华南理工大学建筑设计研究院有限公司 广东省广州市 510641
摘要：本文介绍自然通风的原理和节能优势，并以建筑自然通风设计流程为切入点，结合具体案例来探讨自然通风降温系统在建筑中的应用。
关键词：自然通风；原理；设计流程
引言：自然通风作为生态建筑技术中一个非常重要的组成部分,是一种安全有效、经济实用的通风模式,在改善室内空气品质、满足室内舒适要求的同时,实现节能的目的。因此，被动式的生态建筑技术研究有着鲜明现实意义。
1自然通风原理
建筑物中的自然通风在实现原理上由“风压”和“热压”引起的空气流动。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[1]。而这个压力差与建筑形式、建筑与风的夹角以及周围建筑布局等因素相关。当风垂直吹向建筑正面时，迎风面中心处正压最大，在屋角及屋脊处负压最大。我们通常所说的“穿堂风”就是典型的风压通风。
热压通风即通常所说的烟囱效应，其原理为室内外温度不一，二者的空气密度存在差异，室内外的垂直压力梯度也相应有所不同，此时，若在开口下方再开一小口，则室外的空气就从此下方开口进入，而室内空气就从上方开口排出，从而形成“热压通风”[2]。当室内外空气温差越大，则热压作用越强，在室内外温差相同和进气、排气口面积相同的情况下，如果上下开口之间的高差越大，热压越大。
利用热压与风压实现自然通风。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，烟囱效应拔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[3]。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。利用风压和热压进行自然通风往往是相互补充的，在实际情况中他们是共同作用的。一般来说，在建筑进深较小的部位多利用风压来直接通风，而在进深较大的部位则多利用热压来达到通风效果。
但总的来说，自然通风与机械通风不同，它受气候、季节、建筑周围微环境等因素的影响。因此，需要借助相应的辅助设备加强自然通风效果。自然通风在使用时，需要进行控制优化，以便达到最佳的通风效果。
2北京大学附属小学校园建筑自然通风节能设计
图1 主教学楼热压通风示意图
北京大学附属小学位于北京大学燕东园区。园区内拥有大量的古树名木。工程设计之初就明确了科学研究与工程设计密切结合、绿色自然和技术适宜的设计指导原则。校园内大量的名木古树和身处具有深厚文化氛围的北大燕东园是启发设计者进行节能技术探讨的主要动因之一。每个建筑所采用的节能技术措施均是建筑自身的特点、环境和当地气候条件三者综合平衡的结果。
北京气候的主要特点是四季分明。春季干旱，夏季炎热多雨，秋季天高气爽，冬季寒冷干燥；风向有明显的季节变化，冬季盛行西北风，夏季盛行东南风。北京的春季气温回升快，昼夜温差大，干旱多风沙。白天气温高，而夜间辐射冷却较强，气温低，是昼夜温差最大的季节。一般气温日较差12—14℃，最大日较差达16.8℃。夏季平均温接近26℃，高温持久稳定，昼夜温差小。秋季北方冷空气开始入侵，降温迅速。冬季虽寒冷干燥，但阳光却多，每天平均日照在6小时以上，为开发利用太阳能创造了有利条件。通过对北京地区的气候潜力分析，可以看出，北京全年风沙较大，并且风速较大，不便于建筑自然通风设计策略的采用。而全年季节和昼夜室内外温度差别比较大，因此比较适合采用热压通风塔通风。
建筑都是坐北朝南，建筑周围拥有大量的古树名木和草地，茂密的数目植被不但对比较强烈的气流会产生一定的阻碍、倒流与缓解作用，同时还对空气质量与热舒适性有较强的改善作用。可以说建筑周围的微环境十分的优越。
在完成气候潜力分析和建筑周围微环境的预测后，设计上采用了热压通风塔的方式。通过烟囱和太阳集热器尽可能吸收太阳辐射，加热流过其中的空气，扩大与室外空气的温差，形成并强化热压拔风作用，进而对房间内的空气产生有效的抽拔作用，从而保证教室内能形成稳定的气流组织。工程设计中在教学楼南侧顶部结合坡屋面布置了排风塔和太阳集热器。南向教室的排风通过南侧空心夹层墙流入南侧的太阳集热器，进而进入排风塔排出室外。由于诱导式通风系统较依赖于室外气象条件，并且提供的拔风动力较小，为了确保排风效果，同时安装了机械排风系统(在塔内加装排风机)。当太阳辐射较弱或者地道送风系统处于中、高档送风时，启动机械排风系统。当太阳辐射较强并且地道送风系统为低档送风时，不开风机，依靠热压自然通风（图1）。
在设备选型上，考虑到风机开启时，下方格栅百叶自动关闭。在诱导通风情况下，为避免风压作用对塔内排风的影响，在塔内出风口外围增设一圈玻璃挡风圈(避风风帽)，室外风吹过风帽时，可以保证排风口基本上处于负压区内，进一步增加系统排风能力。
通过自然通风降温以满足人体的舒适度要求是建筑中最自然而古老的技术，在世界各地的传统乡土民居建筑中都有普遍应用。“大树底下好乘凉”是对自然界中遮阳与通风结合的最佳写照。采用自然通风方式的最终目的是部分或者全部取代目前传统的空调制冷系统。自然通风可以在不消耗可再生能源的情况下降低室内温度，带走潮热气体，达到人体热舒适；同时利于减少能耗，降低污染，并提供清洁新鲜的自然新风，有利于人的生理和心理健康。
3总结
本课题---自然通风降温系统在建筑中的应用就是对这种发展趋势的一种回应。作为建筑设计方面的研究生，本身对技术的了解和掌握程度就不够，也缺乏相应的学科背景和基础，因此，本文就以技术和设计的融合为切入点，提出步骤上的一些观点，并以相关的案例进行演绎，希望在建筑设计中同时达到建筑节能的效果。
参考文献
[1]李忠民 赵秀玉. 自然通风的原理及其在建筑设计中的应用[J]. 黑龙江科技信息，2009(03):256.
[2] 杨洪生. 自然通风降温系统在建筑中的应用—北京大学附属小学校园建筑的节能技术实践[J]. 建筑学报，2008(03):18-22.
论文作者:李斌
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年8期
论文发表时间:2019/8/8
标签：自然论文; 建筑论文; 风压论文; 作用论文; 温差论文; 空气论文; 排风论文; 《建筑学研究前沿》2019年8期论文;