節能建筑混合式通風設計

□王 晶

一、節能建筑自然通風設計

自然通風主要利用風和熱壓來實現建筑的內外空氣交換。交換而來的新鮮空氣可以緩和室內異味，排除易揮發的有機化合物和其他空氣污染物，降低空氣中的二氧化碳含量，提高氧氣含量;同時也可以帶走室內熱量，獲得適宜室內溫度。本節介紹自然通風設計的理論基礎，簡要闡述氣流通過的開口尺寸、方位、垂直間隔等因素對氣流流量的影響。

(一)氣流穿過大尺寸開口時的氣流流量。氣流穿過開口的流量除了風和浮力的驅動外，主要依賴于開口面積、開口幾何形狀以及開口兩側的壓力差:

其中，Q為氣流流量(m3/s)，CD為開口的流量系數，依賴于開口的形狀及氣流特性，A為開口的橫截面積(m2)，Δp為壓力差(Pa)，對建筑而言壓力差值室內外的壓力差，ρ為空氣密度(Kg/m3)，一般為常數。

(二)風驅動自然通風。風會對建筑立面產生壓力，一般規定建筑迎風立面承受正向壓力，其它立面承受負向壓力，如圖1所示。

圖1 風在建筑各立面產生的壓力

風驅動氣流穿過建筑通風口的氣流流量為:

其中Cv為開口效力，值介于0到1之間，A為開口的橫截面積(m2)，U為風速差(m/s)。可見，此時氣流量依賴于開口效力、開口截面積和風速。

建筑通風口位置和尺寸對風驅式自然通風也有較大影響。圖2給出了氣流通過不同尺寸迎風口和出風口時的兩種情況。左側圖迎風口尺寸小于出風口，入風口及室內平均氣流速度相對較高，迎風角落存在滯留空氣。右側圖迎風口尺寸大于出風口，室內氣流速度相對平緩，環境更為宜人。

圖2 不同尺寸通風口設計對室內氣流速度影響

圖3給出了不同導流板設計對建筑室內氣流的影響，可見即使是同一外墻在特定設計情況下，也可同時承受正壓和負壓。

圖3 不同導流板設計對自然通風的影響

(三)熱壓驅動自然通風。熱壓驅動時氣流流量依賴于風道開口效力、風道截面積、風道距中壓基準面的高度及室內外溫度差:

其中，中CD為風道口的流量系數，A為風道口的橫截面積(m2)，ΔHNPL為風道距中壓基準面的高度(m)，Ti為室內溫度(℃)，To為室外溫度(℃)。上式假定沒有風壓、室內無影響氣流的障礙物、進風口和出風口尺寸相當。

中壓基準面定義為內部壓力和外部壓力相等的高度，而對于僅有一個通風口的空間，中壓基準面一般假定為通風口中間的高度，在通風口處既有進風也有出風。低溫氣流在底部通過，高溫氣流在頂部與低溫氣流反向流動。在沒有風驅動或者結構設計復雜無法實現風驅動時，熱壓驅動自然通風是最為便捷的設計方案。

(四)風、熱壓、太陽能聯合驅動自然通風。圖4為一典型聯合驅動自然通風設計，樓梯塔既用于人員上下通行也當做風道，并設置可調節的導流頂。天氣晴朗時，氣流從通風窗進入建筑，穿過建筑內部空間進入風道，日照提供熱壓使風道內的氣流經導流頂排出，帶走建筑內部熱量。由于風道的熱壓效應對第三層的氣流流通效果不明顯，所以在第三層設有較高的頂棚，以提高室內熱壓。多風天氣時，導流頂和第三層頂棚聯合作用產生負壓，實現風驅動的自然通風。

圖4 聯合驅動自然通風

由于風的速度及方向是多變的，所以通風口應設計為可調節的，以滿足不同的氣流流量和風速要求。通風性能良好的建筑一般都設計有可調節的立面結構，使建筑能源消耗與室內舒適環境達到最優化。

二、節能建筑混合式通風設計

僅僅依靠風驅動和熱壓驅動實現自然通風，很難達到完美的室內環境調節效果。節能建筑通常利用自然通風和暖通空調系統混合實現建筑室內通風。當室外天氣條件優良時，自然通風系統啟動，暖通空調系統關閉，以節約能源。當天氣條件不理想時，自然通風系統調節能力不足時，啟動暖通空調系統，共同調節室內通風。

圖5 混合式通風系統

圖6 輻射式天花板系統

圖5為一種常見的頂置暖通空調系統與自然通風的混合模式通風設計，通風系統可滿足一般的通風、取暖或者降溫的需求。圖6的設計用輻射式天花板取代頂置暖通空調系統，可實現取暖降溫需要，通風要借助自然通風或者機電設備。