节能建筑混合式通风设计

□王 晶

一、节能建筑自然通风设计

自然通风主要利用风和热压来实现建筑的内外空气交换。交换而来的新鲜空气可以缓和室内异味，排除易挥发的有机化合物和其他空气污染物，降低空气中的二氧化碳含量，提高氧气含量;同时也可以带走室内热量，获得适宜室内温度。本节介绍自然通风设计的理论基础，简要阐述气流通过的开口尺寸、方位、垂直间隔等因素对气流流量的影响。

(一)气流穿过大尺寸开口时的气流流量。气流穿过开口的流量除了风和浮力的驱动外，主要依赖于开口面积、开口几何形状以及开口两侧的压力差:

其中，Q为气流流量(m3/s)，CD为开口的流量系数，依赖于开口的形状及气流特性，A为开口的横截面积(m2)，Δp为压力差(Pa)，对建筑而言压力差值室内外的压力差，ρ为空气密度(Kg/m3)，一般为常数。

(二)风驱动自然通风。风会对建筑立面产生压力，一般规定建筑迎风立面承受正向压力，其它立面承受负向压力，如图1所示。

图1 风在建筑各立面产生的压力

风驱动气流穿过建筑通风口的气流流量为:

其中Cv为开口效力，值介于0到1之间，A为开口的横截面积(m2)，U为风速差(m/s)。可见，此时气流量依赖于开口效力、开口截面积和风速。

建筑通风口位置和尺寸对风驱式自然通风也有较大影响。图2给出了气流通过不同尺寸迎风口和出风口时的两种情况。左侧图迎风口尺寸小于出风口，入风口及室内平均气流速度相对较高，迎风角落存在滞留空气。右侧图迎风口尺寸大于出风口，室内气流速度相对平缓，环境更为宜人。

图2 不同尺寸通风口设计对室内气流速度影响

图3给出了不同导流板设计对建筑室内气流的影响，可见即使是同一外墙在特定设计情况下，也可同时承受正压和负压。

图3 不同导流板设计对自然通风的影响

(三)热压驱动自然通风。热压驱动时气流流量依赖于风道开口效力、风道截面积、风道距中压基准面的高度及室内外温度差:

其中，中CD为风道口的流量系数，A为风道口的横截面积(m2)，ΔHNPL为风道距中压基准面的高度(m)，Ti为室内温度(℃)，To为室外温度(℃)。上式假定没有风压、室内无影响气流的障碍物、进风口和出风口尺寸相当。

中压基准面定义为内部压力和外部压力相等的高度，而对于仅有一个通风口的空间，中压基准面一般假定为通风口中间的高度，在通风口处既有进风也有出风。低温气流在底部通过，高温气流在顶部与低温气流反向流动。在没有风驱动或者结构设计复杂无法实现风驱动时，热压驱动自然通风是最为便捷的设计方案。

(四)风、热压、太阳能联合驱动自然通风。图4为一典型联合驱动自然通风设计，楼梯塔既用于人员上下通行也当做风道，并设置可调节的导流顶。天气晴朗时，气流从通风窗进入建筑，穿过建筑内部空间进入风道，日照提供热压使风道内的气流经导流顶排出，带走建筑内部热量。由于风道的热压效应对第三层的气流流通效果不明显，所以在第三层设有较高的顶棚，以提高室内热压。多风天气时，导流顶和第三层顶棚联合作用产生负压，实现风驱动的自然通风。

图4 联合驱动自然通风

由于风的速度及方向是多变的，所以通风口应设计为可调节的，以满足不同的气流流量和风速要求。通风性能良好的建筑一般都设计有可调节的立面结构，使建筑能源消耗与室内舒适环境达到最优化。

二、节能建筑混合式通风设计

仅仅依靠风驱动和热压驱动实现自然通风，很难达到完美的室内环境调节效果。节能建筑通常利用自然通风和暖通空调系统混合实现建筑室内通风。当室外天气条件优良时，自然通风系统启动，暖通空调系统关闭，以节约能源。当天气条件不理想时，自然通风系统调节能力不足时，启动暖通空调系统，共同调节室内通风。

图5 混合式通风系统

图6 辐射式天花板系统

图5为一种常见的顶置暖通空调系统与自然通风的混合模式通风设计，通风系统可满足一般的通风、取暖或者降温的需求。图6的设计用辐射式天花板取代顶置暖通空调系统，可实现取暖降温需要，通风要借助自然通风或者机电设备。