孫志高

社會的進步和人類生產(chǎn)要求與生活水平的提高,工作與生活的環(huán)境要求越來越高,空調(diào)的使用也越來越普及?？照{(diào)給人們的工作和生活帶來舒適環(huán)境的同時,也導致能量的大量消耗。為減少空調(diào)使用能量的消耗,在空調(diào)系統(tǒng)設計和使用過程中常常通過增加空調(diào)環(huán)境的密閉性、減少通風量來實現(xiàn),但這也是現(xiàn)代建筑物“病態(tài)建筑綜合癥”產(chǎn)生的主要因素之一。防止“病態(tài)建筑綜合癥”、改善空調(diào)環(huán)境的人體舒適度的一個有效方法就是從室外適量引入新鮮的空氣。從節(jié)能角度出發(fā),古老的通風方法——自然通風近年來又受到重視,并得到進一步的發(fā)展。組織合理的自然通風,不僅可以節(jié)省下大量的空調(diào)能耗,同時為工作、生活提供健康、舒適的環(huán)境,回歸自然。

1 自然通風的原理與應用形式

1.1 自然通風原理

自然通風是根據(jù)地理和建筑物的自然環(huán)境條件而進行的一種通風換氣方式,其顯著特點就是在通風過程中不消耗能源,技術(shù)簡單,但同時也具有受環(huán)境影響大的不利因素,空氣調(diào)節(jié)的精度不高等特點。

當室外氣流與建筑物相遇時,由于建筑物的阻擋,迎風面形成一個滯流區(qū),動壓降低,靜壓增高,形成正壓區(qū);建筑物的背風面和側(cè)面靜壓降低,形成負壓區(qū)。這時只要建筑物設有窗、孔等設施,氣流將自發(fā)從正壓面流進建筑物內(nèi),然后再由建筑物內(nèi)流至建筑物外的負壓區(qū),形成風壓通風(見圖1)。沒有溫差條件下的純風壓通風驅(qū)動力的大小主要取決于風速與風向、建筑物結(jié)構(gòu)、尺寸與朝向,在夏天風壓通風是自然通風的主要方式,通風量也較由于溫度差引起的熱壓通風量大。

當室內(nèi)外存在溫度差,同時建筑物與環(huán)境之間存在不同高度的通風口,這時在熱壓的作用下導致建筑物與環(huán)境間的氣流交換(見圖2)。這是一種自然對流,它主要是利用空氣密度隨溫度升高而降低的性質(zhì)所進行的一種通風方式,影響熱壓通風的因素主要是建筑物窗孔的位置與高度差以及室內(nèi)外的溫度差。

通常情況下自然通風常常是由于在熱壓和風壓共同作用下進行的(見圖3),但對于某一特定建筑物而言,環(huán)境中風力與風向是一動態(tài)變化的量,導致風壓與熱壓共同作用下的自然通風不能簡單線性疊加。

1.2 自然通風形式

1)自然通風中“煙囪效應”?，F(xiàn)代建筑物中,大中型建筑物越來越常見,中庭作為大中型建筑物的一部分在其自然通風中起著重要的作用。中庭中的空氣在太陽的照射下,形成熱壓作用所需要的溫度差,而中庭本身的高度又為自然通風提供了高度差,這樣從門廳進來的自然風從中庭的底部進入而由中庭的上部排出,同時帶走建筑物中的部分熱量。2)與太陽能相結(jié)合的自然通風。太陽能煙囪就是這一應用方式的具體體現(xiàn)(見圖4),它通過集熱器加熱空氣,從而產(chǎn)生抽吸作用,冷空氣由建筑物的下部進入,熱空氣從上部的太陽能集熱器排出,達到通風的目的。3)與相變儲能墻體材料相結(jié)合的自然通風。我國許多地區(qū)的晝夜溫差大,夏天的室內(nèi)溫度常常偏高,導致人體不舒適,而自然通風由于受到氣候條件等因素的限制,在這些地區(qū)的白天有時作用有限。如果能利用夜晚的低溫環(huán)境,降低白天的室內(nèi)溫度,可起到很好的降溫效果。自然通風結(jié)合含有相變墻體材料將很好地實現(xiàn)這一功能,相變墻體材料在白天溫度較高時吸熱發(fā)生固—液相變,降低室內(nèi)溫度;夜晚自然通風使溫度降低,墻體材料發(fā)生液—固相變,放出白天吸收的熱量。4)玻璃幕墻進行自然通風?，F(xiàn)代玻璃幕墻建筑物在大中城市中越來越多,利用玻璃幕墻實現(xiàn)自然通風也是現(xiàn)代建筑的一個特色。通常玻璃幕墻的內(nèi)外兩層玻璃之間形成一個氣流通道,外層玻璃幕墻設置有進風口和排風口。在陽光的照射下通道內(nèi)的空氣溫度吸熱,形成上升的空氣流,從而實現(xiàn)通風的目的,并帶走通道內(nèi)的熱量,降低內(nèi)層玻璃表面的溫度,對房間進行冷卻。在溫度低的季節(jié)里,可關閉玻璃幕墻的進風口和排風口,這時氣流通道變成了溫室,從而提高內(nèi)層玻璃的溫度,對房間進行加熱。

2 自然通風節(jié)能

通風是排除建筑物內(nèi)污染物,消除余熱余濕,實現(xiàn)房間冷卻的一種技術(shù)手段,也是提供新鮮空氣的需要。與機械通風相比,自然通風是利用地理條件、建筑物自身的結(jié)構(gòu)和特點實現(xiàn)通風的一種有效方式,是一種沒有能耗的技術(shù),在承擔全部或部分房間空調(diào)負荷的同時,節(jié)省了寶貴的能源,達到節(jié)能的目的。相關的研究報告指出,在辦公樓中合理采用自然通風可節(jié)省空調(diào)能耗14 kWh/m2～41 kWh/m2。國際能源署在 2000年的總結(jié)報告中指出,有效利用自然通風可使辦公樓的建筑能耗下降50%以上。由此可見,自然通風只要利用恰當,是一種可靠的節(jié)能技術(shù)。自然通風在實際利用過程中受到多種因素的影響,如當?shù)貧夂?、建筑物結(jié)構(gòu)、建筑物環(huán)境要求與建筑物內(nèi)部得熱和得濕量、建筑物外的空氣質(zhì)量等,這些都會對自然通風是否可行、通風效果產(chǎn)生直接影響。

3 自然通風舒適性

除了環(huán)境的溫度外,空氣流動特點是影響人體熱舒適感覺的重要因素,人體對不同通風方式的舒適度感覺是不同的。通常情況下氣流的速度、脈動強度和頻率分布影響人體與環(huán)境的熱濕交換,從而影響人體對環(huán)境溫度的感覺,使人體產(chǎn)生不同的熱感覺。自然風是一種沒有規(guī)律的紊亂氣流,與恒定而單調(diào)的機械通風相比,自然風的湍動效應更符合人的生理要求,受到人們的青睞。國內(nèi)外的已有研究結(jié)果表明,對比自然通風與機械通風,絕大部分人喜歡自然通風環(huán)境,而選擇機械通風環(huán)境人的比例在30%以下;更有80%以上的被調(diào)查者選擇有點熱但有自然風的環(huán)境而不是有空調(diào)的涼爽環(huán)境,這就說明自然通風更適合人體的生理要求。

4 結(jié)語

自然通風是一項古老而重要的通風方式,其與現(xiàn)代技術(shù)相結(jié)合成為重要的通風空調(diào)技術(shù),受到建筑節(jié)能和生態(tài)主義者的關注。自然通風是一種被動式的通風降溫形式,通過合理的設計和運行可有效改善建筑物的熱環(huán)境,提高室內(nèi)空氣品質(zhì),降低對常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的依賴,節(jié)約建筑物能耗,在當今社會潛力巨大。但自然通風受到的制約因素多,如地理氣候環(huán)境、建筑物周圍的空氣質(zhì)量與噪聲、建筑物的結(jié)構(gòu)等,只有綜合這些因素的合理設計與運行,才能確保自然通風的有效實現(xiàn)。同時要研究新的自然通風技術(shù)手段,如與自然通風相結(jié)合的相變墻體儲能材料、自然通風的模擬軟件以及控制技術(shù)等,這些新技術(shù)的研究開發(fā)將有力促進自然通風技術(shù)的健康發(fā)展。

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