自然通风与节能舒适性分析*

孙志高

社会的进步和人类生产要求与生活水平的提高,工作与生活的环境要求越来越高,空调的使用也越来越普及。空调给人们的工作和生活带来舒适环境的同时,也导致能量的大量消耗。为减少空调使用能量的消耗,在空调系统设计和使用过程中常常通过增加空调环境的密闭性、减少通风量来实现,但这也是现代建筑物“病态建筑综合症”产生的主要因素之一。防止“病态建筑综合症”、改善空调环境的人体舒适度的一个有效方法就是从室外适量引入新鲜的空气。从节能角度出发,古老的通风方法——自然通风近年来又受到重视,并得到进一步的发展。组织合理的自然通风,不仅可以节省下大量的空调能耗,同时为工作、生活提供健康、舒适的环境,回归自然。

1 自然通风的原理与应用形式

1.1 自然通风原理

自然通风是根据地理和建筑物的自然环境条件而进行的一种通风换气方式,其显著特点就是在通风过程中不消耗能源,技术简单,但同时也具有受环境影响大的不利因素,空气调节的精度不高等特点。

当室外气流与建筑物相遇时,由于建筑物的阻挡,迎风面形成一个滞流区,动压降低,静压增高,形成正压区;建筑物的背风面和侧面静压降低,形成负压区。这时只要建筑物设有窗、孔等设施,气流将自发从正压面流进建筑物内,然后再由建筑物内流至建筑物外的负压区,形成风压通风(见图1)。没有温差条件下的纯风压通风驱动力的大小主要取决于风速与风向、建筑物结构、尺寸与朝向,在夏天风压通风是自然通风的主要方式,通风量也较由于温度差引起的热压通风量大。

当室内外存在温度差,同时建筑物与环境之间存在不同高度的通风口,这时在热压的作用下导致建筑物与环境间的气流交换(见图2)。这是一种自然对流,它主要是利用空气密度随温度升高而降低的性质所进行的一种通风方式,影响热压通风的因素主要是建筑物窗孔的位置与高度差以及室内外的温度差。

通常情况下自然通风常常是由于在热压和风压共同作用下进行的(见图3),但对于某一特定建筑物而言,环境中风力与风向是一动态变化的量,导致风压与热压共同作用下的自然通风不能简单线性叠加。

1.2 自然通风形式

1)自然通风中“烟囱效应”。现代建筑物中,大中型建筑物越来越常见,中庭作为大中型建筑物的一部分在其自然通风中起着重要的作用。中庭中的空气在太阳的照射下,形成热压作用所需要的温度差,而中庭本身的高度又为自然通风提供了高度差,这样从门厅进来的自然风从中庭的底部进入而由中庭的上部排出,同时带走建筑物中的部分热量。2)与太阳能相结合的自然通风。太阳能烟囱就是这一应用方式的具体体现(见图4),它通过集热器加热空气,从而产生抽吸作用,冷空气由建筑物的下部进入,热空气从上部的太阳能集热器排出,达到通风的目的。3)与相变储能墙体材料相结合的自然通风。我国许多地区的昼夜温差大,夏天的室内温度常常偏高,导致人体不舒适,而自然通风由于受到气候条件等因素的限制,在这些地区的白天有时作用有限。如果能利用夜晚的低温环境,降低白天的室内温度,可起到很好的降温效果。自然通风结合含有相变墙体材料将很好地实现这一功能,相变墙体材料在白天温度较高时吸热发生固—液相变,降低室内温度;夜晚自然通风使温度降低,墙体材料发生液—固相变,放出白天吸收的热量。4)玻璃幕墙进行自然通风。现代玻璃幕墙建筑物在大中城市中越来越多,利用玻璃幕墙实现自然通风也是现代建筑的一个特色。通常玻璃幕墙的内外两层玻璃之间形成一个气流通道,外层玻璃幕墙设置有进风口和排风口。在阳光的照射下通道内的空气温度吸热,形成上升的空气流,从而实现通风的目的,并带走通道内的热量,降低内层玻璃表面的温度,对房间进行冷却。在温度低的季节里,可关闭玻璃幕墙的进风口和排风口,这时气流通道变成了温室,从而提高内层玻璃的温度,对房间进行加热。

2 自然通风节能

通风是排除建筑物内污染物,消除余热余湿,实现房间冷却的一种技术手段,也是提供新鲜空气的需要。与机械通风相比,自然通风是利用地理条件、建筑物自身的结构和特点实现通风的一种有效方式,是一种没有能耗的技术,在承担全部或部分房间空调负荷的同时,节省了宝贵的能源,达到节能的目的。相关的研究报告指出,在办公楼中合理采用自然通风可节省空调能耗14 kWh/m2～41 kWh/m2。国际能源署在 2000年的总结报告中指出,有效利用自然通风可使办公楼的建筑能耗下降50%以上。由此可见,自然通风只要利用恰当,是一种可靠的节能技术。自然通风在实际利用过程中受到多种因素的影响,如当地气候、建筑物结构、建筑物环境要求与建筑物内部得热和得湿量、建筑物外的空气质量等,这些都会对自然通风是否可行、通风效果产生直接影响。

3 自然通风舒适性

除了环境的温度外,空气流动特点是影响人体热舒适感觉的重要因素,人体对不同通风方式的舒适度感觉是不同的。通常情况下气流的速度、脉动强度和频率分布影响人体与环境的热湿交换,从而影响人体对环境温度的感觉,使人体产生不同的热感觉。自然风是一种没有规律的紊乱气流,与恒定而单调的机械通风相比,自然风的湍动效应更符合人的生理要求,受到人们的青睐。国内外的已有研究结果表明,对比自然通风与机械通风,绝大部分人喜欢自然通风环境,而选择机械通风环境人的比例在30%以下;更有80%以上的被调查者选择有点热但有自然风的环境而不是有空调的凉爽环境,这就说明自然通风更适合人体的生理要求。

4 结语

自然通风是一项古老而重要的通风方式,其与现代技术相结合成为重要的通风空调技术,受到建筑节能和生态主义者的关注。自然通风是一种被动式的通风降温形式,通过合理的设计和运行可有效改善建筑物的热环境,提高室内空气品质,降低对常规空调系统的依赖,节约建筑物能耗,在当今社会潜力巨大。但自然通风受到的制约因素多,如地理气候环境、建筑物周围的空气质量与噪声、建筑物的结构等,只有综合这些因素的合理设计与运行,才能确保自然通风的有效实现。同时要研究新的自然通风技术手段,如与自然通风相结合的相变墙体储能材料、自然通风的模拟软件以及控制技术等,这些新技术的研究开发将有力促进自然通风技术的健康发展。

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