自然通风原理在绿色建筑中的应用

方 雷

(安徽省城建设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230051)

1 工程概况

本文以安徽省天长市房屋建筑工程作为研究对象，该项目距离南京市只有50.2 km，该房屋建筑所处的地理位置较高，周围的公共交通出行便捷。

此次研究的内容主要针对天长市某酒店的设计活动，该项目总建筑面积为86 586.27 m2，分为地上建筑物与地下室，地上建筑总面积设计为29 672.84 m2，地下室建筑总面积设计为35 784.89 m2。

2 自然通风原理及局限性

在实际设计建筑物空间布局时，必须重视房屋内的采光、通风问题，优化建筑空间的平面、结构。假若属于过渡季典型施工状况，那么大部分房间的自然通风次数必须达到2次/h；假若无法利用科学的模拟技术来优化设计方案，则应该参照以下基本要求确定：自然通风房间的外窗净面积不得低于该房间内底板面积的4%；假若房间无法通过自身实现自然通风，需要借助临近房间实现自然通风时，房间的通风口面积不得低于该房间净面积的8%；单侧房间的自然通风进风口深度应控制在房间净高度的3倍以内。假若建筑物属于高层建筑，以上设计应该结合实际情况而定。

2.1 自然通风

2.1.1 风压作用下的自然通风

风之所以会产生主要是因为大气环境中的气压差异。风在运动的过程中遇到障碍物时，例如树木、建筑物等就会出现能量转换。在这种情况下，动态压力会立即转变为静态压力，结合实际情况而言，迎风面会形成正压力，背风面会形成负压力。当风在经过建筑物时，会产生压力促使空气沿着建筑物的窗口进入到房间内，房间内的空气则沿着背风面排除，这就是自然通风的基本原理。综合而言，建筑物附近的风压主要受建筑物的外形轮廓、风速、风向影响[1]。

2.1.2 热压作用下的自然通风

热压形成的原理是建筑物内部的温度与外部温度之间存在差异性而形成的。由于两个独立的空间之间的温度存在差异，促使室内外的空气密度存在差异，在这种情况下，会顺着建筑物的墙面竖直方向形成压力阶梯。假若建筑物内部的温度高于建筑物外部的温度，那么室内上部空间的压力会变大，下部压力则减小，在这种情况下，空气则会在气压的驱动下沿着高压部位向低压部位流动[2]。热压的大小主要受开口位置的高度差异影响。结合实际情况来看，大部分的建筑师均通过设计烟囱、通风塔来实现自然通风的目的。

2.1.3 风压和热压共同作用下的自然通风

严格意义上来讲，建筑物实现自然通风是风压与热压共同作用产生的一种结果，但是二者在其中所发挥出来的作用程度有所差异。由于风压往往会受到自然气候、建筑物外形、周围环境的影响，促使风压与热压在共同作用下并非呈现出简单的线性叠加。建筑师在实际设计的过程中，需要考虑多方面影响因素对房间自然通风所造成的影响，确保风压与热压共同作用，高效地实现自然通风。

2.2 自然通风技术应用的局限性

1)建筑物内部热量的局限性。假若想要实现自然通风，应保证建筑物外部的温度大幅度低于建筑物内部温度，在气压的驱动下，建筑物外部空气会流向至建筑物内部，以此实现自然通风的目的。针对完全依靠通风降温的建筑物，其降温的效果会受到诸多因素的影响，建筑物获取热量只是其中一个相对比较重要的因素，当获取的热量越大时，利用降温提高室内舒适性的可能性越小。结合调研结果来看，完全利用通风降温的建筑物，房间内的热量控制在40 W/m2以内比较合适。

2)建筑物外部空气湿度的局限性。借助自然通风可以降低建筑物内部温度，但是这种方法并不适用于降低建筑物内部空气湿度活动。所以，自然通风一般不适合使用在环境比较湿润的区域内。

3)噪音及污染物局限性。根据管理要求进行分析，利用自然通风将建筑物外部的噪音量控制在70 dB以内。此外，自然通风口附近的室外空气质量必须满足卫生管理规定。噪音量管理与空气污染管理是城市环境管理的难题之一，所以自然通风技术在城市地区未能获得良好的发展。

3 自然通风模拟分析

风压作用下与热压作用下的自然通风动力影响因素存在差异，通常情况下，风压与热压在建筑物中同时存在。热压作用的效能主要是受排风口的高度、建筑物内部温度、建筑物外部温度等因素影响。

当自然风从正面流向建筑物时，自然风会因为建筑物外立面的阻挡而形成正压区，气流会沿着建筑物表面向四周流动，同时在建筑物的侧面及背面形成负压区。自然通风的动力即正压区与负压区之间的压力差，这种压力差与建筑物的外形、空间布局、周围环境之间存在紧密的关联。

3.1 模型建立及边界条件

1)模型建立。因室外气流场与自然通风的效果会受到附近建筑物分布密度的影响，所以结合整体规格平面搭建出科学的计算模型，如图1所示。

图1 平面布置图和模型图

2)边界条件。为保证建筑物围护结构的热工性能满足设计及规范要求，将边界条件确定：围护结构需受到太阳照射与外部温度的热作用。室外温度计算表达式为：

(1)

式中，ts为室外温度，℃；tw为室外计算温度，℃；ρ为围护结构外表面对太阳辐射的吸收系数；J为维护结构所在朝向的日间太阳总辐射强度，W/m2；αw为维护结构外表面换热系数，取值为23 W/(m2·K)。

3)分析工况。选取滁州地区典型气象年过渡季的平均风速、风向频率等参数，具体如表1所示。

表1 滁州地区过渡季风速、风向

3.2 模拟及分析

3.2.1 建筑室外流场模拟及建筑开口方案的确定

自然通风时利用室外的风力形成风压，促使室外与室内的空气温度差异形成热压，在热压的作用下空气开始流动，实现室外内空气交换。该项目的室内空间中并不是很宽阔，所以热压作用下的自然通风效果不显著，需要对该建筑物进行开口设计，在这种情况下应分析风压作用，利用风压作为自然通风的主要驱动力。

结合自然通风的基本原理来看，为保证自然通风的效果，应在建筑物的迎风面与背风面分别设置进风口与出风口。进一步对建筑物的室外环境中气流场进行模拟，结合房屋建筑设计基本要求，初步设计建筑物的开口方案。由于该房屋建筑项目内还设计有展厅，为保证自然通风的效果，暂时不对展厅空间设置开口。

此次研究选择使用PHOENICS2014版软件对建筑物附近的温度环境进行研究分析。以微观角度作为出发点，对某个特定的房间进行试验，将质量、能量计算表达式作为依据来对模型进行计算，分析该房间内空气流动状况。对自然风进行模拟，通过对区域内的风场进行优化设计，模拟出宽阔空间的流场，借助研究模型所提供的直观形象的信息，以便于设计人员对通风问题进行优化设计，提高自然通风的效果。

此次研究选择使用的是k-ε湍流模型，该研究模型经过多次实践论证，具备较强的可靠性。自然风对流的过程中，气流的浮升力发挥出关键性作用，因此，动量计算表达式内的密度波动可以使用Boussinesq进行处理，简单而言就是输入一个膨胀系数，保证空气密度及温度波动关系，符合以下表达式：

ρ2=ρ1/[1+β(t1-t2)]

(2)

式中,ρ2为固体密度,kg/m3；ρ1为气体密度,kg/m3；β为膨胀系数；t1为固体温度,℃；t2为气体温度,℃。

此次研究主要是考虑三方面的影响要素：风速、空气龄、气压。

3.2.2 过渡季节工况下建筑的自然通风模拟及优化设计

此次研究使用的风压值根据建筑物外部环境模拟结果进行确定，对建筑物内部的自然通风进行模拟，模拟结果见图2～3。

图2 1.2 m高度处风速云图

图3 1.2 m高度处空气龄图

结合以上信息可以了解到，该建筑物内部空气流场分布比较均匀，整体分数保持在0.02～0.40 m/s；建筑物四层的空气龄最大值为640 s，未超过1 800 s，所以房间内的自然通风换气次数应该控制在2次/h以内。

结合以上模拟结果，在设计原则的基础上对原设计方案进行了优化，在西北侧客房、休息厅的立面位置扩大了开口面积。通过对设计优化前后的自然通风效果进行对比分析，当开口设计方案优化以后，休息厅的风速保持在0.02～0.4 m/s，不难发现，房间内的自然通风效果大幅度提升。相较之休息厅，由于西北侧客房位于建筑物空间的西北角，过渡季节时的风向属于ESE向，风流受建筑物遮挡影响比较大，所以该部位的自然通风效果无法与休息厅相比。以初步性设计的开口方案而言，四楼客房的房间外墙全部设置了开口，自然通风的效果比较理想，室内的风速稳定控制在0.5 m/s以上；走廊部分由于两端设置了开口，该区域的自然通风效果比较好，室内的风速保持在0.3～0.5 m/s；客房内部卫生间的自然通风状况不是很理想，少部分区域的风速未超出0.1 m/s，并且存在空气滞留现象，整体自然通风的效果不理想。

通过设计优化后，其房间内的通风状况也有所改善，但是仍然存在空气滞留的问题，所以在卫生间需要增加机械通风。

4 结束语

建筑物的自然通风状况主要受到建筑物环境、空间布局、气象环境等多方面的因素影响，但这些因素并非通过开口的方式来形成空气压力差异，所以建筑师在实际设计的过程中应该着重注意以下内容。

1)巧妙借助建筑物的朝向、外形、风向进行设计，促使建筑物形成更多的迎风面或背风面，还可以通过调整外立面的平整度，促使墙面形成正压、负压区域，产生压力差，促进室内换风。

2)单侧开口且跨度较小的房间，开口间无法产生压力差，可以利用门窗与走廊来改善室内的通风状况。

3)机械通风是利用换气扇等新风设备来使房间空气循环流动。与自然通风相比较，这种方法可以使大量的空气进行循环。并且导入新风是可以有效地控制的(大小、时效、风路)，不需要依赖外部自然条件。当内区不满足自然通风房间，需增加机械通风。

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