建筑自然通风设计和屋顶的应用

结合自然通风的基本原理和一些实践经验,分析了现代建筑自然通风系统设计的若干限制条件。

1 自然通风的原理与模式

建筑的自然通风从动力来源上可分为完全自然通风和机械辅助自然通风两种模式。完全自然通风是由来自室外风速形成的“压差”和建筑表面的洞口间位置及温度造成的“温差”形成的室内外空气流动。按照热力学原理,建筑室内温度有沿高度逐渐向上递增的特点。该特点是建筑随层高增加而使上下之间温差加剧的主要原因,设计师也经常利用这一点,挖掘建筑自然通风的潜力。

机械辅助自然通风是利用温差造成的热压和机械动力相结合而形成的室内外空气对流。与完全自然通风相比,虽然建筑内局部作为辅助动力的机械装置要消耗一定的能源,但通过这种装置重新组织气流,甚至在局部“强迫”气流改向,可以使自然通风达到更好的效果。在这两种通风模式中,屋顶都是形成温差,组织气流的重要环节,在整个自然通风系统中起着重要作用。

2 自然通风系统设计中的限制性条件

2.1 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。

2.2 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。

2.3 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。

(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。

(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。

(3)建筑内部设计。比较大的层高有助于利用室内热负荷形成的热压加强自然通风。室内分隔的形式直接影响通风气流的组织和通风量。建筑内竖直通道或风管可以利用竖直通道产生的烟囱效应有效组织自然通风。

(4)室内人员。室内人员密度和设备、照明得热的影响。对于建筑得热超过40W/m2的建筑,可以根据建筑内热源的种类和分布情况,在适当的区域分别设置自然通风系统和机械制冷系统。工作时间将影响其它辅助技术的选择(如晚间通风系统)。

2.4 室外空气湿度的影响。应用自然通风对降低室内空气温度效果明显,但对调节或控制室内空气的湿度,效果甚微。因此,自然通风措施一般不能在非常潮湿的地区使用。

3 屋顶在完全自然通风中的作用

当室内存在贯穿整幢建筑的“竖井”空间时,就可利用其上下两端的温差来加速气流,以带动室内通风,其实质就是“温差――热压――通风”的原理。作为建筑共享空间的中庭就可以胜任这个“竖井”的职能,一般来说,其所占空间比例以超过整幢建筑的1/3为宜。这种中庭的屋顶一般都具备两项性能:

它们是全部或局部可开启的,在需要通风时能让气流找到出口。赫尔佐格设计的德国林茨城的HOLZ大街住宅区,每幢住宅楼的显著特征是带玻璃顶的共享中庭。这个中庭贯穿建筑五层并稍稍高出两侧房间的屋面。冬天,阳光透过玻璃屋顶直射进来,中庭屋顶的侧窗关闭,使中庭成为一个巨大的“暖房”,到了夜晚,白天中庭储存的热量又可以向两侧的房间辐射;夏天,中庭屋顶的侧窗开启,将从门厅引进的自然风带着热量一并排出,使建筑在夜间能冷却下来。当建筑体量小,内部的“竖井”空间高度不够形成有效温差时,也可以做成冲出屋面的竖向突兀空间。如何使那些突出屋面的部分在外观上和屋顶协调,甚至使其成为整个建筑造型的亮点,对每个建筑师来说既是挑战,更是机遇。

4 屋顶在机械辅助自然通风中的作用

对于很多地区的建筑来说,完全自然通风并不是每个季节都适宜的;有些建筑受特定条件的制约,也不具备低进高出的气流走廊。这时的建筑自然通风就必须借助机械装置的辅助,或者是根据不同时段、不同季节进行完全自然通风和机械通风的轮换。在酷热或严寒季节,建筑的门窗关闭,新鲜的空气通过屋顶上风塔的机械抽风和热回收装置被引到风道中,然后进入各层楼板的夹层空间,进而在楼板低压发散装置的辅助下进入室内;而废气的排出是通过走道和楼梯间的抽风作用,最终又回到风塔上部,经过热回收和蒸发冷却装置,最终由风斗排出,这时采用的就是机械辅助的自然通风模式。

总之,自然通风技术作为一种与气候相适宜的生态技术,在实际运用的过程中,应该结合太阳能、建筑材料、自然采光、地下蓄冷蓄热、自动控制等技术,并运用计算机模拟技术,对实际的案例进行分析,定量的对其进行深入的研究。相信随着生态、可持续发展理念的不断发展,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。

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