自然通风综述

建筑自然通风的研究与应用现状

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摘要：在建筑能耗越来越大的今天，自然通风是重要的绿色建筑被动式设计策略，对于节能减排，提高建筑环境舒适度和改善室内空气品质等方面具有至关作用。本文主要针对自然通风的特点和原理、自然通风的影响因素以及目前自然通风的研究方法进行具体总结，最后在目前自然通风的研究现状下，写出自己以后对自然通风更深一步研究想法。

关键字：建筑能耗，自然通风，特点和原理，影响因素，研究方法，研究想法

0引言

改革开放以来，人们的生活水平在不断的提高，居住环境条件也在不断的改善，因此，建筑能耗也越来越大。在一些发达国家，建筑能耗占社会总能耗的比例为30%~40%，这其中又以暖通空调能耗所占的比例最高。在我国，近十年来建筑能耗总量正以惊人的速度在增长。2001年，社会总能耗中的27.6%是建筑能耗，现在这个比例差不多达到30%。据预测，当2020年时，这个比例将达到35%，而建筑能耗中的60%~70%将是空调系统的能耗。为了降低能耗,许多建筑采取了减少通风量,尤其是减少新风量并增加房间密闭性等措施,再加上运行管理不善及室内建筑装饰材料散发的挥发性有机混合物的增加,导致室内空气质量恶化,使人感到精神的压抑和烦躁，甚至会导致一系列健康问题，如“病态建筑综合症”。自然通风作为一种节能的通风技术，一种有效的被动式制冷手段，它利用可再生能源（风能）来降低室内温度，带走室内湿气，降低了不可再生能源的消耗，有利于减少建筑能耗，它是建筑节能领域里最廉价的技术措施之一。因为室内四季的负荷变化受室外气候条件的影响很大，因此在很多情况下，采用合理的通风技术既可以满足室内人员对舒适度的要求，又减少空调系统的运行时间。做到建筑与景观发展，自然与人和谐共生的境界。

1 自然通风的特点及原理

1.1自然通风的特点

自然通风是一种比较经济的通风方式。它不消耗动力,也可获得较大的通风换气量,简单易行,节约能源,有利于环境保护,被广泛应用于工业和民用建筑中。国内外对自然通风的概念或描述不尽相同,但总体来说,所谓自然通风,其共同的特点是依靠室外风力造成的风压和室内外空气温度差造成的热压使空气流动,以达到提供给室内新鲜空气,稀释室内气味和污染物,除去余热和余湿的目的。在建筑物中应用自然通风技术,主要包括以下优点①节能②排除室内废气污染物,消除余

热余湿③引入新风,维持室内良好的空气品质④更好的满足人体热舒适等。自然通风是一项历史悠久的技术。我国传统建筑平面布局坐北朝南,讲究穿堂风,都是自然通风原理的朴素运用,只不过当现代人们再次意识到它时,才感到更加珍贵。随着科技的发展,将自然通风与现代技术相结合,使自然通风从理论到实践都提高到一个新的高度,十分必要且前景看好。

1.2自然通风的原理

建筑内部产生自然通风的首要条件是室内、外存有压力差,在建筑设计中,一般利用风压、热压进行自然通风设计,当通风效果不明显时,则借助适宜的机械设备辅助通风,提高自然通风效能。常规设计方法是在外围护部件开门、窗洞口,利用两侧洞口的压力差,引起室内空气流动,压力差愈大,流动速度愈大,通风效果愈明显。

如果建筑外墙上的窗孔两侧存在压力差ΔP,就会有空气流过该窗孔,空气流过窗孔时的阻力就等于ΔP。

(1-1)

式中ΔP——窗孔两侧的压力差,Pa;

v——空气流过窗孔时的流速,m/s;

ρ——空气的密度,kg/m3;

ξ——窗孔的局部阻力系数。

上式可改写为

（1-2）

式中μ——窗孔的流量系数, ,μ值得大小与窗孔的构造有关,一般小于1。通过窗孔的空气量

(1-3)

G= (1-4)

式中——窗孔的面积,m2;

——空气体积换气量,m3/s;

——空气质量换气量,kg/s。

由上式可以看出,只要已知窗孔两侧的压力差ΔP和窗孔的面积F就可以求得该窗孔的空气量G。G的大小是随着ΔP的增加而增加的,在自然通风作用下,产生ΔP的原因为风压和热压,简要分析如下:按通风方式可分为纯自然通风和机械辅助自然通风。

(1)利用风压实现自然通风

所谓风压,是指空气流受到阻挡时产生的静压。当风吹向建筑物正面时候,受到建筑物表面的阻挡而在迎风面上静压增高,产生正压区,气流再向上偏转,同时绕过建筑物各侧面及背面,在这些面上产生局部涡流,静压降低,形成负压差,风压就是利用建筑迎风面和背风面的压力差,室内外空气在这个压力差的作用下由压

力高的一侧向压力低的一侧流动。如图1.1所示。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:

(1-5)

式中——空气动力系数;

——室外空气速度,m/s;

ρ——室外空气密度,kg/。

K为正,说明该点的风压为正值,K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。

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1.1建筑物四周的气流分布图1.2风压作用下的自然通风

（2）利用热压实现自然通风

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。热压原理图如1.3所示

图1.3 热空气上升的原理示意图

（3）利用热压与风压实现自然通风

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。以图1.4为例分析计算

窗孔a的内外压差

(1-6)

窗孔b的内外压差

(1-7)

——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——窗孔和之间的高差,m。

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。热压作用相对稳定烟囱效应抽风的产生条件较容易实现,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,在进行建筑设计初期时,应仔细分析考虑。

图1.4风压热压共同作用下的自然通风

（4）机械辅助下的自然通风

在空气流动不明显的情况下,利用机械设备进行强迫通风,促使建筑内部空气流动的通风方式,称为机械通风,一般由风机、进排风或送风装置、风道以及空气净化设备组成,相对于自然通风对气候的依赖性,机械通风更利于人为地控制室内气流状况,合理地机械设备的选择,可增强自然通风的效果。它的基本原理是通过在机械通风和自然通风之间切换以维持良好的室内环境,并且避免建筑全年运行空调系统所带来的成本,能源的过渡消耗和导致的环境问题。机械辅助式自然通风系统应该由建筑设计、内部负荷、自然驱动力、外界环境决定,以最节能的方式满足内部环境的需要。由于风压与热压产生的通风受外界气候条件限制较多,当通风效果不明显时,需要适当选择机械设备辅助通风,以满足居住需求。室外空气由通风机、净化空气的过滤器或空气加热器吸入进入室内,同时由排气系统将室内废气排出,排气系统可以有通风机,而有时空气也可以从低处排气孔直接排到相邻的地方去。进行机械通风设计时应注意在以下两个方面对进入室内的空气进行改善,一是对进入的空气温度与相对湿度进行适度改善,满足房间需求;二是保证进入的空气无尘、无臭、无其它杂质。

2自然通风的影响因素

(1)室外气象、环境因素

室外气象参数随着季节、天气的变化而变化，这种室外气象参数的不稳定性导致了自然通风效果变得不稳定。有关计算表明，室外风速对室内自然通风的影响最大，当室外风速增加0.2m/s时，相当于温差2.6℃的效果。这表明受季节、室外风向、风速和气候的影响，自然通风的风量、风速、温湿度是不稳定的，必要时应设机械通风和空调系统起保障作用。

(2)建筑结构形式

自然通风的形成与建筑设计如建筑物的造型、朝向、围护结构保温情况，外墙外窗的遮阳情况，建筑空间的通风换气等密切联系。长期以来建筑设计怎样来促进建筑物的自然通风和降低室温一直是研究讨论的话题。首先，建筑物四周的风压分布，与该建筑物的几何形状如女儿墙、挑檐、屋顶坡度等有关，同时周边建筑、植被也会改变室外的风向或风速；其次，热压与建筑物的开口位置及室内外温差有关。合理的建筑结构设计可以有效的组织通风，保持室内温度，改室内空气品质。

(3)气流组织

建筑中自然通风的效果，很大程度上依赖于建筑室内的气流组织，气流组织的好坏直接影响着建筑物能耗、室内空气品质和室内热环境。在建筑设计时，住宅的朝向及内部构造应有利于自然通风，要做到起居室、卧室都能进行自然通风，不留死角，保证气流拐弯少、阻力小，流动通畅，最好形成穿堂风。总之，现代建筑的自然通风应该是有组织、有控制的自然通风。

3目前自然通风研究方法

由于自然通风的复杂性,国内外学者一直在探索自然通风的研究方法,主要归纳为表列举的几种方法。

表3.1自然通风的研究方法

研究方法原理特点

理论分析利用流体力学中的射流原理、伯努利方程和能量

守恒方程分析自然通风简单、快速地预测室内的速度、

温度分布

实验研究(风洞模型、热浮力实验模型和踪气体法的现场测试)

风洞模型借助相似理论模拟建筑表面及建筑周

围的压力场和速度场,以及确定风压系数;热力

实验模型主要用来模拟热压驱动的自然通风的

物理过程;示踪气体法,根据示踪气体质量守方

程来研究

准确预测室内空气分布,了解室

内的气流情况

网络法(多区域模型法和区域模型方法)

利用能量平衡概念组成热网络与换气网络的模

拟方法;建立温度节点线性方程组和全压节点非

线性方程组,在计算机上模拟实验;结合实际边

界条件,数值求解由控制偏微分方程离散所得的

代数方程组

方法简单、易于掌握计算量相对

小,但计算粗糙,准确度不高

计算流体力学方法（CFD方法）用计算机模拟实验;结合实际的边界条件,数值

求解由控制偏微分方程离散所得的代数方程组

预测建筑内各区域的空气流动

状况及温度分布,分析房间不同

位置的热舒适状况

网络法和CFD方法结

合将网络法与方法进行合理组合,先用网络

模型计算单体区域流动边界条件,再用方

法进行进一步的计算分析

综合了网络法和

CFD方法的优点

4自然通风的潜力分析

自然通风作为一种有效的被动式节能策略，不仅能利用可再生能源，最大限度地降低不可再生能源的消耗；而且能改善室内空气品质，更大限度地为人们提供健康舒适的室内环境，符合绿色建筑的发展趋势，己经被越来越多的人所接受。但是由于我国地域广阔，地形复杂多变，经纬度跨度大，地理条件截然不同，所以造成了我国各地气候条件差异十分明显，气候类型也是多种多样。因此，我国不同地区的自然通风的利用潜力的差别也是十分巨大的。我《民建筑热工设计规范》（GB50176-1993）从建筑热工设计角度出发，将我国划分为严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区以及温和地区五个建筑热工分区；因此，为了给我国建筑通风设计和建筑规范及节能标准的制定提供依据，就需要为我国的这五个建筑热工分区确定套标准的然通风潜力的评价指标。

4.1自然通风潜力分析的原理

自然通风潜力是指只通过建筑自然通风就能保证建筑室内有能够让人体接受的室内空气品质和室内热舒适性的潜力。建筑自然通风的潜力受很多因素的影响，主要影响因素是建筑周围微环境和建筑本身结构特性，其中前者的影响因素包括建筑朝向、建筑结构形式及尺寸、通风开口的位置及大小等，后者的影响因素包括室外空气的风速及风向、太阳辐射等。

4.2自然通风潜力的评价方法

对影响自然通风的各种因素进行综合分析才能比较客观的评价自然通风的潜力，空气温湿度、热压、风压、环境噪声等均是影响自然通风的重要因素。目前，对自然通风潜力的评价方法主要有气候适应性分析方法、有效压差分析方法、自然通风压差帕时数方法、自然通风度日数方法、自然通风度时数方法、多标准评价方法和风压作用下的风压差系数方法。

5总结与未来展望

5.1总结

自然通风不同于其他昂贵、复杂的技术，它是一种比较容易接受、廉价的技术措施，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。所以自然

通风这种看似古老却又新颖的技术引起了人们越来越多的重视，自然通风也成了改善建筑室内空气品质和降低建筑能耗的有效措施之一。利用自然通风来改善室内空气品质首先要让自然风在室内流动起来，而室内自然风的流场变化又取决去建筑室外风环境的变化。故改善城市的风环境是建立良好的城市微气候环境的重要内容，而要做到改善城市的风环境必须做到合理规划建筑的形式及布局，组织有效的建筑自然通风。

5.2未来展望

（1）在前学者研究的基础上，我想采用CFD（Computational Fluid Dynamics 计算流体力学）方法对湛江市某建筑的室外风环境和室内自然通风进行模拟评估。依据设计院提供的建筑平面图，在AUTOCAD 模式下进行拉伸，形成三维型实体，建筑平面尺寸以及立体高度按照设计图纸尺寸。将建筑模型导入CFD 计算软件PHOENICS 进行三维流动数值模拟，从而得建筑周边的流场和建筑表面的压力分布。PHOENICS 的软件设计基于CFD 软件群的思想，从用户需求角度出发，针对各种复杂流动的物理现象，PHOENICS软件采用不同的离散格式和数值方法，以期在特定的领域内使计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳组合，从而高效率地解决各个领域的复杂流动计算问题。最后利用Fanger 的热舒适方程计算各种模拟工况下的室内热舒适指标PMV-PPD的分布，进一步评价自然通风效果

(2)对湖南地区建筑风环境模拟及自然通风潜力分析。在湖南夏热冬冷的特殊环境下，如何更好的利用自然通风，使得夏季尽量带走建筑室内余热，冬季在满足基本新风量的要求下尽可能减少热负荷流失成为关键。我觉得可以围绕单体建筑在不同风速，不同风向角情况下自然通风状况变化，也对建筑布局对其风环境状况的影响和湖南地区自然通风潜力分析进行研究模拟。

参考文献

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