- 2024-05-04密果儿小雨
建筑中常用的自然通风实现方式主要有以下几种:
1.利用风压实现自然通风节能,自然通风最基本的动力是风压和热压。在具有良好的外部风环境的地区,风压可作为实现自然通风的主要手段。在我国大量的非空调建筑中,利用风压促进建筑的室内空气流通,改善室内的空气环境质量,是一种常用的建筑处理手段。风洞试验表明:当风吹向建筑时,因受到建筑的阻挡,会在建筑的迎风面产生正压力。同时,气流绕过建筑的各个侧面及背面,会在相应位置产生负压力。风压通风就是利用建筑的迎风面和背风面之间的压力差实现空气的流通。压力差的大小与建筑的形式、建筑与风的夹角以及建筑周围的环境有关。当风垂直吹向建筑的正立面时,迎风面中心处正压最大,在屋角和屋脊处负压最大。另外,伯努利流体原理显示,流动空气的压力随其速度的增加而减小,从而形成低压区。依据这种原理,可以在建筑中局部留出横向的通风通道,当风从通道吹过时,会在通道中形成负压区,从而带动周围空气的流动,这就是管式建筑的通风原理。通风的管式通道要在一定方向上封闭,而在其他方向开敞,从而形成明确的通风方向。这种通风方式可以在大进深的建筑空间中达到较好的通风效果。
2.利用热压实现自然通风
自然通风的另一原理是利用建筑内部空气的热压差———即通常讲的“烟囱效应”———来实现建筑的自然通风。利用热空气上升的原理,在建筑上部设排风口可将污浊的热空气从室内排出,而室外新鲜的冷空气则从建筑底部被吸入。热压作用与进、出风口的高差和室内外的温差有关,室内外温差和进、出风口的高差越大,则热压作用越明显。在建筑设计中,可利用建筑物内部贯穿多层的竖向空腔———如楼梯间、中庭、拔风井等满足进排风口的高差要求,并在顶部设置可以控制的开口,将建筑各层的热空气排出,达到自然通风的目的。与风压式自然通风不同,热压式自然通风更能适应常变的外部风环境和不良的外部风环境。
3.风压与热压相结合实现自然通风
在建筑的自然通风设计中,风压通风与热压通风往往是互为补充、密不可分的。一般来说,在建筑进深较小的部位多利用风压来直接通风,而进深较大的部位则多利用热压来达到通风效果。位于英国莱彻斯特的蒙特福德大学女王馆就是这方面的一个优秀实例。建筑师肖特和福特将庞大的建筑分成一系列小体块,既在尺度上与周围古老的街区相协调,又能形成一种有节奏的韵律感,同时小的体量使得自然通风成为可能。位于指状分支部分的实验室、办公室进深较小,可以利用风压直接通风;而位于中间部分的报告厅、大厅及其它用房则更多地依靠“烟囱效应”进行自然通风 。同时,建筑的外维护结构采用厚重的蓄热材料,使得建筑内部的得热量降到最低。)
4.机械辅助式自然通风
在一些大型建筑中,由于通风路径较长,流动阻力较大,单纯依靠自然风压与热压往往不足于实现自然通风。而对于空气污染和噪声污染比较严重的城市,直接的自然通风还会将室外污浊的空气和噪声带入室内,不利于人体健康。在这种情况下,常常采用一种机械辅助式的自然通风系统。该系统有一套完整的空气循环通道,辅以符合生态思想的空气处理手段(如土壤预冷、预热、深井水换热等) ,并借助一定的机械方式加速室内通风。
5.双层维护结构
双层维护结构是当今生态建筑中所普遍采用的一项先进技术,被誉为“可呼吸的皮肤”。双层维护结构一般由双层玻璃或三层玻璃组成,在两层玻璃之间留有一定宽度的空隙形成空气夹层,并配有可调节的深色百页。在冬季,空气夹层和百页可以形成一个利用太阳能加热空气的装置,提高建筑外墙表面温度,有利于建筑的保温采暖;在夏季,则可以利用热压原理将热空气不断从夹层上部排出,达到降温的目的。对于高层建筑来说,直接对外开窗容易造成紊流,不易控制,而双层维护结构则能够很好的解决这一问题。
建筑设计与自然通风
自然通风效果与建筑构件(窗、门、墙体等) 有着密切关系。我们在建筑结构设计时应考虑充分利用自然通风。
1.双层玻璃幕墙
在欧洲,采用玻璃幕墙的建筑很流行,为减少夏季空调的冷负荷,需要遮阳设备。研究表明,采用外遮阳设备比内遮阳设备节能效果更佳,但外遮阳设备投资大且影响美观。于是发展了双层玻璃幕墙,双层玻璃之间留有较大的空间,常被称为“会呼吸的皮肤”。有时可将房间的窗户开向墙穴。在冬季,双层玻璃间层形成阳光温室,提高建筑围护结构表面温度;在夏季,可利用烟囱效应在间层内通风。玻璃幕墙间层内气流和温度分布受双层墙及建筑的几何、热物理、光和空气动力特性等因素的影响。CFD和network 方法的模拟结果表明,该结构可大大减少建筑冷负荷,提高自然通风效率 。双层玻璃幕墙具有如下优点:避免开窗带来的对室内气候的干扰;使室内免受室外交通噪声的干扰;夜间可安全通风。然而由于大量使用玻璃,夏季会增加太阳辐射得热而使夹层内的温度很高,引起能耗增加,甚至导致办公室过热。所以为减少其带来的不利影响,内层可采用浅色玻璃,间层内设置窗檐, 但应注意窗檐、风口、窗户的合理安装 。
2.窗户
大多数情况下,自然通风系统中以窗户来充当风口,窗户的形式、面积大小及安装位置影响通风效率、室内气流组织和室内热舒适。Per Heiselberg 等人研究了不同类型窗户的通风特性,认为对于单侧自然通风、贯流通风或热压驱动的自然通风来说,在冬季最好选择底悬式窗户,在夏季最好选择侧悬式窗户。窗户的通风系数Cd 随着开口面积、窗户类型和室内外温差的变化而变化,不能认为是常数,仅当开口面积较大时,通风系数才近似等于0. 6 。
3.中庭绿色建筑、高层建筑可利用中庭的热压作用实现自然通风,德国法兰克福商业银行总部大楼便是成功的一例 。有中庭的建筑越来越多,但大多为封闭式,设计的目的主要是采光。
4.风塔
由垂直竖井和几个风口组成,在房间的排风口末端安装太阳能空气加热器以对从风塔顶部进入的空气产生抽吸作用。该系统类似于风管供风系统。
5.屋顶
屋顶的形状影响室外风压,从而影响自然通风效果。可采用翼形屋顶以便形成高压区和低压区。用CFD 方法和实验方法研究了自然通风建筑中,屋顶形状和屋顶高度对自然通风情况下的室内气流分布和室内气流流速的影响。
自然通风研究方法
1.1风洞模型实验法,风洞实验的原理是相似性原理,它应用于自然通风中主要是模拟建筑表面及建筑周围的压力场和速度场,以及确定风压系数,预测自然通风性能 。
1.2示踪气体测量法
示踪气体测量法可以预测建筑通风量和气流分布。有两种测量方法:定浓度法和衰减法。所谓定浓度法,就是在测试期间,保持所有测试房间的示踪气体浓度不变,而改变示踪气体注射量,它可用来处理驱动力发生改变的通风问题,如渗透问题和自然通风。而衰减法指向测试房间注入一定量的示踪气体,随着示踪气体在测试房间的扩散,示踪气体的浓度呈衰减趋势。在自然通风中可用该方法来预测自然通风量。
1.3热浮力实验模型技术
用热浮力实验模型技术模拟热压驱动的自然通风的物理过程比较直观。目前主要有4 种技术:带有加热装置的气体模拟法(the gas modeling system ,以空气或其他气体作为流动介质,热浮力由固定的加热装置产生) ;带有加热装置的水模型系统( the water modeling system ,以水作为介质,有固定的加热装置) ; 盐水模拟法( the brine2water modeling ,利用盐水的浓度差产生类似于热羽的流动,已被广泛接受,但需大蓄水池和不断补充盐水) ; 气泡技术(a fine bubble technique ,由电路的阴极产生气泡以模拟热羽运动,可以模拟点源、线源及垂直热源的情况) 。其缺点为:不能模拟建筑热特性对自然通风的影响。对风压与热压共同驱动的自然通风的实验模拟较复杂,可以通过改进这4 种模拟法或综合这4 种模拟法使之能模拟二力共同驱动的自然通风。图9b是将盐水模拟技术加以改进而得出的一种模拟风压辅助热压式自然通风。装有盐水的水箱悬挂在装有纯净水的大水箱中,盐水箱上部接一直径很小的管道与一补水箱相连,其两侧开有许多孔口且可通过调节其上的插栓来调节每个孔口面积。用小水箱与大水箱间的盐水浓度差以模拟热压,通过泵来调节盐水箱的水流出速度及盐水箱两侧的压差(可由压差计测量) 以模拟风力 。
2.数值模拟法
CFD 方法应用相当广泛,该方法就是将房间划分为小的控制体,把控制空气流动的连续的微分方程组通过有限差分或有限元方法离散为非连续的代数方程组,并结合实际的边界条件在计算机上求解离散所得的代数方程组,只要划分的控制体足够小,就可认为离散区域的离散值代表整个房间内空气分布情况。由于分割的控制体可以很小,所以它可详细描述流场,但由于求解的问题往往是非线性的,需进行多次迭代,故较耗时。它可与建筑能源模拟软件如EnergyPlus 进行耦合。
2.2多区模型方法(multi2zone model 或single2flow element model)
假设每个房间的特征参数分布均匀,则可将建筑的一个房间看作一个节点,通过窗户、门、缝隙等与其他房间连接。其优点是简单,可以预测通过整个建筑的风量,但不能提供房间的温度与气流分布信息。该方法是利用伯努利方程求解开口两侧的压差,根据压差与流量的关系就可求出流量。它只适用于预测每个房间参数分布较均匀的多区建筑的通风量,不适合预测建筑内的气流分布。
2.3区域模型方法(zonal model 或multi2flow elements model)
许多文献中介绍的区域模型方法与多区模型方法相同。实际上,多区模型方法过分简化了系统,产生很大误差,尤其在处理热压驱动的自然通风等室内温度产生明显分层的情况时误差很大方法的基本思想是:将房间划分为一些有限的宏观区域,认为每个区域的相关参数如温度、浓度等相等,而区域间存在热质交换;建立质量和能量守恒方程,并充分考虑区域间压差和流动的关系来研究房间内的温度分布及流动情况。可见该方法比多区模型方法复杂和精确,但比CFD 简单。它可嵌套在多区建筑能源和气流分析软件,如SPARK,COMIS 和CONTAM 中预测气流及温度分布。
设计与研究工具
在自然通风的研究与设计过程中,需借助于现有的分析流体流动和能量的一些软件,并应开发出适用于自然通风的软件。目前可应用于分析自然通风系统的通风特性和热特性的常见软件分别有:CONTAMW ,COMIS ,Lesocool ,NatVent , Fluent , Flovent , MIX , CHEMIX , BREEZE 与NewQUICK, TRNSYS ,BLAST , EnergyPlus , DOE22 , ESP2r等 。
由于每个软件其本身的局限性及自然通风与热传递的相互影响,为了全面地预测建筑热特性和自然通风之间的关系,有必要将通风模拟软件与热模拟软件进行耦合
常见的耦合方法有四种 。
1.顺序耦合(sequential coupling)
给定一室内温度由流动模型方程计算通风量,然后将计算出的流量代入热模型方程中计算温度。计算出的温度并不代入流动模型方程中,而是就此终止计算。该方法会产生很大误差。
2.ping2pong 耦合,在第一个时间步长内,给定一初始室内温度,由流动模型方程计算出通风量,然后将计算结果代入热模型方程中,计算出的温度再代入流动模型方程中,计算出第二个时间步长的通风量,依次类推。该方法计算速度快,但产生的误差较大。
3.onions 耦合
与ping2pong 方法不同,它是在每个时间步长内对两个模型方程进行多次迭代直到得出的结果收敛为止,然后才转入下一个时间步长再进行迭代。该方法计算速度慢,但产生的误差较小。
4.直接耦合TopEnergy将流动模型方程和热模型方程合并成热传递过程控制方程组后同时解出两个方程。该方法比前3 种方法更精确,但需更多的时间。
节能建自然通风整体设计
自然通风与机械通风不同,它受气候、建筑周围的微环境、建筑结构及建筑内部热源分布情况的强烈影响,所以它的设计是与气候、环境、建筑融为一体的整体设计。其整体设计步骤如下。
1.确定气候的自然通风潜力
自然通风潜力(NVP) ,指仅依靠自然通风就可确保可接受的室内空气品质和室内热舒适性的潜力。根据建筑所在地区的宏观气候条件,如宏观风速分布和风向(风玫瑰图) 、宏观气温分布、太阳辐射照度、室外空气湿度等来确定该地区气候的自然通风潜力。在确定自然通风方案之前,有必要收集建筑所在地区的气象参数逐时变化情况资料并进行分析。
2.确定建筑微环境的自然通风潜力TopEnergy
根据建筑微环境如建筑周围风速分布及气温分布、城市地形与布局(建筑平均高度、建筑分布情况、街道的布局、植被分布等) 、建筑内部布置、建筑高度、室外噪声水平、室外污染等来确定建筑微环境的自然通风潜力。建筑微环境对自然通风的影响很复杂,目前这方面的研究较少。
3.预测自然通风驱动力,确定自然通风方案
根据建筑周围微环境和建筑内部情况(如热源分布、房间大小、房间的布置、内隔断、房间的位置等) 预测自然通风驱动力,确定自然通风方案和设计气流路径。一般情况下,自然通风驱动力是很小的,自然通风系统中风口两侧的压差一般小于10 Pa ,而机械通风系统风口两侧压差为100Pa 。当预测的自然通风驱动力很小时,就需考虑是否可以通过改变建筑设计方案,如用双层玻璃墙,或设计为中庭式建筑,或改变窗户形式、位置及大小等,或采用风机辅助式自然通风。文献[41 ]从房间的进深( d) 与高度( h) 的关系考虑,认为当d = 2 h 时,采用单风口单侧通风较好;当d = 2. 5 h 时,采用两风口单侧通风较好;当d = 5 h 时,采用贯流通风较好。
4.根据设计要求和设计参数选择通风设备和确定通风设备的安装位置与大小 g H!Y(m i M
自然通风的设计要求和设计参数与机械通风有很大的差别,因为在自然通风环境中,人们能够忍受较大的温度波动范围,而这个温度范围已超出了ASHRAE 55 1992 标准的规定值,所以应制定适合于自然通风的设计标准。目前还没有较完整的自然通风设计指南或手册,而且目前的研究成果还远远不能满足自然通风设计的要求。自然通风设备主要指户、风口、排风竖井、天窗、门及风机等。窗户、风口的形式和安装位置是影响自然通风效率的关键因素。目前已研究出了适合于自然通风的自控型通风口。
5.控制系统的设计
因为影响自然通风的各种因素是动态变化的,所以自然通风是一个动态变化过程,如何在自然通风的动态变化过程中保证室内的热舒适性呢? 控制系统应起关键作用。自然通风控制系统一般包括手动控制和自动控制。手动控制以保证不同人的实际需要,增强了人控制环境的自主能动性。自然通风的控制主要是对风口的控制。但如果是风机辅助式自然通风(混合通风) ,则还须控制风机的启停,控制问题变得复杂。
6.评估设计方案并作修改
评价一个设计方案的优劣,首先应确立一个评价标准。自然通风系统评估标准应与机械通风系统评估标准有所不同。在评价一个机械通风方案时,通常确定一些指标,如通风效率、空气龄,那么在评价一个自然通风方案时,应确立什么样的评价指标呢? 这有待于进一步的探讨。总之,自然通风系统的设计应从动态和整体的观念出发,与建筑结构设计密切配合,需建筑师、土木工程师、建筑设备工程师及电力控制师甚至房主的参与,未来建筑物的整体设计将越来越重要。另外,自然通风系统的两个重要设计参数,即通风量与室内温度相互影响,故其设计还需借助于一些设计和分析工具。
高层建筑中的自然通风问题
与多层建筑的自然通风相比,高层建筑的自然通风有其特殊性。风压在垂直方向的分布有利于高层建筑的自然通风,但过高的风压却会使建筑的门窗难于开启,也给建筑室内的使用带来不便,而且在冬季会带走大量的热能,不利于保温要求。而太高的中庭空间则会形成过大的热压,如不能有效控制,则会产生强烈的紊流,甚至在底层进气口产生令人不安的啸叫。根据凡丘里现象:当流动的空气暂时遇到压缩时,例如空气进入一个漏斗型的通风憨缉封垦莩旧凤驯脯沫井口时,受压缩的气流速度加快,气压降低。当建筑中设有导风墙时,导风墙可以在平面上被看作是一个漏斗,门窗则被视为进风口。
杨经文设计的马来西亚槟榔屿州Menara Umno 是第一个利用自然通风来创造舒适室内环境的高层建筑。由于气候湿热,为了获得舒适的内部环境,需要一个较高的空气交换率。因此,为了引入自然风,在开口处采用了“风墙”体系。将“风墙”安排在有通高推拉门的阳台部位,两道风墙形成了喇叭状的口袋,将风捕捉到阳台。阳台内的推拉门可以根据所需风量控制开口的大小,也可完全关闭,形成“空气锁”。这一构思来自建筑师对当地风向资料的分析,实践证明这种“风墙”与“空气锁”的设置效果很好。
在法兰克福商业银行的设计过程中,针对塔楼60 层高度中庭空间的自然通风状况,福斯特及其合作者进项了无数次计算机模拟和风洞试验。结果显示,如果整个中庭从上到下不加分隔,在很多情况下中庭内部将产生令人无法忍受的紊流。因此福斯特只得将每12 层作为一个单元,在每个单元内部利用热压来进行自然通风,各个单元之间通过透明玻璃相分隔。这样,整个中庭便成为一个个自然通风单元,而不再是一个通高的“大烟囱”。
为了减少过高的风压和热压对高层建筑自然通风的不利影响,1990 年英恩霍文在波恩电话大楼的设计中发展了双层玻璃幕墙,这一革命性的设想,在埃森RWE 办公大楼得以实现。幕墙内外层玻璃间隔50 mm ,即形成可蓄热的空腔,提供了节能的可能性,又可以通过内层可开启的玻璃窗实现室内各层间的自然通风。由于外层的玻璃阻挡了高空的风力,人们第一次可以在高层建筑中打开窗户,让室外的新鲜空气流入室内。这一新异的构想使大楼基本上放弃了昂贵的机械空调,使自然通风率达到70 % ,节能30 % 。
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