自然通風技術在綠色建筑中的應用

梁 云

上海市建筑科學研究院有限公司

0 引言

綠色建筑以充分地利用自然資源、減少資源能源消耗，改善建筑環境為特征，采用綠色技術與環境友好的技術設備。自然通風作為健康、舒適、節能的室內環境調節方式，是綠色建筑不可或缺的一項技術[1]。我國綠色建筑評價體系對于自然通風措施也有明確的要求。

自然通風是一種具有較大節能潛力的通風方式，它具有節能、改善室內熱舒適性和提高室內空氣品質的優點[2]，但也受室外氣候、建筑周圍環境及建筑內部布局等因素的影響。故其在綠色建筑中的設計和控制很復雜，值得廣大綠色建筑工作者討論和研究。

本文梳理了自然通風的原理和研究發展現狀，詳細介紹和分析了我國綠色建筑評價體系對自然通風的要求，并利用具體案例說明自然通風技術在綠色建筑中的應用及其效益。

1 自然通風技術概述

建筑物的自然通風是由于開口處（門、窗、過道）存在著空氣壓力差而產生的空氣流動[3]。利用室內外氣流的交換，可以降低室溫和排除濕氣，保證房間的正常氣候條件和新鮮潔凈的空氣。同時，房間內有一定的空氣流動，可以加強人體的對流和蒸發散熱，提高人體熱舒適感覺，改善人們的工作和生活條件。產生壓力差的原因有熱壓作用和風壓作用。

1.1 熱壓作用下的自然通風

熱壓取決于室內外空氣溫差所導致的空氣密度差和進出氣口的高度差。當室內氣溫高于室外氣溫時，室外空氣因密度較大而通過建筑物下部的開口流入室內，并將密度較小的室內空氣從上部的開口排出。這樣，室內就形成連續不斷的換氣。

熱壓的計算公式為：

式中：ΔP——熱壓，Pa；

h——進、排風口中心線間的垂直距離，m；

ρe——室外空氣密度，kg/m3；

ρi——室外空氣密度，kg/m3。

1.2 風壓作用下的自然通風

風壓作用是風作用在建筑物上產生的風壓差。當風吹到建筑物上時，在迎風面上流動受阻，速度減小，使風的部分動壓變為靜壓，亦即使建筑物迎風面上的壓力大于大氣壓，在迎風面上形成正壓區。在建筑物的背風面、屋頂和兩側，由于氣流曲繞過程中，形成空氣稀薄現象，因此該處壓力將小于大氣壓，形成負壓區。如果建筑物上設有開口，氣流就從正壓區流向室內，再從室內向外流至負壓區，形成室內的空氣交換。

風壓的計算公式為：

式中：P——風壓，Pa；

v——室外風速，m/s；

ρe——室外空氣密度，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2；

K——空氣流動系數。

而迎、背風面壓差的計算公式為：

式中：ΔP——迎背風面風壓差，Pa；

Py、Pb——迎、背風面風壓，Pa；

Ky、Kb——迎、背風面空氣流動系數。

上述兩種自然通風的動力因素，在一般情況下是同時并存的。

1.3 風壓與熱壓綜合作用下的自然通風

通常情況下，建筑中的自然通風是風壓與熱壓共同作用的結果，只是各自作用的強度不同，對建筑整體自然通風的貢獻不同。由于風壓作用受到風速風向、建筑形體、周圍環境等因素的影響，具有不穩定性，所以在與熱壓同時作用時可能還會出現減弱通風效果的情況。因此，在進行建筑設計時，要利用場地自然條件對建筑總平面布局進行優化設計，以利于夏季和過渡季節的自然通風。

2 自然通風與綠色建筑

2.1 自然通風的研究現狀

自然通風受地域氣候特征[4]、室內外環境、建筑布局[5]等因素的影響，其氣流運動過程十分復雜。目前的研究主要是基于一些簡化的模型而得出的理論和實驗結果。

自然通風的研究方法主要有理論分析、實驗研究、計算流體力學法（CFD）等[6]。其中，實驗研究又包括風洞模型、熱浮力模型和示蹤氣體法等實驗研究方法。在自然通風的研究與設計過程中，借助于CFD軟件分析流體流動和能量傳遞，可以預測建筑內各個區域的空氣流動狀況及溫度分布,分析房間不同位置的熱舒適狀況[7]。CFD方法應用相當廣泛，該方法已廣泛應用于自然通風研究及工程實踐中[8]。我國的綠色建筑評價體系中，也將CFD模擬結果作為評價綠色建筑中自然通風效果的評價依據之一。

目前，自然通風的研究應用主要集中在自然通風的兩個相關點上：一是利用自然通風控制室內空氣品質；二是利用自然通風解決夏季或過渡季的熱舒適性問題。具體研究內容主要包括以下8個方面[9]。

1）研究建筑場地布局、建筑朝向、建筑形體、門窗大小及位置、室內氣流等方面對自然通風利用的影響。

2）結合不同地區的氣候特點,在建筑形體的選擇、外圍護結構的材料、建筑構造等諸方面進行探索,并將這些節能技術應用到建筑設計及建設中。

3）研究建筑結構空間及圍護結構的變化,如采用中庭、太陽能煙囪、遮陽板等,對有效利用自然通風的影響。

4）深入完善自然通風的理論機理分析與實驗驗證,以期充分利用自然通風的作用,在過渡季或夏季盡量利用室外自然風帶走室內余熱,在滿足舒適度要求的情況下減少空調系統開啟。

5）開發新型設備,從而優化建筑物內部的空氣流動情況,使室內熱環境達到可以接受的程度。

6）利用自控和仿真技術,有效地控制和調節自然通風的效果,達到自然通風系統控制的智能化。

7）夜間通風對房間熱環境改善的研究。

8）建筑圍護結構如墻體、窗戶、頂棚等新型節能材料的研究。

雖然現有的自然通風研究已經取得了可供工程應用的研究成果，但是依然存在諸多問題。例如，對各種方式的自然通風的理論分析和模擬研究的深度、廣度不夠，缺乏對各種自然通風方式以及綜合應用的理論研究和模擬。大多數自然通風的研究成果是經驗性的，多是定性的或者是半定量的，目前尚未形成系統的、定量化的理論與應用研究成果。

2.2 綠色建筑對自然通風的要求

2.2.1 綠色建筑的概念與評價標準

在全壽命期內，節約資源、保護環境、減少污染，為人們提供健康、適用、高效的使用空間，最大限度地實現人與自然和諧共生的高質量建筑[10]。

我國在2006年發布實施了《綠色建筑評價標準》GB/T 50378，并于2014年進行了修訂。2019年，標準又進行了第二次修訂，修訂后的標準重構了綠色建筑評價標準體系。綠色建筑評價指標體系由安全耐久、健康舒適、生活便利、資源節約和環境宜居五類指標組成[11]。

2.2.2 自然通風對于綠色建筑的意義

自然通風對于綠色建筑的意義主要體現在以下兩個方面。

1）通風降溫（除濕）

自然通風可在不消耗不可再生能源的情況下降低室內溫度，改善室內熱濕環境，有助于縮短空調設備的運行時間，降低空調能耗。

2）通風換氣

自然通風可為室內提供新鮮、清潔的自然空氣，帶走潮濕污濁的空氣，改善室內空氣質量狀態（如增加新風，排出各種有害氣體等），有利于人體的生理和心理健康。

前者體現了綠色建筑中對于節能與能源高效利用的理念，后者體現了綠色建筑對于改善室內環境質量的理念。

2.2.3 綠色建筑評價標準對自然通風的要求

我國《綠色建筑評價標準》（以下簡稱“標準”）對綠色建筑中自然通風相關的建筑總平面設計、室外風環境、建筑設計、構造設計和建筑開口面積等都有要求，具體相關條文如表1所示。

表1 綠色建筑評價標準中與自然通風相關條文

2.2.4 綠色建筑評價標準對自然通風要求的分析

建筑采用自然通風或復合通風技術的首要條件是滿足舒適性要求。標準第5.2.9條采用自然通風或復合通風技術的建筑主要功能房間室內熱環境參數在適應性熱舒適區域的時間比例提出要求。

良好的自然通風設計可以有效改善室內熱濕環境和空氣品質，提高人體舒適性。已有研究表明，在自然通風條件下，人們感覺熱舒適和可接受的環境溫度要遠比空調采暖室內環境設計標準限定的熱舒適溫度范圍來得寬泛。因此，當室外溫濕度適宜時，良好的通風效果還能夠減少空調的使用。標準第5.2.10條規定了住宅居住空間通風開口面積與地板最小面積比。一般情況下，當通風開口面積與地板面積之比不小于5%時，房間可以獲得比較好的自然通風。由于氣候和生活習慣的不同，南方更注重房間的自然通風，因此該條文規定在夏熱冬暖和夏熱冬冷地區，通風開口面積與地板面積之比不小于8%。自然通風的效果不僅與開口面積與地板面積之比有關，事實上還與通風開口之間的相對位置密切相關。在設計過程中，應考慮通風開口的位置，盡量使之能有利于形成“穿堂風”。

標準第5.2.10條也規定了公共建筑要做好自然通風氣流組織設計。對于部分大建筑體量的建筑，例如大進深、由于安全等原因無法保證開窗通風滿足自然通風要求的建筑，應采用通風器、通風吊頂、雙層皮幕墻等方式進行通風優化設計或創新設計，保證建筑在過渡季典型工況下平均自然通風換氣次數大于2次/h。研究表明，自然通風在2次換氣次數以上時，室內熱環境可達到適應性熱舒適狀態。

建筑總平面設計的原則之一是過渡季節和夏季能利用自然通風，建筑體形、朝向、樓距和窗墻面積比的設計亦是如此。因此標準第7.1.1條規定建筑設計應結合場地自然條件和建筑功能需求，對建筑的體形、平面布局、空間尺度、圍護結構等進行節能設計，考慮并權衡各方面因素及其之間的相互關系，通過多方面分析、優化建筑的規劃設計，盡可能提高建筑物在夏天的自然通風。在建筑設計和構造設計中應采取誘導氣流、促進自然通風的主動措施，如導風墻、拔風井等，以促進室內自然通風的效率。

無論在北方地區還是在南方地區，在春、秋季和冬、夏季的某些時段普遍有開窗加強房間通風的習慣，而外窗的可開啟面積過小會嚴重影響建筑室內的自然通風效果。

室外風的環境不僅是決定室外舒適度的重要因素，而且會對室內的自然通風造成影響。如果建筑單體設計和群體布局不當，則會導致行人舉步維艱或強風刮卷物體撞碎玻璃等危害，而且通風不暢還會嚴重地阻礙空氣的流動，在某些區域形成無風區或渦旋區，這對于室外散熱和污染物消散是非常不利的，應盡量避免。夏季、過渡季自然通風對于建筑節能十分重要，室外惡劣的風環境會對自然通風造成不利影響。因此，綠色建筑評價標準中條文8.2.8對建筑的室外風環境作出要求。

3 自然通風在綠色建筑中的應用

3.1 綠色建筑中自然通風的設計

在綠色建筑中,自然通風的利用是降低空調能耗、改善室內空氣品質的重要技術措施。合理的自然通風組織可有效調節建筑室內的氣流組織、溫度分布，對改變室內熱環境的滿意度起到明顯的效果。然而，由于自然通風的實現是一種依賴于建筑設計的被動式方法，因此其應用效果很大程度上依賴于建筑的朝向、平面布局等設計效果。

良好的建筑設計有助于增強室內自然通風的效果，同時，建筑設計上的差異，也會給建筑通風效果產生較大的影響。利用模擬的方法，可為建筑設計人員在進行建筑自然通風策略應用時提供客觀作用效果的指導。因此，自然通風模擬是綠色建筑設計中一種有效的輔助手段。

建筑物通風構造的細部對自然通風效果有很大影響，例如開口的位置不同會影響室內風的流場的分布，同時窗的檐口出挑的大小，窗扇的開啟方式與開啟角度，以及綠色建筑中建筑外遮陽的形式對自然通風也有較大的影響。因此，應綜合考慮各項綠色建筑技術的綜合作用效果，不能顧此失彼。

對于綠色建筑來說，應該從規劃、建筑單體設計到構造設計的整個過程中，仔細考慮自然通風，確保良好的室內空氣品質和舒適的熱環境，節約不可再生資源。

3.2 自然通風在綠色建筑中的應用效果

清華大學林波榮等根據后評估（POE）的方法，對我國不同氣候區的11棟綠色建筑及示范建筑的實際能耗情況及節能技術進行了調研和分析研究[12]，對系統的設計參數、運行效果、實際能耗、室內環境質量和使用滿意度進行了分析，總結了設計、運行中的常見問題和優化策略。研究發現，自然通風等低成本被動式技術實際運行效果良好，節能效果顯著，使用滿意度高，值得重視和推廣。

3.3 自然通風在綠色建筑應用案例

上海市生態示范樓是我國首批獲得綠色三星級標識的建筑，該建筑位于上海閔行莘莊工業區科技發展園區內，建筑面積1 991 m2，采用十大生態技術，包括太陽能光電利用、太陽能光熱利用、自然通風、自然采光、高性能保溫隔熱圍護結構體系、溶液除濕空調、綠色建材、智能化控制等[13]。

根據上海氣候特點，該示范樓設計應用自然通風技術，在過渡季和夏季夜間，充分利用室外氣流帶走室內產出的余熱。其設計思路是：

1）運用CFD模擬分析技術，確定并優化室內氣流組織；

2）在建筑北部頂端設計面積達15 m2的排風道，以利用煙囪效應；

3）在排風道內布置7組太陽能熱水加熱器，利用太陽能強化通風效果；

4）盡量使建筑沿夏季主導風向設計，在建筑外立面正壓區和負壓區的適當部位開窗，以增強室內穿堂風的冷卻效果。

統計表明，該生態樓的成本造價約5 000元/m2，比常規辦公樓高出近30%。增加的投資中，自然通風的投資增量成本最少，單位投資增加的節能效果最明顯。

4 結論

在我國的氣候條件下,自然通風可以有效地為建筑使用者提供健康和舒適的環境，是可持續發展的一種綠色建筑技術。

目前，人們對綠色建筑的研究處于快速發展的新階段，基于綠色低碳發展理念的自然通風技術也有待進一步研究和挖掘應用潛力。

隨著綠色低碳發展戰略的深入推進，以及人們對室內空氣品質要求的提高，自然通風技術必將在我國的綠色建筑建設中得到更廣泛的應用。