室内自然通风降温效果研究综述

甘阳阳，李志生

（广东工业大学）

1 前言

建筑节能中的自然通风技术在不消耗能源的基础上，既能提供自然冷量，又能提高室内空气品质。自然通风是一种被动冷却方式，它受到气候条件、建筑朝向和围护结构等的影响，存在着随机性和复杂性。

2 自然通风的功能与方式

自然通风作用功能：第一，健康通风，即将室外新鲜空气代替室内被污染的空气。第二，热舒适通风，即通过提高人体散热量减少皮肤湿度过大造成的不舒适感。第三，降温通风，即利用温度较低的室外空气置换温度较高的室内空气。降温通风应考虑建筑特点和当地气候条件。过度季节和与空调搭配运用是研究重点。自然通风方式主要包括穿堂风、单侧通风和中庭及风井通风。风井通过烟囱壁面上的蓄热材料，加热上部空气，推动热气流上升，这种做法叫做太阳能烟囱。

3 自然通风降温效果研究现状

3.1 实验研究

Hayati[1]测得运用单面开门式通风时，当室内外温差为3℃，换气率（ACH）为0.2～0.5；当室内外温差为10～15℃，ACH为0.5～1.0。Chu等[2]研究了不同风速，风向和开孔度的通风率。Lin[3]提出了冷却潜能系数fpc。计算结果表明：当室内冷负荷为150W/m2时，强和中区域（分别对应fpc=3.85和3.0）引入自然通风都能去除室内显热负荷。Michael[4]测得夜间通风时，室内平均空气温度仅比室外高0.7℃；在90%的可接受度下，冷却度时数最低为1.5，白天和全天通风分别为3.1和14.5；温差比平均值最高为59%，白天和全天通风分别为4.5%和9.5%。Jamaludin等[5]实测夜间通风时，室内房间平均温度值低于30℃，而白天、全天和无通风时，室内房间平均温度都超过30℃，甚至32℃。Kubota[6]实测夜间通风时室外冷空气可使室内空气最高降低2.5℃；而和白天窗口开放模式相比，夜间空气温度平均降低了2.0℃。

从以上研究可以看出，在实验室和现场关于自然通风的研究包括通风机理、方式及降温效果等。但存在以下不足：一是在进行机理研究时，实验模型做了大量假设，使得模型过于理想化，其实验结果在应用上存在限制，缺乏实际指导意义；二是现场实测大都更关注自然通风降温能力的大小，而忽略人体生理上的热舒适评价和心理预期；三是对局部热舒适问题关注较少。

3.2 数值模拟研究

Larsen[7]进行风洞试验得出空气交换率取决于入射角。并建立新公式，考虑了温差、压力、开口面积、压力和入射角等的影响。Wang[8]使用大涡流模拟（LES）对上悬窗、下悬窗和平开窗在不同风况下和开启角度下的通风情况进行模拟。亓晓琳[9]建立了夜间通风建筑的传热模型，模型满足室内空气温度满足以24h为周期的余弦分布波动方程。Tong[10]模拟表明：当风向是正常和倾斜时，对于H / W = 1的普通街道峡谷需要三层周边建筑物。H / W = 1/3情况下，需要两层周边建筑物。Mateus等[11]结合实测和模拟表明：模型预测的体积气流速率平均误差为16%，垂直温度梯度平均误差为4%。增加烟囱高度可促进依靠热浮力驱动的置换通风。Benni等[12]模拟表明：封闭的迎风屋顶通风口和敞开的墙壁通风口需要通过自然通风实现64%的最大排热量。

从以上研究可以看出，在分析模型、经验模型和网络模型方面，室内的宏观热环境以及速度场和气流组织等得到了研究。但存在以下不足：一是模型做了大量假设，如简化外部环境，忽略内部热源等，使得模型过于理想化，理论模型与实际存在差距；二是由于模拟条件过于具体，在实际工程中适用面较窄，难以指导建筑自然通风的设计，且预测准确率仍需提高；三是只对相对简单的、特定的自然通风方式进行了模拟，缺少对各种通风方式的综合作用模拟。

4 今后的研究方向

应用自然通风实现室内降温，既是对自然冷源的合理利用，也符合建筑节能的要求。今后自然通风降温效果的研究可从以下方向进行：①加大对混合通风的研究。如在夜间进行自然通风时，可在特定位置安装排风机，引导气流并进一步降低室内气温，既满足节能要求又提高环境舒适度。②加大对太阳能烟囱强化自然通风的研究。利用太阳辐射为空气流动提供动力，强化自然对流换热，可以有效地解决自然通风受气象条件和建筑结构约束导致通风效果不稳定的问题。利用数值模拟方法优化建筑自然通风设计。通过数值模拟能够对建筑风环境进行准确设计和直观描述，结合建筑技术和模拟结果进行分析，进而选择更有利的设计方案。④加强对自动控制系统的研究。如在混合通风系统中，根据室内外温度、风压和风速等参数，自动控制系统应能判断何时启动或停止机械通风。