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[摘 要]本文介绍了自然通风在生态建筑中的应用,并对自然通风的研究方法及研究工具做了简单介绍,分析了建筑设计对自然通风的影响,通过对国内外著名生态建筑中采用的自然通风技术的例子,提出了一些对于风能利用的处理方法。
[关键词]自然通风设计 建筑设计 生态建筑
[中图分类号]TU[文献标识码]A[文章编号]1009-5489(2010)06-0163-02
一、自然通风的机理
室外气流与建筑物相遇时,将发生绕流,经过一段距离后,气流才恢复平行流动。由于建筑物的阻挡,建筑物四周室外气流的压力分布将发生变化,迎风面气流受阻,动压降低,静压增高,侧面和背风面由于产生局部涡流静压降低。风压通风就是利用建筑的迎风面和背风面之间的压力差实现空气的流通。压力差的大小与建筑的形式、建筑与风向以及建筑周围的环境有关。如果希望利用风压来实现建筑自然通风,首先,要求建筑有理想的外部风环境(平均风速3m/s—4m/s)。其次,建筑应面向夏季主导风向,房间进深要适宜(一般应小于14m左右),以便形成穿堂风。
利用热压实现自然通风,英国卡斯廷的BRE(Building Resarch EsWlishmeW)办公建筑是一座利用热压差组织自然通风的典型实例。整个建筑达到100%的面积自然通风,避免了高强度的夏季空调制冷,从而节约电能。
风压与热压共同作用,实际建筑环境复杂,因此,建筑中的自然通风往往是风压与热压共同作用的结果。风压作用受到天气、环流、建筑形状、周围环境等因素的影响,具有不稳定性,所以在与热压同时作用时可能还会出现减弱通风效果的情况。位于英国莱切斯特的蒙特福德大学机械馆则是利用风压和热压实现自然通风的典范,位于指状分支部分的实验室、办公室进深较小,可以利用风压直接通风。而位于中央部分的报告厅、大厅及其他房间则更多地依靠“烟囱效应”进行自然通风。
机械辅助式自然通风,在一些大型建筑中,由于通风路径较长,流动阻力较大,单纯依靠自然风压与热压往往不足以实现自然通风。而对于空气污染和噪声污染比较严重的城市,直接的自然通风还会将室外污浊的空气和噪声带入室内,不利于人体健康。
二、自然通风的研究方法
1.实验法
实验法可通过直接或间接测试方式确定影响自然通风的相关因素,预测自然通风潜能,包括风洞实验、不同气体实验和热浮力实验等。实验法可以真实、准确地反映物理现象的过程,非常直观,更具有说服力,但是,实验受到测试仪器精度、测试方法以及人为因素等的影响,测试数据的精确性很难保证,同时,实验本身的周期以及人力、物力的耗费也制约着实验工作的开展。
2.数值模拟方法
数值模拟方法是利用计算机程序求解离散所得的代数方程组或伯努利方程,来描述流场或预测区域的通风量,包括CFD和网络法。网络法包括多区模型方法和区域模型方法。目前,应用比较广泛的数值模拟软件包括:FLUENT、COMIS和TRNSYS等。CFD通过将研究对象划分为小的控制体,利用有限差分或有限元方法将气流的连续微分方程离散为非连续的代数方程组,并结合实际的边界条件进行求解,可以预测建筑内各个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。网络法简单、易于掌握、计算量相对小,但是计算粗糙、准确度不高,仅对较大风速有效,对单面通风无效,适于工程计算。两者结合可对复杂建筑进行求解,用网络法求解建筑的整体流动,计算各个房间之间的换气量,用CFD方法求解房间内部的温度分布,由此使得计算快速,分析真实。
三、建筑中的自然通风设计
1.建筑朝向及通风口面积
风压作用通过风压系数体现,与建筑朝向和有效通风面积有关。各气候地区的主月份风向具有明显的差异,建筑朝向应该与夏季主月份风向一致,在整体布局中,还应该对建筑的体形,包括高度、进深、面宽乃至形状等实行一定的控制。在此基础上,根据室内的新风量需求进行通风口设计,主要是有效通风面积以及在建筑立面上的相对位置。房间的开口大小和相对位置等直接影响到风速和进风量。进风口与出风口位置宜相对错开,这样可以使气流在室内改变方向,使室内气流更均匀,通风效果更好。
2.中庭和排风烟囱
中庭和排风烟囱两者都是利用烟囱效应,组织气流按一定路径流动。烟囱效应取决于建筑内部温度梯度的大小,也可以在顶部设置太阳能集热器等设备,提高顶部的温度,强化烟囱效应。
3.玻璃幕墙
玻璃幕墙的使用近年来非常广泛,使得建筑外形关观,其对邻近区域室内环境的影响也比较明显。双层玻璃幕墙又称“会呼吸的皮肤”,由内外两层幕墙组成。两层玻璃幕墙之间留一个空腔,空腔的两端有可以控制的进风口和出风口。
4.地下风道
地下风道可以对空气进行预处理,新风在进入室内前有一个预热或预冷过程,可以节约能耗,减小室内外温差较大时直接通风所带来的不舒适。
四、结语
自然通风的研究方法包括实验法和数值模拟法,实验法简单,但受到多种因素的影响,误差较大。数值模拟方法中CFD与网络法的结合使得计算快速,分析翔实。在建筑结构设计时还应充分考虑利用自然通风。在通风设计中应根据当地风向确定建筑朝向与风口位置,使穿堂风最大限度的通过室内人员活动区,当建筑进深较大时,考虑利用热压组织室内通风。
[参考文献]
[1]喻李个,阳丽娜,周军莉.自然通风潜力分析研究进展[J]制冷空调,2004,25(4):18~22.
[2]王汉青,姬民发,李向阳.通风工程[M]北京:机械工业出版社,2007.
[3]韦峰.建筑自然通风在设计中的应用[J].河南科技大学学报,2004,25(5):54~57.
[4]肖琼.自然通风在现代建筑设计中的应用[J]建材与装饰,2007(10):35~36.
[收稿日期]2010年3月30日
[作者简介]张成博(1983～ ):男,辽宁丹东人,沈阳永盛房屋开发有限公司助理工程师。李秀云(1982～ ):女,山东高县人,吉林省大鑫空调环境净化工程有限公司助理工程师。
[关键词]自然通风设计 建筑设计 生态建筑
[中图分类号]TU[文献标识码]A[文章编号]1009-5489(2010)06-0163-02
一、自然通风的机理
室外气流与建筑物相遇时,将发生绕流,经过一段距离后,气流才恢复平行流动。由于建筑物的阻挡,建筑物四周室外气流的压力分布将发生变化,迎风面气流受阻,动压降低,静压增高,侧面和背风面由于产生局部涡流静压降低。风压通风就是利用建筑的迎风面和背风面之间的压力差实现空气的流通。压力差的大小与建筑的形式、建筑与风向以及建筑周围的环境有关。如果希望利用风压来实现建筑自然通风,首先,要求建筑有理想的外部风环境(平均风速3m/s—4m/s)。其次,建筑应面向夏季主导风向,房间进深要适宜(一般应小于14m左右),以便形成穿堂风。
利用热压实现自然通风,英国卡斯廷的BRE(Building Resarch EsWlishmeW)办公建筑是一座利用热压差组织自然通风的典型实例。整个建筑达到100%的面积自然通风,避免了高强度的夏季空调制冷,从而节约电能。
风压与热压共同作用,实际建筑环境复杂,因此,建筑中的自然通风往往是风压与热压共同作用的结果。风压作用受到天气、环流、建筑形状、周围环境等因素的影响,具有不稳定性,所以在与热压同时作用时可能还会出现减弱通风效果的情况。位于英国莱切斯特的蒙特福德大学机械馆则是利用风压和热压实现自然通风的典范,位于指状分支部分的实验室、办公室进深较小,可以利用风压直接通风。而位于中央部分的报告厅、大厅及其他房间则更多地依靠“烟囱效应”进行自然通风。
机械辅助式自然通风,在一些大型建筑中,由于通风路径较长,流动阻力较大,单纯依靠自然风压与热压往往不足以实现自然通风。而对于空气污染和噪声污染比较严重的城市,直接的自然通风还会将室外污浊的空气和噪声带入室内,不利于人体健康。
二、自然通风的研究方法
1.实验法
实验法可通过直接或间接测试方式确定影响自然通风的相关因素,预测自然通风潜能,包括风洞实验、不同气体实验和热浮力实验等。实验法可以真实、准确地反映物理现象的过程,非常直观,更具有说服力,但是,实验受到测试仪器精度、测试方法以及人为因素等的影响,测试数据的精确性很难保证,同时,实验本身的周期以及人力、物力的耗费也制约着实验工作的开展。
2.数值模拟方法
数值模拟方法是利用计算机程序求解离散所得的代数方程组或伯努利方程,来描述流场或预测区域的通风量,包括CFD和网络法。网络法包括多区模型方法和区域模型方法。目前,应用比较广泛的数值模拟软件包括:FLUENT、COMIS和TRNSYS等。CFD通过将研究对象划分为小的控制体,利用有限差分或有限元方法将气流的连续微分方程离散为非连续的代数方程组,并结合实际的边界条件进行求解,可以预测建筑内各个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。网络法简单、易于掌握、计算量相对小,但是计算粗糙、准确度不高,仅对较大风速有效,对单面通风无效,适于工程计算。两者结合可对复杂建筑进行求解,用网络法求解建筑的整体流动,计算各个房间之间的换气量,用CFD方法求解房间内部的温度分布,由此使得计算快速,分析真实。
三、建筑中的自然通风设计
1.建筑朝向及通风口面积
风压作用通过风压系数体现,与建筑朝向和有效通风面积有关。各气候地区的主月份风向具有明显的差异,建筑朝向应该与夏季主月份风向一致,在整体布局中,还应该对建筑的体形,包括高度、进深、面宽乃至形状等实行一定的控制。在此基础上,根据室内的新风量需求进行通风口设计,主要是有效通风面积以及在建筑立面上的相对位置。房间的开口大小和相对位置等直接影响到风速和进风量。进风口与出风口位置宜相对错开,这样可以使气流在室内改变方向,使室内气流更均匀,通风效果更好。
2.中庭和排风烟囱
中庭和排风烟囱两者都是利用烟囱效应,组织气流按一定路径流动。烟囱效应取决于建筑内部温度梯度的大小,也可以在顶部设置太阳能集热器等设备,提高顶部的温度,强化烟囱效应。
3.玻璃幕墙
玻璃幕墙的使用近年来非常广泛,使得建筑外形关观,其对邻近区域室内环境的影响也比较明显。双层玻璃幕墙又称“会呼吸的皮肤”,由内外两层幕墙组成。两层玻璃幕墙之间留一个空腔,空腔的两端有可以控制的进风口和出风口。
4.地下风道
地下风道可以对空气进行预处理,新风在进入室内前有一个预热或预冷过程,可以节约能耗,减小室内外温差较大时直接通风所带来的不舒适。
四、结语
自然通风的研究方法包括实验法和数值模拟法,实验法简单,但受到多种因素的影响,误差较大。数值模拟方法中CFD与网络法的结合使得计算快速,分析翔实。在建筑结构设计时还应充分考虑利用自然通风。在通风设计中应根据当地风向确定建筑朝向与风口位置,使穿堂风最大限度的通过室内人员活动区,当建筑进深较大时,考虑利用热压组织室内通风。
[参考文献]
[1]喻李个,阳丽娜,周军莉.自然通风潜力分析研究进展[J]制冷空调,2004,25(4):18~22.
[2]王汉青,姬民发,李向阳.通风工程[M]北京:机械工业出版社,2007.
[3]韦峰.建筑自然通风在设计中的应用[J].河南科技大学学报,2004,25(5):54~57.
[4]肖琼.自然通风在现代建筑设计中的应用[J]建材与装饰,2007(10):35~36.
[收稿日期]2010年3月30日
[作者简介]张成博(1983～ ):男,辽宁丹东人,沈阳永盛房屋开发有限公司助理工程师。李秀云(1982～ ):女,山东高县人,吉林省大鑫空调环境净化工程有限公司助理工程师。