自然通风系统在公共建筑节能设计中的应用

摘 要：自然通风系统在公共建筑节能设计中扮演着重要角色，利用风压和热对流原理以及温度差异驱动空气流通，可以有效降低能源消耗，提高室内空气质量与环境舒适度，但是需合理规划窗口位置和大小、屋顶通风构造、通风塔和中庭布局以及遮阳和隔热功能设计。在公共建筑中的应用需考虑建筑朝向、密度、间距和高度等因素。

关键词：自然通风系统；公共建筑；节能设计

1 前言

公共建筑作为城市中重要的能源消耗场所，其节能设计有利于实现可持续发展目标。在建筑节能设计中，自然通风系统作为一种被动式节能技术，具有降低能耗、改善室内空气质量、提高舒适度等优点，因此得到了广泛的应用。自然通风系统是利用建筑内外的温差和气压差，利用合理的建筑布局、窗户设计和通风口设置等手段，实现室内外空气的自然流通。与传统的机械通风系统相比，自然通风系统不需要消耗额外的能源，因此具有显著的节能效果。

2自然通风系统在建筑节能设计中的重要性

2.1降低能源消耗

自然通风系统利用风压和热压实现空气流通，无需机械动力，从而大幅减少对空调系统的依赖，直接降低了建筑物的能源消耗。一方面，在适宜的气候条件下，在窗户、通风道等自然进风口引入外部冷空气或释放室内热空气，有效调节室内温度，减少了制冷或供暖的需求[1]。另一方面，自然通风带走室内的余湿、污染物质和异味，可以改善室内空气品质，减轻空气净化器或除湿器等设备的运行负担，进一步节约能源。

2.2提高室内空气质量

自然通风有助于稀释和替换室内的空气，降低有害物质，如挥发性有机化合物（VOCs）、甲醛等的浓度，从而提升空气质量。一方面，自然通风持续的气流交换会减少室内污染物的积聚，保障居住者呼吸到新鲜且清洁的空气。另一方面，良好的空气流通还能防止潮湿和霉菌的滋生，保持室内环境干爽，有利于维护人们的健康。

2.3提高环境舒适度

自然通风除了能够调节室内温度，还有助于创造一个舒适的居住和工作环境。一方面，在温和气候下，适度的自然通风能提供适宜的室内温度，减少人们对机械制冷或供暖的依赖，使人感觉更舒适。另一方面，新鲜空气的流入和污浊空气的排出，增强室内环境的透气感，降低沉闷与压抑感，从而提升人们的舒适体验和满意度。

3自然通风设计原理

3.1热对流原理

热对流原理即利用空气的密度和温度差异来实现室内空气流通的过程。根据热对流原理，热空气具有较低的密度，会上升，而冷空气则具有较高的密度，会下沉，密度差异产生的气流在建筑内部产生自然的对流运动，促使新鲜空气进入室内，同时将污浊空气排出。在自然通风系统设计中，合理的通风口设计，使得热空气能够顺畅地上升并排出，促进了空气的流动。通风口安置在高处以利用室内的热空气自然上升流动，利用建筑的朝向和布局选择合适的通风口位置，以最大程度地利用热对流原理[2]。其次，利用热对流原理，设计合适的气流路径，使得新鲜空气能够有效地进入室内。例如，在建筑的下部设置进风口，引导冷空气从底部进入建筑，与热空气形成对流，达到空气流通的效果。

3.2风压驱动原理

风压驱动原理是利用风力产生的正压和负压差异来驱动空气的流动。根据风压驱动原理，当风吹向建筑物时，风力会产生正压差，将新鲜空气推入建筑内部；相反，当风从建筑物的其他一侧吹过时，会产生负压差，将污浊空气排出。在自然通风系统的设计中，风压驱动原理常用于利用风力进行通风和空气流动。首先，设计合理的通风口和建筑物的朝向，利用风力对流动的空气产生正压差[3]，例如在建筑物的正面设置进风口，根据风向调整通风口的大小和位置，使得风力能够推动新鲜空气进入建筑物内部。其次，利用风压差原理设置适当的出风口，促使污浊空气从建筑物的其他一侧排出，出风口通常设置在建筑的高处以实现更高的负压差，使污浊空气顺利排出。

3.3温度差异利用原理

温度差异利用原理是利用室内外温度差异来促进空气流动和通风。根据这一原理，当室内温度较高时，热空气会上升，产生对流运动；而室外温度较低时，冷空气则会沉积在底部。室内外温度差异的合理利用能实现自然通风系统的通风效果。在自然通风系统设计中，温度差异利用原理常被应用于通风口的设置和气流路径的规划。首先，根据建筑的朝向和气候条件确定通风口的位置，使热空气能够顺利上升并排出。其次，设计合理的气流路径引导冷空气从建筑底部进入，与热空气形成对流，实现空气的自然循环，提高室内空气质量，降低室内温度，提升舒适度。

4自然通风设计方法

4.1窗口位置和大小设计

窗口位置和大小的合理设计，能有效地引入新鲜空气并排除污浊空气，实现节能的通风效果。第一，空气流动路径和方向方面。在确定窗口位置时，要考虑建筑的布局和周围环境的气流情况，分析建筑朝向、自然风向和风速等因素，选择合适的窗口位置，以便有效地引入自然风，促进空气流动和通风。例如，在建筑的正面或侧面设置窗口，使得自然风能够顺利进入室内，并形成对流运动。第二，窗口大小和开启方式方面。窗口的大小和开启方式直接影响自然通风系统的通风效果，一般来说，窗口的面积应根据建筑的体积和使用要求合理确定。过大的窗口会导致室内温度过低或产生过多的风力，而过小的窗口则会限制通风效果。选择合适的开启方式也很重要，如推拉窗、飘窗或转窗等，根据使用者的需求和安全要求来设计，以满足舒适度和通风效果的要求。

4.2屋顶通风设计

合理设计屋顶通风系统能有效改善室内空气质量，降低室内温度和湿度，实现节能的通风效果。一方面，屋顶通风口的设计能确保室内外空气流通，采用屋顶通风口、屋顶插板式通风设备或屋顶风扇等设备。在设计通风口位置时，需要考虑建筑的朝向、周围环境的气流情况以及屋顶的结构特点，且通风口的数量和尺寸应根据建筑的体积和使用要求来确定。另一方面，屋顶风道是将新鲜空气从通风口引导至室内的重要通道，设计时需要考虑风道的路径、材料和尺寸。风道应设置在屋顶的高处，尽可能保持直线或呈斜度，以提高空气流动的效果。根据需要考虑保温、防水和防腐等要求选择合适材料，风道的尺寸应根据通风量和建筑需求进行合理设计，以确保足够的空气流通和通风效果。

4.3通风塔和中庭设计

通风塔和中庭设计引入自然风力和利用建筑布局来促进空气流动，实现节能的通风效果。第一，通风塔是一种立体空间结构，用于引导和加强气流的流动。设计通风塔时需要考虑以下因素：首先，通风塔的高度和宽度应根据建筑的体积和使用要求来确定，以保证足够的气流量。其次，通风塔的形状和开口的位置及尺寸需要根据周围环境的气流情况来确定，通风塔的形状采用锥形、圆顶或其他适合的设计，以便引导和加速气流的流动，通风塔需与窗户或通风口相结合，形成气流路径，进一步提高通风效果。第二，中庭是位于建筑内部的中央空间，以开放的设计与室外环境联系起来，中庭设计能促进空气对流和自然通风，并为建筑提供良好的室内环境。在中庭设计中，需要考虑以下方面：首先，中庭的高度和尺寸应根据建筑的体积和使用要求来确定，以便提供足够的空间来引导和促进气流的流动。其次，中庭应具有良好的通风路径，例如逐层设置开口或通风孔来实现空气的自然流动。中庭设计还可考虑添加植被或水景等元素，以进一步改善空气质量和提高舒适的室内环境。

4.4遮阳和隔热功能设计

遮阳和隔热功能设计能减少室内热量的吸收和减轻室内的热辐射，提高舒适度，降低能耗。一方面，进行遮阳设计。遮阳设计旨在阻挡太阳辐射和热量进入建筑内部。遮阳设备可以采用各种形式，如遮阳板、百叶窗、帷幕、树木等。在设计遮阳结构时，需要考虑以下因素：首先，需要根据建筑朝向和周围环境的太阳路径来确定遮阳设备的位置。其次，遮阳设备的尺寸和材料选择应根据太阳辐射强度、建筑高度和使用要求来确定，材料的选择还需考虑到其隔热性能和耐久性。另一方面，进行隔热设计。隔热设计旨在减少建筑物与外界环境之间的热量传递。隔热设计主要以建筑外立面的隔热材料和绝缘层来实现，隔热材料的选择应具备较高的隔热性能和耐久性，例如使用保温板、隔热涂料或反射材料等；隔热材料的厚度和密度应根据建筑的所在地气候条件和使用要求进行合理选择，以达到最佳的隔热效果；隔热设计应充分考虑建筑的节能要求和综合效益，综合考虑厚度、材料成本和施工难度等因素。

5自然通风系统在公共建筑中的应用

5.1 H建筑概况

H建筑是一座现代化的公共建筑，包括展览馆、会议中心和办公空间等功能。建筑外观独特，采用玻璃幕墙设计，拥有开阔的室内空间和现代化的设施；建筑内部结构复杂，楼层高低错落，需要考虑如何优化自然通风系统的设计以提高室内环境质量和舒适度。

5.2建筑朝向

建筑朝向是自然通风系统设计考虑的重要考虑因素，可利用建筑朝向与风的模型来评估自然通风效果。模型公式：Q = C * A * V，其中Q表示通风量，C表示系数，A表示通风口的有效面积，V表示风速。考虑到反向风的影响，将Q拆分为正向通风和负向通风两部分（Q = Qp + Qn），其中Qp表示正向通风量，Qn表示负向通风量。

（1）预测建筑内部风速：根据建筑的朝向和周围的气象数据估计建筑内部的风速，在合适的位置设置通风口和窗户，引导风进入建筑并产生良好的室内通风效果。（2）分析风向：确定通风口和窗户的位置和数量，以最大程度地利用自然风资源。（3）考虑建筑遮挡物：建筑周围的遮挡物，如高楼、树木和其他建筑物等会影响风的流通，需分析建筑周围的遮挡物预测建筑中的正向和负向通风效果，并进行适当的调整。

5.3建筑密度

建筑密度是指在单位面积内建筑体量的集中程度，对自然通风系统设计有重要影响。模型公式：Q = C * A * （sinθ/θ） * H * D，其中Q表示通风量，C表示系数，A表示通风口的有效面积，θ表示风角，H表示建筑高度，D表示建筑密度。

对于高密度建筑，建筑体量相对集中，通常存在较高的阻挡效应，导致自然通风效果受到一定的限制。当建筑密度较高时，通风系统设计需要考虑以下几个因素：一是通风口和通风道的设置，在高密度建筑中，合理设置通风口和通风道，增加通风路径，改善通风效果，通风口和通风道的大小和数量也需要根据建筑密度进行适当的调整。二是建筑外形的优化，在高密度建筑中，优化建筑外形以减小空气流动的阻力，提高自然通风效果。例如，采用流线型的建筑外形、减少突出部分和角度过于尖锐的设计等，有助于降低空气阻力，提高通风效率。

5.4建筑间距

建筑间距是指相邻建筑物之间的水平距离，不同建筑间距下自然通风系统的效果会有差异。模型公式：Q = Cp * A * V * L，其中Q表示通风量，Cp表示风压系数，A表示通风口的有效面积，V表示风速，L表示建筑间距。

建筑间距对于自然通风系统的设计具有重要影响，不同的建筑间距会产生不同的通风效果。在窄间距的情况下，相邻建筑物之间的距离较小，通风受到一定阻碍，导致通风量减少，通风效果较差。因此，在窄间距建筑中，通风系统需增加通风口的数量和尺寸，优化通风道的布置等。在宽间距的情况下，相邻建筑物之间的距离较大，通风阻力较小，有利于自然通风系统的设计。

5.5建筑高度

建筑高度是自然通风系统设计中重要的参数，会影响通风效果和室内空气流动。模型公式：Q = Cd * A * v计算得出，其中Q表示通风率，Cd表示风阻系数，A表示通风口的效果面积，v表示通风口处的风速。

较高的建筑高度会产生较大的压差，从而促进气流的上升和对流传输，有助于提高通风效果，增加通风量，也有利于排除室内压力差。因此，在高建筑中采用自然通风系统能更好地实现空气流动和室内环境的控制。而低建筑高度会限制气流的上升和对流传输效果，导致通风效果较差，通风量减少，也会造成室内空气污染或热量积聚。在这种情况下，需要增加通风口数量或改变通风系统的设计参数，以提高通风效果。

6 结论

自然通风是一种有效的节能策略，能提升公共建筑的能效，改善室内环境。未来需进一步探索自然通风系统与其他可再生能源技术的结合，以实现更高效、更可持续的建筑节能设计。应深入研究在不同地区和不同气候条件下的自然通风系统设计及优化方法，为公共建筑的节能设计提供更具可操作性的参考。

参考文献

[1]董红霞，邱少腾，裴佩.浅析珠海某超高层办公建筑节能设计[J].中国新技术新产品，2022（07）：123-126.

[2]卢海婷.建筑构造节能设计与自然通风分析[J].居业，2021（09）：35-36.

[3]张延鑫，郭廓.基于自然通风的北方住宅空间节能设计研究[J].住宅产业，2020（08）：49-52.

通讯作者：刘兵红（1989.11-），女，汉族，河北保定人，研究生，工程师，研究方向：区域能源节能利用。