利用热压促进自然通风_以张家港生态农宅通风计算分析为例_宋晔皓

利用热压促进自然通风

——以张家港生态农宅通风计算分析为例

宋晔皓

〔提要〕自然通风主要通过热压通风、风压通风或者二者的综合作用完成。热压通风可以应用在建筑密度较高,可能会遮挡风压通风的地方。经过分析比较,张家港生态农宅利用室内的文丘里管促进热压通风,本文对其通风效果进行了计算分析。

关键词:自然通风　热压　风压　文丘里管

1.促进自然通风的目的和作用

风能与太阳能、生物能等属于可再生的自然能源,如何利用风能是注重生态的建筑设计应该首先考虑的问题。而利用自然通风改善室内空气质量,改善人体的热舒适条件,是利用风能的一个典型例子。

建筑内部的通风条件是决定人们健康、舒畅的重要因素之一。它通过空气更新和气流的生理作用对人体的生物感受起到直接的影响作用,并通过对室内气温、湿度及内表面温度的影响而起到间接的影响作用。

通常认为,自然通风的作用具有三种不同的功能〔1〕:第一,健康通风,即保证室内空气质量I AQ;第二,热舒适通风,即增加体内散热,以及防止由皮肤潮湿引起的不舒适以改善热舒适条件;第三,降温通风,即当室内气温高于室外的气温时,使建筑构件降温。

上述各种功能的相对重要性取决于不同季节与地区的主导气候条件。其中健康通风的优劣可以用单位时间内的换气次数来表示;热舒适通风的效果利用气流流度表示;建筑降温的通风效果可以利用单位时间的换气次数表示。

通风的效果究竟是增热还是降温,取决于进行通风的期间,没有通风时的室内温度与室外温度间的温差情况。在室内气温高于室外的期间,如进行通风,就可以降低室内温度。从温度模拟结果分析,由于傍晚和夜间的室外气温低于高于室内,在此期间通风可以收到降温的效果。

2.张家港生态农宅采用热压促进通风的设计策略

生态农宅中,“文丘里管”式渐缩断面剖面的设计目的主要有两个:第一,改善原有的利用风压作用通风的状况,构造自身的热压通风管道,增强夜间自然通风效果(图1)。

自然通风的基本原理非常简单,一般利用风压或热压为动力,促进自然通风〔2〕。

而现有的苏南农宅多采用“撒芝麻”的布局方式,由于这是一种相对松散的布局方式,不会对空气的自然流动产生遮挡影响。所以在有风的条件下,农宅室内良好的自然通风作用效果是由未受建筑遮挡影响的风压差所引起的。

目前苏南地区的农宅建设正在趋向于集中,以便适度提高建筑密度,改变“撒芝麻”这种不利于节约土地的布局方

式。例如,双山岛生态村规划项目中,采用的是联排式农宅方案。

这样虽然可以节约土地,但是从自然通风的角度分析,建筑之间的相互遮挡影响了原有利用风压差的自然通风方式:随着建筑密度的提高,建筑之间会对空气流动产生一定的遮挡。这种遮挡的直接结果是减少了街道层面的风的流量,从而减少了自然风压差,因此会影响传统苏南农宅利用风压差进行的自然通风。

很多研究成果都可以说明这一点。例如,依据英国伦敦建筑学院的研究,街道层面的风速是未受遮挡的风速的1/3左右〔3〕。而奥戈雅总结了堪萨斯农业实验室所作的四种遮挡物的风洞实验结果,指出了空气流动速度衰减与遮挡物类型和相对遮挡物的空间方位之间的关系〔4〕。如果考虑到建筑物周围紊流绕流情况的存在,那么一般认为被建筑所遮挡的风速,可以在5～10倍建筑高度的位置恢复(图2)。

为了解决这一问题存在着一些不同的设计策略。比较有代表性的是干热气候条件下,一些乡土建筑的设计策略:利用“捕风窗”或者“风塔”引风〔5〕。

对于苏南地区而言,由于降水频繁,不可能采用类似的设计策略。因此张家港生态农宅采用了室内“文丘里管”式渐缩断面的设计策略,以便在室温高于外温的时间段,例如夏季的夜晚,即使在无风的条件下,可以利用热压形成局部的负压区域,加强自然通风效果,以便改善夜间的人体热舒适感觉:一方面,增强由室内到室外的热交换,降低夜间的室内温度;另一方面,形成适度的吹风感。

利用热延迟作用,夜间降温对白天的室温会产生一定影响,减少白天的极值温度〔6〕,吉沃尼的研究同样证明了这一点:具有较高热容量的建筑在只有夜间通风,白天关闭窗户的条件下,有利于降低温度,另外,如果室外温度没有超出人体舒适范围,可以承受速度的通风,有利于促进人体热舒适〔7〕。

3.热压通风的基本原理分析

所谓热压通风,就是利用建筑内部由于空气密度不同,热空气趋向于上升,而冷空气则趋向于下降的特点,促进自然通风。热压作用与进风和出风的风口高度差,以及室内外空气温度差存在着密切的关系:高度差愈大,温度差愈大,则

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建筑学报　2000—12

1　

生态住宅纵向剖面模型

2　遮挡造成的空气流动在5～10

倍建筑高度的位置恢复原风速

3　

热压通风原理示意

4　热压导致的生态农宅室内白天通风状况

5　

热压导致的生态农宅室内夜间通风状况

6　生态农宅风压和热压综合作用通风分析

热压通风的效果愈明显。

如图3所示,如果室内温度小于室外温度,则通风状况

为由上向下通风,如果室内温度高于室外温度,则通风状况

为由下向上通风(图中a、b分别为下方和上方的两个通风

口,T w、d w、P w分别为室外温度、室内空气密度和室外该开口

处的压强,T n、d n、P n分别为室内温度、室内空气密度和室内

该开口处的压强)。

4.张家港生态农宅热压通风计算

4.1　白天通风计算分析

根据清华大学热能工程系空调实验室开发出的BEE软

件(建筑环境模拟)模拟分析的结果,取夏季白天一些比较

炎热时间段的室外温度为33℃,而此时室内温度为29℃进

行分析。

因t内d外,利用热压产生的自然通风流动情

况如下图4所示。

如果开窗3,可能导致自然通风气流流动短路(图中虚

线所示),从而无法流通至前堂屋处。因此,为了利于房间的

自然通风,应开启窗户1、2,关闭3,开启门窗4、7、8,开

5、6窗。t n=29℃,d n= 1.169kg/m3,t w=33℃,d w=

1.154kg/m3,设门窗4处内外压差为ΔP x,ΔP x>0。

则ΔP1=ΔP x+gh1(d w-d n)<0

ΔP2=ΔP x+gh2(d w-d n)<0

通风达稳态时,有总进风量=总出风量

即2G1+2G2=2G4(G i为通过窗洞i的空气量),

也即:_1F12d wΔP1+_2F22d wΔP2=_4F42d nΔP x

算式中:

_i——第i个窗孔的流量系数,与窗孔的构造有关;

F i——第i个窗孔的面积,m2;

ΔP i——第i个窗孔两侧的压力差,Pa;

d——空气的密度,kg/m3。

取一般构造窗孔的流量系数_1=_2=_4=0.4,依据设

计方案,可以得到F1,F2,F4,h1,h2的数值:F1=0.9×

0.9m2,F2=0.9×0.9m2,F4=0.9×1.8m2,h1= 6.84m,

h2= 4.14m。

代入数值,整理得出:

1.005-ΔP x+0.609-ΔP x= 4.052ΔP x

根据非线性方程组的解法中,不动点迭代数值的压缩映射原

理,导出:

ΔP x=0.494 4.072ΔP x- 4.052ΔP2x-0.098

对上式利用迭代求解得:ΔP x≈0.389Pa。

从而得出自然通风量G= 1.236kg/s,L=1.071m3/s。

换气次数:L=3855.7m3,V≈204m3

N=

L

V

≈19次/小时

自然通风的速度:V=

L

2F4

≈0.330m/s

从计算结果来看,此种农宅夏季白天的自然通风效果不

错,在合理的门窗开启情况下,能保持一定的通风量,达到

自然通风的作用效果,保证室内空气品质I AQ。

通过分析村民调研问卷的回答结果,可以发现:村民对

于夏季气候条件的关注,主要集中在自然通风和温度适宜这

两个方面。而在夏季白天的气候条件下,上述两点是矛盾的

两个方面:

13建筑学报　2000—12

一方面,自然通风引发的吹风感,可以在一定程度上起到改善人体生物舒适感觉的作用,因此在一定程度上,应该促进夏季白天的自然通风;

另一方面,随着自然通风的进行,夏季白天室外温度较高的空气会流入室内,导致室内温度逐渐升高,直到接近于室外温度,这种由于自然通风引起的室内温度升高,存在直接和间接两种不利的后果:直接后果是室内温度的升高,不利于改善人体的生物舒适感觉;间接后果是由于采用了蓄热能力较高的“水桶墙”这一设计策略,“水桶墙”本身随着室内温度的升高会积蓄较多的热量,然后在温度较低的情况下释放出来,会抵消夜间自然通风造成的降温效果。因此应该控制夏季白天的自然通风。

是重视吹风感,还是重视温度的适宜,必须由使用者结合自身的生物感受,作出选择。

由于夏季主导风向为南或南偏东南,与白天热压通风的方向是相反的。如果在有风的条件下,由于风压作用与热压作用的相互抵消,热压通风的作用效果会比理想状态的估算要小,甚至会完全遵循风压作用的自然通风效果。

4.2　夜间通风计算分析

根据BEE软件模拟分析的结果,可取一定时间段的夏季夜间室外温度为24℃,室内温度为29℃进行分析。

因t内>t外,d内

如果开窗2、3,可能导致自然通风气流流动短路,从而无法流通至最高处的窗户1处。因此,为了利于房间的自然通风,应开启窗户1,关闭2、3,开启窗4、5、6、7、8。t n =29℃,d n= 1.169kg/m3,t w=24℃,d w=1.189kg/m3,设门窗4处内外压差为ΔP x,ΔP x<0。

则ΔP1=ΔP x+gh1(d w-d n)>0

通风达稳态时,有总进风量=总出风量

即2G1=2G4(G i为通过窗洞i的空气量),也即:

_1F12d wΔP1=_4F42d nΔP x

算式中:

_i——第i个窗孔的流量系数,与窗孔的构造有关;

F i——第i个窗孔的面积,m2;

ΔP i——第i个窗孔两侧的压力差,Pa;

d——空气的密度,kg/m3。

取一般构造窗孔的流量系数_1=_4=0.4,依据设计方案,可以得到F1,F4,h1的数值,其中F1=0.9×0.9m2,F4= 0.9×1.8m2,h1= 6.84m。

对上式求解得:ΔP x≈-0.229Pa。

从而得出自然通风量G=0.948kg/s,L=0.797m3/s。

换气次数:L=2869.2m3,V≈204m3

N=L

V

≈14次/小时

自然通风的速度:V=

L

2F4

≈0.246m/s

从计算结果来看,此种生态农宅的夜间热压自然通风状况非常好,能保持一定的通风量,达到自然通风的作用效果,保证室内空气品质IAQ。同时利用文丘里管渐缩断面的变截面效果,增加从卧室方向的引流作用,促进卧室的通风降温效果。

5.张家港生态农宅在热压和

风压综合作用下的通风状况分析

建筑室内的实际气流是在热压和风压综合作用下形成的。窗洞口两边的压差是热压和风压两种压差的代数和,这两种作用可能是同一方向,也可能是相反方向,需要根据风向和室内外的温度情况来确定。而通过开口的气流量与综合压差的平方根成正比,因此吉沃尼引用J.B.迪克的研究结果,指出“即使二者的作用方向一致,通过窗洞口的气流量也仅比在较大的一种力单独作用下所产生的气流量稍多一些(最多达40%)。〔8〕”

由于夏季主导风向为南或南偏东南,与夜间热压通风的方向完全一致。因此在有风的条件下,风压作用会促进热压作用,增强夜间自然通风效果,加强自然通风对二层、三层卧室的引流效果,促进整个生态农宅的夜间降温效果。

因为风压的作用涉及建筑物外部空气紊流绕流问题,很难对风压作用下的室内通风状况进行定量分析。但是遵循各种已知的风洞实验的结果,可以进行定性的分析〔9〕。如果定性分析,综合考虑风压的影响,文丘里管渐缩断面对卧室通风引吸的作用更加明显(图6)。

(本文根据笔者博士论文的一部分内容修改而成,感谢栗德祥教授的指导。张家港生态农宅是吴良镛教授、尹稚教授主持的张家港生态村规划设计的子课题,感谢二位教授的指导和帮助。感谢江亿教授在热工方面的帮助。)

注 释

〔1〕B.吉沃尼.人·气候·建筑,陈士駘译,王建瑚校.北京:中国建筑工业出版社,1982.第228页。

〔2〕参见湖南大学,同济大学,太原工学院编.工业通风.北京:中国建筑工业出版社,1980.

〔3〕F athy H.Natu ral Energy and Vernacular Architecture: principles and examples w ith reference to hot arid cl imates.书中参考英国伦敦建筑学院的研究结果。

〔4〕Olgyay V.Des ign w ith Climate:biocl imatic approach to architectural regional ism.第98页。

〔5〕例如,处于干热地域的埃及、伊拉克、巴基斯坦等地,为了遮阳,具有较高的建筑密度。这导致了建筑物相互之间对气流的遮挡,为了满足建筑的自然通风需求,很多乡土建筑中利用“捕风窗”

或者“风塔”,作为自然通风的来源:利用建在建筑物顶部、迎向夏季主导风向的轻质片状构筑物,或者独立的高塔,兜住高处的气流,将其引导入建筑中。在引导的过程中,适当地加湿和降温。

〔6〕参见清华大学热能系江亿教授“空调系统模拟”课程论文(未发表):夏季室内夜间充分的自然通风可以在一定程度上起到降低白天极值室内温度的效果。

〔7〕Givoni https://www.360docs.net/doc/816756942.html,fort,climate analys is and building design guidel ines.In:Energy and Building,1992,18:11～23.

〔8〕B.吉沃尼.人·气候·建筑,陈士駘译,王建瑚校.北京:中国建筑工业出版社,1982.第252页。

〔9〕参见Fathy H.Natural Energy and Vernacular Architecture: principles and examples with reference to hot arid cl imates.第52页～第61页。Ol gyay V.Des ign w ith Cl imate:biocl imatic approach to architectural regional is m.第103页。参见湖南大学,同济大学,太原工学院编.工业通风.北京:中国建筑工业出版社,1980.第168页。

作者单位:清华大学建筑学院

〔收稿时间:2000年10月〕

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