的压差如何，由于空气的流动，市内的余压逐渐升高，当室内的余压等于窗孔的风压时（即），室内空气停止流动。如果同时打开窗孔a和b，由于，，空气将从窗孔b流出。随着空气的向外流动，室内的余压下降，这时，室外空气由窗孔流入室内。一直到窗孔a的進风量等于窗孔b的排风量时，才保持稳定（）。

2.2 热压作用下的自然通风 （图2.2-2）

自然通风的另一原理是利用热空气上升的原理（见图2.2-2），热压作用下的自然通风是由于存在室内外温差和进排气口高度差，当较重的冷空气从进风口进入室内后，吸收了室内的热量而变成较轻的热空气上升，从出风口排出室外不断流入的冷空气在室内被加热后在建筑物的上部出风口排出利用空气密度随温度升高而降低的性质而形成了自然通风。

图2.2-1热空气上升的原理示意图

图2.2-2热压作用下的自然通风

影响热压通风的主要因素是窗孔位置、两窗孔的高差h和室内外的空气密度之差。如一建筑物如图2.2-2所示，在外围护结构的不同高度上设有窗孔a和b，两者的高差为h。假设窗孔外的静压分别为、，窗孔内的静压力分别为、室内外的空气密度和密度分别为、和、。由于>，所以<。

如果我们首先关闭窗孔b，仅仅开启窗孔a，不管最初窗孔两侧的压差如何，由于空气的流动，将会等于。当窗孔的内外压差时，空气停止流动。

根据流体静力学原理，这时窗孔b的内外压差

（2）

式中，、--窗孔a和b的内外压差，>0，该窗孔排风，<0，该窗孔进风；g-重力加速度，。

从公式（2）可以看出，在Δ=0的情况下，只要>（即），则Δ>0。因此，如果窗孔和窗孔同时开启，空气将从窗孔流出。随着室内空气的向外流动，室内静压逐渐降低，（-）由等于零变为小于零，这时室外空气就由窗孔a流入室内，一直到窗孔a的进风量等于窗孔b的排风量，室内静压才保持稳定。由于窗孔a进风，Δ<0；窗孔b排风，Δ>0。根据公式（2）

（3）

上式表明，进风窗孔和排风窗孔两侧压差的绝对值之和与两窗孔的高度差和室内外的空气密度差有关，就为热压。如果室内外没有空气温度差或者窗孔之间没有高差就不会产生热压作用下的自然通风。实际上，如果只有一个窗孔也仍然会形成自然通风，这时窗孔的上部排风，下部进风，相当于两个窗孔紧挨在一起。

2.3风压和热压同时作用下的自然通风（图2.3-1）

某一建筑受到风压热压的同时作用时，外围护结构上各窗孔的内外压差就等于各窗孔的余压和室外风压之差。

对于图5所示的建筑，窗孔a的内外压差

（4）

窗孔b的内外压差

（5）

式中--窗孔a的余压，Pa；

--窗孔b的余压，Pa；

、--窗孔a和b的空气动力系数；

h--窗孔a和b之间的高差，m。

图2.3-1 风压热压同时作用下的自然通风

3.结语

掌握了自然通风利用方式，可在建筑设计中灵活运用，合理组织建筑通风。根据风压原理，通过选择建筑朝向、设计门窗洞口等方法，创造住宅自然通风的先决条件；利用楼梯间的热效应，组织建筑内部的自然通风，最终实现良好的室内通风效果。