自然通风技术在绿色建筑中的应用

2021-08-29梁云

上海节能 2021年8期

关键词：建筑评价风压通风

梁云

上海市建筑科学研究院有限公司

0 引言

绿色建筑以充分地利用自然资源、减少资源能源消耗，改善建筑环境为特征，采用绿色技术与环境友好的技术设备。自然通风作为健康、舒适、节能的室内环境调节方式，是绿色建筑不可或缺的一项技术[1]。我国绿色建筑评价体系对于自然通风措施也有明确的要求。

自然通风是一种具有较大节能潜力的通风方式，它具有节能、改善室内热舒适性和提高室内空气品质的优点[2]，但也受室外气候、建筑周围环境及建筑内部布局等因素的影响。故其在绿色建筑中的设计和控制很复杂，值得广大绿色建筑工作者讨论和研究。

本文梳理了自然通风的原理和研究发展现状，详细介绍和分析了我国绿色建筑评价体系对自然通风的要求，并利用具体案例说明自然通风技术在绿色建筑中的应用及其效益。

1 自然通风技术概述

建筑物的自然通风是由于开口处（门、窗、过道）存在着空气压力差而产生的空气流动[3]。利用室内外气流的交换，可以降低室温和排除湿气，保证房间的正常气候条件和新鲜洁净的空气。同时，房间内有一定的空气流动，可以加强人体的对流和蒸发散热，提高人体热舒适感觉，改善人们的工作和生活条件。产生压力差的原因有热压作用和风压作用。

1.1 热压作用下的自然通风

热压取决于室内外空气温差所导致的空气密度差和进出气口的高度差。当室内气温高于室外气温时，室外空气因密度较大而通过建筑物下部的开口流入室内，并将密度较小的室内空气从上部的开口排出。这样，室内就形成连续不断的换气。

热压的计算公式为：

式中：ΔP——热压，Pa；

h——进、排风口中心线间的垂直距离，m；

ρe——室外空气密度，kg/m3；

ρi——室外空气密度，kg/m3。

1.2 风压作用下的自然通风

风压作用是风作用在建筑物上产生的风压差。当风吹到建筑物上时，在迎风面上流动受阻，速度减小，使风的部分动压变为静压，亦即使建筑物迎风面上的压力大于大气压，在迎风面上形成正压区。在建筑物的背风面、屋顶和两侧，由于气流曲绕过程中，形成空气稀薄现象，因此该处压力将小于大气压，形成负压区。如果建筑物上设有开口，气流就从正压区流向室内，再从室内向外流至负压区，形成室内的空气交换。

风压的计算公式为：

式中：P——风压，Pa；

v——室外风速，m/s；

ρe——室外空气密度，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2；

K——空气流动系数。

而迎、背风面压差的计算公式为：

式中：ΔP——迎背风面风压差，Pa；

Py、Pb——迎、背风面风压，Pa；

Ky、Kb——迎、背风面空气流动系数。

上述两种自然通风的动力因素，在一般情况下是同时并存的。

1.3 风压与热压综合作用下的自然通风

通常情况下，建筑中的自然通风是风压与热压共同作用的结果，只是各自作用的强度不同，对建筑整体自然通风的贡献不同。由于风压作用受到风速风向、建筑形体、周围环境等因素的影响，具有不稳定性，所以在与热压同时作用时可能还会出现减弱通风效果的情况。因此，在进行建筑设计时，要利用场地自然条件对建筑总平面布局进行优化设计，以利于夏季和过渡季节的自然通风。

2 自然通风与绿色建筑

2.1 自然通风的研究现状

自然通风受地域气候特征[4]、室内外环境、建筑布局[5]等因素的影响，其气流运动过程十分复杂。目前的研究主要是基于一些简化的模型而得出的理论和实验结果。

自然通风的研究方法主要有理论分析、实验研究、计算流体力学法（CFD）等[6]。其中，实验研究又包括风洞模型、热浮力模型和示踪气体法等实验研究方法。在自然通风的研究与设计过程中，借助于CFD软件分析流体流动和能量传递，可以预测建筑内各个区域的空气流动状况及温度分布,分析房间不同位置的热舒适状况[7]。CFD方法应用相当广泛，该方法已广泛应用于自然通风研究及工程实践中[8]。我国的绿色建筑评价体系中，也将CFD模拟结果作为评价绿色建筑中自然通风效果的评价依据之一。

目前，自然通风的研究应用主要集中在自然通风的两个相关点上：一是利用自然通风控制室内空气品质；二是利用自然通风解决夏季或过渡季的热舒适性问题。具体研究内容主要包括以下8个方面[9]。

1）研究建筑场地布局、建筑朝向、建筑形体、门窗大小及位置、室内气流等方面对自然通风利用的影响。

2）结合不同地区的气候特点,在建筑形体的选择、外围护结构的材料、建筑构造等诸方面进行探索,并将这些节能技术应用到建筑设计及建设中。

3）研究建筑结构空间及围护结构的变化,如采用中庭、太阳能烟囱、遮阳板等,对有效利用自然通风的影响。

4）深入完善自然通风的理论机理分析与实验验证,以期充分利用自然通风的作用,在过渡季或夏季尽量利用室外自然风带走室内余热,在满足舒适度要求的情况下减少空调系统开启。

5）开发新型设备,从而优化建筑物内部的空气流动情况,使室内热环境达到可以接受的程度。

6）利用自控和仿真技术,有效地控制和调节自然通风的效果,达到自然通风系统控制的智能化。

7）夜间通风对房间热环境改善的研究。

8）建筑围护结构如墙体、窗户、顶棚等新型节能材料的研究。

虽然现有的自然通风研究已经取得了可供工程应用的研究成果，但是依然存在诸多问题。例如，对各种方式的自然通风的理论分析和模拟研究的深度、广度不够，缺乏对各种自然通风方式以及综合应用的理论研究和模拟。大多数自然通风的研究成果是经验性的，多是定性的或者是半定量的，目前尚未形成系统的、定量化的理论与应用研究成果。

2.2 绿色建筑对自然通风的要求

2.2.1 绿色建筑的概念与评价标准

在全寿命期内，节约资源、保护环境、减少污染，为人们提供健康、适用、高效的使用空间，最大限度地实现人与自然和谐共生的高质量建筑[10]。

我国在2006年发布实施了《绿色建筑评价标准》GB/T 50378，并于2014年进行了修订。2019年，标准又进行了第二次修订，修订后的标准重构了绿色建筑评价标准体系。绿色建筑评价指标体系由安全耐久、健康舒适、生活便利、资源节约和环境宜居五类指标组成[11]。

2.2.2 自然通风对于绿色建筑的意义

自然通风对于绿色建筑的意义主要体现在以下两个方面。

1）通风降温（除湿）

自然通风可在不消耗不可再生能源的情况下降低室内温度，改善室内热湿环境，有助于缩短空调设备的运行时间，降低空调能耗。

2）通风换气

自然通风可为室内提供新鲜、清洁的自然空气，带走潮湿污浊的空气，改善室内空气质量状态（如增加新风，排出各种有害气体等），有利于人体的生理和心理健康。

前者体现了绿色建筑中对于节能与能源高效利用的理念，后者体现了绿色建筑对于改善室内环境质量的理念。

2.2.3 绿色建筑评价标准对自然通风的要求

我国《绿色建筑评价标准》（以下简称“标准”）对绿色建筑中自然通风相关的建筑总平面设计、室外风环境、建筑设计、构造设计和建筑开口面积等都有要求，具体相关条文如表1所示。

表1 绿色建筑评价标准中与自然通风相关条文

2.2.4 绿色建筑评价标准对自然通风要求的分析

建筑采用自然通风或复合通风技术的首要条件是满足舒适性要求。标准第5.2.9条采用自然通风或复合通风技术的建筑主要功能房间室内热环境参数在适应性热舒适区域的时间比例提出要求。

良好的自然通风设计可以有效改善室内热湿环境和空气品质，提高人体舒适性。已有研究表明，在自然通风条件下，人们感觉热舒适和可接受的环境温度要远比空调采暖室内环境设计标准限定的热舒适温度范围来得宽泛。因此，当室外温湿度适宜时，良好的通风效果还能够减少空调的使用。标准第5.2.10条规定了住宅居住空间通风开口面积与地板最小面积比。一般情况下，当通风开口面积与地板面积之比不小于5%时，房间可以获得比较好的自然通风。由于气候和生活习惯的不同，南方更注重房间的自然通风，因此该条文规定在夏热冬暖和夏热冬冷地区，通风开口面积与地板面积之比不小于8%。自然通风的效果不仅与开口面积与地板面积之比有关，事实上还与通风开口之间的相对位置密切相关。在设计过程中，应考虑通风开口的位置，尽量使之能有利于形成“穿堂风”。

标准第5.2.10条也规定了公共建筑要做好自然通风气流组织设计。对于部分大建筑体量的建筑，例如大进深、由于安全等原因无法保证开窗通风满足自然通风要求的建筑，应采用通风器、通风吊顶、双层皮幕墙等方式进行通风优化设计或创新设计，保证建筑在过渡季典型工况下平均自然通风换气次数大于2次/h。研究表明，自然通风在2次换气次数以上时，室内热环境可达到适应性热舒适状态。

建筑总平面设计的原则之一是过渡季节和夏季能利用自然通风，建筑体形、朝向、楼距和窗墙面积比的设计亦是如此。因此标准第7.1.1条规定建筑设计应结合场地自然条件和建筑功能需求，对建筑的体形、平面布局、空间尺度、围护结构等进行节能设计，考虑并权衡各方面因素及其之间的相互关系，通过多方面分析、优化建筑的规划设计，尽可能提高建筑物在夏天的自然通风。在建筑设计和构造设计中应采取诱导气流、促进自然通风的主动措施，如导风墙、拔风井等，以促进室内自然通风的效率。

无论在北方地区还是在南方地区，在春、秋季和冬、夏季的某些时段普遍有开窗加强房间通风的习惯，而外窗的可开启面积过小会严重影响建筑室内的自然通风效果。

室外风的环境不仅是决定室外舒适度的重要因素，而且会对室内的自然通风造成影响。如果建筑单体设计和群体布局不当，则会导致行人举步维艰或强风刮卷物体撞碎玻璃等危害，而且通风不畅还会严重地阻碍空气的流动，在某些区域形成无风区或涡旋区，这对于室外散热和污染物消散是非常不利的，应尽量避免。夏季、过渡季自然通风对于建筑节能十分重要，室外恶劣的风环境会对自然通风造成不利影响。因此，绿色建筑评价标准中条文8.2.8对建筑的室外风环境作出要求。

3 自然通风在绿色建筑中的应用

3.1 绿色建筑中自然通风的设计

在绿色建筑中,自然通风的利用是降低空调能耗、改善室内空气品质的重要技术措施。合理的自然通风组织可有效调节建筑室内的气流组织、温度分布，对改变室内热环境的满意度起到明显的效果。然而，由于自然通风的实现是一种依赖于建筑设计的被动式方法，因此其应用效果很大程度上依赖于建筑的朝向、平面布局等设计效果。

良好的建筑设计有助于增强室内自然通风的效果，同时，建筑设计上的差异，也会给建筑通风效果产生较大的影响。利用模拟的方法，可为建筑设计人员在进行建筑自然通风策略应用时提供客观作用效果的指导。因此，自然通风模拟是绿色建筑设计中一种有效的辅助手段。

建筑物通风构造的细部对自然通风效果有很大影响，例如开口的位置不同会影响室内风的流场的分布，同时窗的檐口出挑的大小，窗扇的开启方式与开启角度，以及绿色建筑中建筑外遮阳的形式对自然通风也有较大的影响。因此，应综合考虑各项绿色建筑技术的综合作用效果，不能顾此失彼。

对于绿色建筑来说，应该从规划、建筑单体设计到构造设计的整个过程中，仔细考虑自然通风，确保良好的室内空气品质和舒适的热环境，节约不可再生资源。

3.2 自然通风在绿色建筑中的应用效果

清华大学林波荣等根据后评估（POE）的方法，对我国不同气候区的11栋绿色建筑及示范建筑的实际能耗情况及节能技术进行了调研和分析研究[12]，对系统的设计参数、运行效果、实际能耗、室内环境质量和使用满意度进行了分析，总结了设计、运行中的常见问题和优化策略。研究发现，自然通风等低成本被动式技术实际运行效果良好，节能效果显著，使用满意度高，值得重视和推广。