自然通風(fēng)技術(shù)概述

自然通風(fēng)技術(shù)概述迫于節(jié)約能源、保持良好的室內(nèi)空氣品質(zhì)的雙重壓力下，全球的科學(xué)家開頭重打量自然通風(fēng)技術(shù)。過中庭、雙層幕墻、風(fēng)塔、門窗、屋頂?shù)葮?gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，來實(shí)現(xiàn)良好的自然通風(fēng)效果。承受自然通風(fēng)取代空調(diào)制冷技術(shù)至少具有兩方面的意義:一是實(shí)現(xiàn)了被動(dòng)式制冷。自然通風(fēng)可在不消耗不行再生能源狀況下降低室內(nèi)溫度,改善室內(nèi)熱環(huán)境。二是可供給穎、清潔的自然空氣，帶走潮濕污濁的空氣，有利于人體的生理和心理安康。自然通風(fēng)的實(shí)現(xiàn)方式建筑中常用的自然通風(fēng)實(shí)現(xiàn)方式主要有以下幾種:利用風(fēng)壓實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng),風(fēng)壓可作為實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)的主要手段。在我國大量的非空調(diào)建筑中,利用風(fēng)壓促進(jìn)建筑的室內(nèi)空氣流通,改善室內(nèi)的空氣環(huán)境質(zhì)量,是一種常用的建筑處理手段。風(fēng)洞試驗(yàn)說明:當(dāng)風(fēng)吹向建筑時(shí),因受到建筑的阻擋,會(huì)在建筑的迎風(fēng)面產(chǎn)生正壓力。同時(shí),的壓力差實(shí)現(xiàn)空氣的流通。壓力差的大小與建筑的形式、建筑與風(fēng)的夾角以及建筑四周的環(huán)境有關(guān)。當(dāng)風(fēng)垂直吹向建筑的正立面時(shí),迎風(fēng)面中心處正壓最大,在屋角和屋脊處負(fù)壓最大。另外,伯努利流體原理顯示,流淌空氣的壓力隨其速度的增加而減小,,可以在建筑中局部留出橫向的通風(fēng)通道,當(dāng)風(fēng)從通道吹過時(shí),會(huì)在通道中形成負(fù)壓區(qū),從而帶動(dòng)四周空氣的流淌,這就是管式建筑的通風(fēng)原理。通風(fēng)的管式通道要在肯定方向上封閉,而在其他方向開敞,的建筑空間中到達(dá)較好的通風(fēng)效果。利用熱壓實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)自然通風(fēng)的另一原理是利用建筑內(nèi)部空氣的熱壓差———即通常講的“煙囪效應(yīng)”———來實(shí)現(xiàn)建筑的自然,在建筑上部設(shè)排風(fēng)口可將污濁的熱空氣從室內(nèi)排出,而室外穎的冷空氣則從,可利用建筑物內(nèi)部貫穿多層的豎向空腔———如樓梯間、中庭、拔風(fēng)井等滿足進(jìn)排風(fēng)口的高差要求,并在頂部設(shè)置可以掌握的開口,將建筑各層的熱空氣排出,到達(dá)自然通風(fēng)的目的。與風(fēng)壓式自然通風(fēng)不同,熱壓式自然通風(fēng)更能適應(yīng)常變的外部風(fēng)環(huán)境和不良的外部風(fēng)環(huán)境。風(fēng)壓與熱壓相結(jié)合實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)在建筑的自然通風(fēng)設(shè)計(jì)中,,在建筑進(jìn)深較小的,既在尺度上與四周古老的街區(qū)相協(xié)調(diào),又能形成一種有節(jié)奏的韻律感,,可以利用風(fēng)壓直接通風(fēng);多地依靠“煙囪效應(yīng)”進(jìn)展自然通風(fēng)。同時(shí),建筑的外維護(hù)構(gòu)造承受厚重的蓄熱材料,使得建筑內(nèi)部的得熱量降到最低。機(jī)械關(guān)心式自然通風(fēng)在一些大型建筑中,由于通風(fēng)路徑較長,流淌阻力較大,單純依靠自然風(fēng)壓與熱壓往往缺乏于實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)。而對(duì)于空氣污染和噪聲污染比較嚴(yán)峻的城市,直接的自然通風(fēng)還會(huì)將室外污濁的空氣和噪聲帶入室內(nèi),不利,,(如土壤預(yù)冷、預(yù)熱、深井水換熱等),并借助肯定的機(jī)械方式加速室內(nèi)通風(fēng)。雙層維護(hù)構(gòu)造雙層維護(hù)構(gòu)造是當(dāng)今生態(tài)建筑中所普遍承受的一項(xiàng)先進(jìn)技術(shù),被譽(yù)為“可呼吸的皮膚”。雙層維護(hù)構(gòu)造一般由雙層玻璃或三層玻璃組成,在兩層玻璃之間留有肯定寬度的空隙形成空氣夾層,冬季,空氣夾層和百頁可以形成一個(gè)利用太陽能加熱空氣的裝置,提高建筑外墻外表溫度,有利于建筑的保溫采暖;在夏季,則可以利用熱壓原理將熱空氣不斷從夾層上部排出,到達(dá)降溫的目的。對(duì)于高層建筑來說,直接對(duì)外開窗簡(jiǎn)潔造成紊流,不易掌握,而雙層維護(hù)構(gòu)造則能夠很好的解決這一問題。建筑設(shè)計(jì)與自然通風(fēng)自然通風(fēng)效果與建筑構(gòu)件(窗、門、墻體等)有著親熱關(guān)系。我們?cè)诮ㄖ?gòu)造設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮充分利用自然通風(fēng)。雙層玻璃幕墻(double2skinfacade)在歐洲,承受玻璃幕墻的建筑很流行,為削減夏季空調(diào)的冷負(fù)荷,需要遮陽設(shè)備。爭(zhēng)論說明,承受外遮陽設(shè)備比內(nèi)遮陽設(shè)備節(jié)能效果更佳,,雙層玻璃之間留有較大的空間,常被稱為“會(huì)呼吸的皮膚”。有時(shí)可將房間的窗戶開向墻穴。在冬季,雙層玻璃間層形成陽光溫室,提高建筑圍護(hù)構(gòu)造外表溫度;在夏季,墻及建筑的幾何、熱物理、光和空氣動(dòng)力特性等因素的影響。CFDnetwork方法的模擬結(jié)果說明,該構(gòu)造可大大削減建筑冷負(fù)荷,提高自然通風(fēng)效率。雙層玻璃幕墻具有如下優(yōu)點(diǎn):避開開窗帶來的對(duì)室內(nèi)氣候的干擾;使室內(nèi)免受室外交通噪聲的干擾;夜間可安全通風(fēng)。然而由于大量使用玻璃,夏季會(huì)增加太陽輻射得熱而使夾層內(nèi)的溫度很高,引起能耗增加,甚至導(dǎo)致辦公室過熱。所以為削減其帶來的不利影響,內(nèi)層可承受淺色玻璃,間層內(nèi)設(shè)置窗檐,窗戶大多數(shù)狀況下,自然通風(fēng)系統(tǒng)中以窗戶來充當(dāng)風(fēng)口,PerHeiselberg等人爭(zhēng)論了不同類型窗戶的通風(fēng)特性,通風(fēng)或熱壓驅(qū)動(dòng)的自然通風(fēng)來說,在冬季最好選擇底懸式窗戶,Cd,不能認(rèn)為是常數(shù),僅當(dāng)開口面積較大時(shí),通風(fēng)系數(shù)才0.6。中庭高層建筑可利用中庭的熱壓作用實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng),德國法蘭克福商業(yè)銀行總部大樓便是成功的一例[37]中庭的建筑越來越多,但大多為封閉式,設(shè)計(jì)的目的主要是采光。風(fēng)塔由垂直豎井和幾個(gè)風(fēng)口組成,在房間的排風(fēng)口末端安裝太陽能空氣加熱器以對(duì)從風(fēng)塔頂部進(jìn)入的空氣產(chǎn)生抽吸作用。該系統(tǒng)類似于風(fēng)管供風(fēng)系統(tǒng)。屋頂屋頂?shù)耐庑斡绊懯彝怙L(fēng)壓,CFD方法和試驗(yàn)方法爭(zhēng)論了自然通風(fēng)建筑中,屋頂外形和屋頂高度對(duì)自然通風(fēng)狀況下的室內(nèi)氣流分布和室內(nèi)氣流流速的影響。自然通風(fēng)整體設(shè)計(jì)自然通風(fēng)與機(jī)械通風(fēng)不同,它受氣候、建筑四周的微環(huán)境、建筑構(gòu)造及建筑內(nèi)部熱源分布狀況的猛烈影響,所以它的設(shè)計(jì)是與氣候、環(huán)境、建筑融為一體的整體設(shè)計(jì)。其整體設(shè)計(jì)步驟如下。確定氣候的自然通風(fēng)潛力自然通風(fēng)潛力(NVP),所在地區(qū)的宏觀氣候條件,如宏觀風(fēng)速分布和風(fēng)向(風(fēng)玫瑰圖)、宏觀氣溫分布、太陽輻射照度、室外空氣濕度等來確定該地區(qū)氣候的自然通風(fēng)潛力。在確定自然通風(fēng)方案之前,有必要收集建筑所在地區(qū)的氣象參數(shù)逐時(shí)變化狀況資料并進(jìn)展分析。確定建筑微環(huán)境的自然通風(fēng)潛力(建筑平均高度、建筑分布狀況、街道的布局、植被分布等)、建筑內(nèi)部布置、建筑高度、室外噪聲水平、室外污染等來確定建筑微環(huán)境的自然通風(fēng)潛力。建筑微環(huán)境對(duì)自然通風(fēng)的影響很簡(jiǎn)單,目前這方面的爭(zhēng)論較少。推測(cè)自然通風(fēng)驅(qū)動(dòng)力,確定自然通風(fēng)方案依據(jù)建筑四周微環(huán)境和建筑內(nèi)部狀況(如熱源分布、房間大小、房間的布置、內(nèi)隔斷、房間的位置等)推測(cè)自然通風(fēng)驅(qū)動(dòng)力,確定自然通風(fēng)方案和設(shè)計(jì)氣流路徑。一般狀況下,自然通風(fēng)驅(qū)動(dòng)力是很小的,自然通風(fēng)系統(tǒng)10Pa,100Pa小時(shí),就需考慮是否可以通過轉(zhuǎn)變建筑設(shè)計(jì)方案,如用雙層玻璃墻,或設(shè)計(jì)為中庭式建筑,或轉(zhuǎn)變窗戶形式、位置及大小等,[41]從房間的進(jìn)深(d)與高度(h)的關(guān)系考慮,d=2h時(shí),承受單風(fēng)口單側(cè)通風(fēng)較好;d=2.5h時(shí),承受兩風(fēng)口單側(cè)通風(fēng)較好;d=5h時(shí),承受貫流通風(fēng)較好。依據(jù)設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)參數(shù)選擇通風(fēng)設(shè)備和確定通風(fēng)設(shè)備的安裝位置與大小自然通風(fēng)的設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)參數(shù)與機(jī)械通風(fēng)有很大的差異,由于在自然通風(fēng)環(huán)境中,人們能夠忍受較大的溫度波動(dòng)范圍,ASHRAE551992標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值,所以應(yīng)制定適合于自然通風(fēng)的設(shè)的要求。自然通風(fēng)設(shè)備主要指戶、風(fēng)口、排風(fēng)豎井、天窗、門及風(fēng)機(jī)等。窗戶、風(fēng)口的形式和安裝位置是影響自然通風(fēng)效率的關(guān)鍵因素。目前已爭(zhēng)論出了適合于自然通風(fēng)的自控型通風(fēng)口。掌握系統(tǒng)的設(shè)計(jì)由于影響自然通風(fēng)的各種因素是動(dòng)態(tài)變化的,所以自然通風(fēng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化過程,如何在自然通風(fēng)的動(dòng)態(tài)變化過程中保證室內(nèi)的熱舒適性呢?掌握系統(tǒng)應(yīng)起關(guān)鍵作用。自然通風(fēng)掌握系統(tǒng)一般包括手動(dòng)掌握和自動(dòng)掌握,增加了人掌握環(huán)境的自主能動(dòng)性。自然通風(fēng)的掌握主要是對(duì)風(fēng)口的掌握。但假設(shè)是風(fēng)機(jī)關(guān)心式自然通風(fēng)(混合通風(fēng)),則還須掌握風(fēng)機(jī)的啟停,掌握問題變得簡(jiǎn)單。評(píng)估設(shè)計(jì)方案并作修改所不同。在評(píng)價(jià)一個(gè)機(jī)械通風(fēng)方案時(shí),通常確定一些指標(biāo),如通風(fēng)效率、空氣齡,那么在評(píng)價(jià)一個(gè)自然通風(fēng)方案時(shí),應(yīng)確立什么樣的評(píng)價(jià)指標(biāo)呢?,自然通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)從動(dòng)態(tài)和整體的觀念動(dòng)身,與建筑構(gòu)造設(shè)計(jì)親熱協(xié)作,需建筑師、土木工程師、建筑設(shè)備工程師及電力掌握師甚至房主的參與,,自然通風(fēng)系統(tǒng)的兩個(gè)重要設(shè)計(jì)參數(shù),即通風(fēng)量與室內(nèi)溫度相互影響,故其設(shè)計(jì)還需借助于一些設(shè)計(jì)和分析工具。高層建筑中的自然通風(fēng)問題然通風(fēng),但過高的風(fēng)壓卻會(huì)使建筑的門窗難于開啟,也給建筑室內(nèi)的使用帶來不便,而且在冬季會(huì)帶走大量的熱能,不利于保溫要求。而太高的中庭空間則會(huì)形成過大的熱壓,如不能有效掌握,則會(huì)產(chǎn)生猛烈的紊流,甚至:當(dāng)流淌的空氣臨時(shí)遇到壓縮時(shí),例如空氣進(jìn)入一個(gè)漏斗型的通風(fēng)井口時(shí),受壓縮的氣流速度加快,氣壓降低。當(dāng)建筑中設(shè)有導(dǎo)風(fēng)墻時(shí),導(dǎo)風(fēng)墻可以在平面上被看作是一個(gè)漏斗,門窗則被視為進(jìn)風(fēng)口。MenaraUmno是第一個(gè)利用自然通風(fēng)來制造舒適室內(nèi)環(huán)境的高層建筑。由于氣候濕熱,為了獲得舒適的內(nèi)部環(huán)境,需要一個(gè)較高的空氣交換率。因此,為了引入自然風(fēng),在開口處承受了“風(fēng)墻”體系。將“風(fēng)墻”安排在有通高推拉門的陽臺(tái)部位,兩道風(fēng)墻形成了喇叭狀的口袋,將風(fēng)捕獲到陽臺(tái)。陽臺(tái)內(nèi)的推拉門可以依據(jù)所需風(fēng)量掌握開口的大小,也可完全關(guān)閉,形成“空氣鎖”。這一構(gòu)思來自建筑師對(duì)當(dāng)?shù)仫L(fēng)向資料的分析,實(shí)踐證明這種“風(fēng)墻”與“空氣鎖”的設(shè)置效果很好。在法蘭克福商業(yè)銀行的設(shè)計(jì)過程中,60層高度中庭空間的自然通風(fēng)狀況,福斯特及其合作者進(jìn)項(xiàng),假設(shè)整個(gè)中庭從上到下不加分隔,在很多狀況下中庭內(nèi)部將產(chǎn)生12層作為一個(gè)單元,在每個(gè)單元內(nèi)部利用熱壓來進(jìn)展自然通風(fēng),各個(gè)單元之間通過透亮玻璃相分隔。這樣,整個(gè)中庭便成為一個(gè)個(gè)自然通風(fēng)單元,而不再是一個(gè)通高的“大煙囪”。為了削減過高的風(fēng)壓和熱壓對(duì)高層建筑自然通風(fēng)的不利影響,1990年英恩霍文在波恩大樓的設(shè)計(jì)中進(jìn)展了雙層玻璃幕墻,這一革命性的設(shè)想,RWE50mm,即形成可蓄熱的空腔,供給了節(jié)能的可能性,外層的玻璃阻擋了高空的風(fēng)力,人們第一次可以在高層建筑中翻開窗戶,異的設(shè)想使大樓根本上放棄了昂貴的機(jī)械空調(diào),70%,30%。自然通風(fēng)爭(zhēng)論方法試驗(yàn)法風(fēng)洞模型試驗(yàn)法風(fēng)洞試驗(yàn)的原理是相像性原理,,以及確定風(fēng)壓系數(shù),推測(cè)自然通風(fēng)性能。示蹤氣體測(cè)量法:,就是在測(cè)試期間,保持全部測(cè)試房間的示蹤氣體濃度不變,而轉(zhuǎn)變示蹤氣體注射量,它可用來處理驅(qū)動(dòng)力發(fā)生轉(zhuǎn)變的通風(fēng)問題,,隨著示蹤氣體在測(cè)試房間的集中,示蹤氣體的濃度呈衰減趨勢(shì)。在自然通風(fēng)中可用該方法來推測(cè)自然通風(fēng)量。熱浮力試驗(yàn)?zāi)Ｐ图夹g(shù)4種技術(shù):帶有加熱裝置的氣體模擬法(thegasmodelingsystem,以空氣或其他氣體作為流淌介質(zhì),熱浮力由固定的加熱裝置產(chǎn)生);帶有加熱裝置的水模型系統(tǒng)(thewatermodelingsystem,以水作為介質(zhì),有固定的加熱裝置);鹽水模擬法(thebrine2watermodeling,利用鹽水的濃度差產(chǎn)生類似于熱羽的流淌,已被廣泛承受,但需大蓄水池和不斷補(bǔ)充鹽水);氣泡技術(shù)(afinebubbletechnique,由電路的陰極產(chǎn)生氣泡以模擬熱羽運(yùn)動(dòng),可以模擬點(diǎn)源、線源及垂直熱源的狀況)。其缺點(diǎn)為:不能模擬建筑熱特性對(duì)自然通風(fēng)的影響。對(duì)風(fēng)壓與熱壓共同驅(qū)44種模擬法使之能模擬二力共同驅(qū)9b水箱懸掛在裝有純潔水的大水箱中,,其兩側(cè)開有很多孔口,通過泵來調(diào)整鹽水箱的水流出速度及鹽水箱兩側(cè)的壓差(可由壓差計(jì)測(cè)量)以模擬風(fēng)力。數(shù)值模擬法2.1CFDCFD方法應(yīng)用相當(dāng)廣泛,該方法就是將房間劃分為小的掌握體,把掌握空氣流淌的連續(xù)的微分方程組通過有,并結(jié)合實(shí)際的邊界條件在計(jì)算機(jī)上求解離散所得的代數(shù),只要?jiǎng)澐值恼莆阵w足夠小,體可以很小,所以它可具體描述流場(chǎng),但由于求解的問題往往是非線性的,需進(jìn)展屢次迭代,故較耗時(shí)。它可EnergyPlus進(jìn)展耦合。多區(qū)模型方法(multi2zonemodel或single2flowelementmodel),則可將建筑的一個(gè)房間看作一個(gè)節(jié)點(diǎn),,可以推測(cè)通過整個(gè)建筑的風(fēng)量,較均勻的多區(qū)建筑的通風(fēng)量,不適合推測(cè)建筑內(nèi)的氣流分布。區(qū)域模型方法(zonalmodelmulti2flowelementsmodel),多區(qū)模型方法過分簡(jiǎn)化了系統(tǒng),產(chǎn)生很大誤差,尤其在處理熱壓驅(qū)動(dòng)的自然通風(fēng)等室內(nèi)溫度產(chǎn)生明顯分層的狀況時(shí)誤差很大方法的根本思想是:將房間劃分為一些有限的宏觀區(qū)域,認(rèn)為每個(gè)區(qū)域的相關(guān)參數(shù)如溫度、濃度等相等,而區(qū)域間存在熱質(zhì)交換;建立質(zhì)量和能量守恒方程,并充分考慮區(qū)域間壓差和流淌的關(guān)系來爭(zhēng)論房間內(nèi)的溫度分布及流淌狀況。可見該方法比多區(qū)模型方法簡(jiǎn)單和準(zhǔn)確,CFD簡(jiǎn)潔。它可嵌套在多區(qū)建筑能源和氣流分析軟件,如SPARK,COMISCONTAM中推測(cè)氣流及溫度分布。設(shè)計(jì)與爭(zhēng)論工具在自然通風(fēng)的爭(zhēng)論與設(shè)計(jì)過程中,需借助于現(xiàn)有的分析流體流淌和能量的一些軟件,并應(yīng)開發(fā)出適用于自然通風(fēng)的軟件。目前可應(yīng)用于分析自然通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)特性和熱特性的常見軟件分別有:CONTAMW,COMIS,Lesocool,NatVent,Fluent,Flovent,MIX,CHEMIX,BREEZENewQUICK,TRNSYS,BLAST,EnergyPlus,DOE22,ESP2r等。由于每個(gè)軟件其本身的局限性及自然通風(fēng)與熱傳遞的相互影響,為了全面地推測(cè)建筑熱特性和自然通風(fēng)之間的關(guān)系,有必要將通風(fēng)模擬軟件與熱模擬軟件進(jìn)展耦合。常見的耦合方法有四種。挨次耦合(sequentia