自然通風系統在公共建筑節能設計中的應用

摘 要：自然通風系統在公共建筑節能設計中扮演著重要角色，利用風壓和熱對流原理以及溫度差異驅動空氣流通，可以有效降低能源消耗，提高室內空氣質量與環境舒適度，但是需合理規劃窗口位置和大小、屋頂通風構造、通風塔和中庭布局以及遮陽和隔熱功能設計。在公共建筑中的應用需考慮建筑朝向、密度、間距和高度等因素。

關鍵詞：自然通風系統；公共建筑；節能設計

1 前言

公共建筑作為城市中重要的能源消耗場所，其節能設計有利于實現可持續發展目標。在建筑節能設計中，自然通風系統作為一種被動式節能技術，具有降低能耗、改善室內空氣質量、提高舒適度等優點，因此得到了廣泛的應用。自然通風系統是利用建筑內外的溫差和氣壓差，利用合理的建筑布局、窗戶設計和通風口設置等手段，實現室內外空氣的自然流通。與傳統的機械通風系統相比，自然通風系統不需要消耗額外的能源，因此具有顯著的節能效果。

2自然通風系統在建筑節能設計中的重要性

2.1降低能源消耗

自然通風系統利用風壓和熱壓實現空氣流通，無需機械動力，從而大幅減少對空調系統的依賴，直接降低了建筑物的能源消耗。一方面，在適宜的氣候條件下，在窗戶、通風道等自然進風口引入外部冷空氣或釋放室內熱空氣，有效調節室內溫度，減少了制冷或供暖的需求[1]。另一方面，自然通風帶走室內的余濕、污染物質和異味，可以改善室內空氣品質，減輕空氣凈化器或除濕器等設備的運行負擔，進一步節約能源。

2.2提高室內空氣質量

自然通風有助于稀釋和替換室內的空氣，降低有害物質，如揮發性有機化合物（VOCs）、甲醛等的濃度，從而提升空氣質量。一方面，自然通風持續的氣流交換會減少室內污染物的積聚，保障居住者呼吸到新鮮且清潔的空氣。另一方面，良好的空氣流通還能防止潮濕和霉菌的滋生，保持室內環境干爽，有利于維護人們的健康。

2.3提高環境舒適度

自然通風除了能夠調節室內溫度，還有助于創造一個舒適的居住和工作環境。一方面，在溫和氣候下，適度的自然通風能提供適宜的室內溫度，減少人們對機械制冷或供暖的依賴，使人感覺更舒適。另一方面，新鮮空氣的流入和污濁空氣的排出，增強室內環境的透氣感，降低沉悶與壓抑感，從而提升人們的舒適體驗和滿意度。

3自然通風設計原理

3.1熱對流原理

熱對流原理即利用空氣的密度和溫度差異來實現室內空氣流通的過程。根據熱對流原理，熱空氣具有較低的密度，會上升，而冷空氣則具有較高的密度，會下沉，密度差異產生的氣流在建筑內部產生自然的對流運動，促使新鮮空氣進入室內，同時將污濁空氣排出。在自然通風系統設計中，合理的通風口設計，使得熱空氣能夠順暢地上升并排出，促進了空氣的流動。通風口安置在高處以利用室內的熱空氣自然上升流動，利用建筑的朝向和布局選擇合適的通風口位置，以最大程度地利用熱對流原理[2]。其次，利用熱對流原理，設計合適的氣流路徑，使得新鮮空氣能夠有效地進入室內。例如，在建筑的下部設置進風口，引導冷空氣從底部進入建筑，與熱空氣形成對流，達到空氣流通的效果。

3.2風壓驅動原理

風壓驅動原理是利用風力產生的正壓和負壓差異來驅動空氣的流動。根據風壓驅動原理，當風吹向建筑物時，風力會產生正壓差，將新鮮空氣推入建筑內部；相反，當風從建筑物的其他一側吹過時，會產生負壓差，將污濁空氣排出。在自然通風系統的設計中，風壓驅動原理常用于利用風力進行通風和空氣流動。首先，設計合理的通風口和建筑物的朝向，利用風力對流動的空氣產生正壓差[3]，例如在建筑物的正面設置進風口，根據風向調整通風口的大小和位置，使得風力能夠推動新鮮空氣進入建筑物內部。其次，利用風壓差原理設置適當的出風口，促使污濁空氣從建筑物的其他一側排出，出風口通常設置在建筑的高處以實現更高的負壓差，使污濁空氣順利排出。

3.3溫度差異利用原理

溫度差異利用原理是利用室內外溫度差異來促進空氣流動和通風。根據這一原理，當室內溫度較高時，熱空氣會上升，產生對流運動；而室外溫度較低時，冷空氣則會沉積在底部。室內外溫度差異的合理利用能實現自然通風系統的通風效果。在自然通風系統設計中，溫度差異利用原理常被應用于通風口的設置和氣流路徑的規劃。首先，根據建筑的朝向和氣候條件確定通風口的位置，使熱空氣能夠順利上升并排出。其次，設計合理的氣流路徑引導冷空氣從建筑底部進入，與熱空氣形成對流，實現空氣的自然循環，提高室內空氣質量，降低室內溫度，提升舒適度。

4自然通風設計方法

4.1窗口位置和大小設計

窗口位置和大小的合理設計，能有效地引入新鮮空氣并排除污濁空氣，實現節能的通風效果。第一，空氣流動路徑和方向方面。在確定窗口位置時，要考慮建筑的布局和周圍環境的氣流情況，分析建筑朝向、自然風向和風速等因素，選擇合適的窗口位置，以便有效地引入自然風，促進空氣流動和通風。例如，在建筑的正面或側面設置窗口，使得自然風能夠順利進入室內，并形成對流運動。第二，窗口大小和開啟方式方面。窗口的大小和開啟方式直接影響自然通風系統的通風效果，一般來說，窗口的面積應根據建筑的體積和使用要求合理確定。過大的窗口會導致室內溫度過低或產生過多的風力，而過小的窗口則會限制通風效果。選擇合適的開啟方式也很重要，如推拉窗、飄窗或轉窗等，根據使用者的需求和安全要求來設計，以滿足舒適度和通風效果的要求。

4.2屋頂通風設計

合理設計屋頂通風系統能有效改善室內空氣質量，降低室內溫度和濕度，實現節能的通風效果。一方面，屋頂通風口的設計能確保室內外空氣流通，采用屋頂通風口、屋頂插板式通風設備或屋頂風扇等設備。在設計通風口位置時，需要考慮建筑的朝向、周圍環境的氣流情況以及屋頂的結構特點，且通風口的數量和尺寸應根據建筑的體積和使用要求來確定。另一方面，屋頂風道是將新鮮空氣從通風口引導至室內的重要通道，設計時需要考慮風道的路徑、材料和尺寸。風道應設置在屋頂的高處，盡可能保持直線或呈斜度，以提高空氣流動的效果。根據需要考慮保溫、防水和防腐等要求選擇合適材料，風道的尺寸應根據通風量和建筑需求進行合理設計，以確保足夠的空氣流通和通風效果。

4.3通風塔和中庭設計

通風塔和中庭設計引入自然風力和利用建筑布局來促進空氣流動，實現節能的通風效果。第一，通風塔是一種立體空間結構，用于引導和加強氣流的流動。設計通風塔時需要考慮以下因素：首先，通風塔的高度和寬度應根據建筑的體積和使用要求來確定，以保證足夠的氣流量。其次，通風塔的形狀和開口的位置及尺寸需要根據周圍環境的氣流情況來確定，通風塔的形狀采用錐形、圓頂或其他適合的設計，以便引導和加速氣流的流動，通風塔需與窗戶或通風口相結合，形成氣流路徑，進一步提高通風效果。第二，中庭是位于建筑內部的中央空間，以開放的設計與室外環境聯系起來，中庭設計能促進空氣對流和自然通風，并為建筑提供良好的室內環境。在中庭設計中，需要考慮以下方面：首先，中庭的高度和尺寸應根據建筑的體積和使用要求來確定，以便提供足夠的空間來引導和促進氣流的流動。其次，中庭應具有良好的通風路徑，例如逐層設置開口或通風孔來實現空氣的自然流動。中庭設計還可考慮添加植被或水景等元素，以進一步改善空氣質量和提高舒適的室內環境。

4.4遮陽和隔熱功能設計

遮陽和隔熱功能設計能減少室內熱量的吸收和減輕室內的熱輻射，提高舒適度，降低能耗。一方面，進行遮陽設計。遮陽設計旨在阻擋太陽輻射和熱量進入建筑內部。遮陽設備可以采用各種形式，如遮陽板、百葉窗、帷幕、樹木等。在設計遮陽結構時，需要考慮以下因素：首先，需要根據建筑朝向和周圍環境的太陽路徑來確定遮陽設備的位置。其次，遮陽設備的尺寸和材料選擇應根據太陽輻射強度、建筑高度和使用要求來確定，材料的選擇還需考慮到其隔熱性能和耐久性。另一方面，進行隔熱設計。隔熱設計旨在減少建筑物與外界環境之間的熱量傳遞。隔熱設計主要以建筑外立面的隔熱材料和絕緣層來實現，隔熱材料的選擇應具備較高的隔熱性能和耐久性，例如使用保溫板、隔熱涂料或反射材料等；隔熱材料的厚度和密度應根據建筑的所在地氣候條件和使用要求進行合理選擇，以達到最佳的隔熱效果；隔熱設計應充分考慮建筑的節能要求和綜合效益，綜合考慮厚度、材料成本和施工難度等因素。

5自然通風系統在公共建筑中的應用

5.1 H建筑概況

H建筑是一座現代化的公共建筑，包括展覽館、會議中心和辦公空間等功能。建筑外觀獨特，采用玻璃幕墻設計，擁有開闊的室內空間和現代化的設施；建筑內部結構復雜，樓層高低錯落，需要考慮如何優化自然通風系統的設計以提高室內環境質量和舒適度。

5.2建筑朝向

建筑朝向是自然通風系統設計考慮的重要考慮因素，可利用建筑朝向與風的模型來評估自然通風效果。模型公式：Q = C * A * V，其中Q表示通風量，C表示系數，A表示通風口的有效面積，V表示風速。考慮到反向風的影響，將Q拆分為正向通風和負向通風兩部分（Q = Qp + Qn），其中Qp表示正向通風量，Qn表示負向通風量。

（1）預測建筑內部風速：根據建筑的朝向和周圍的氣象數據估計建筑內部的風速，在合適的位置設置通風口和窗戶，引導風進入建筑并產生良好的室內通風效果。（2）分析風向：確定通風口和窗戶的位置和數量，以最大程度地利用自然風資源。（3）考慮建筑遮擋物：建筑周圍的遮擋物，如高樓、樹木和其他建筑物等會影響風的流通，需分析建筑周圍的遮擋物預測建筑中的正向和負向通風效果，并進行適當的調整。

5.3建筑密度

建筑密度是指在單位面積內建筑體量的集中程度，對自然通風系統設計有重要影響。模型公式：Q = C * A * （sinθ/θ） * H * D，其中Q表示通風量，C表示系數，A表示通風口的有效面積，θ表示風角，H表示建筑高度，D表示建筑密度。

對于高密度建筑，建筑體量相對集中，通常存在較高的阻擋效應，導致自然通風效果受到一定的限制。當建筑密度較高時，通風系統設計需要考慮以下幾個因素：一是通風口和通風道的設置，在高密度建筑中，合理設置通風口和通風道，增加通風路徑，改善通風效果，通風口和通風道的大小和數量也需要根據建筑密度進行適當的調整。二是建筑外形的優化，在高密度建筑中，優化建筑外形以減小空氣流動的阻力，提高自然通風效果。例如，采用流線型的建筑外形、減少突出部分和角度過于尖銳的設計等，有助于降低空氣阻力，提高通風效率。

5.4建筑間距

建筑間距是指相鄰建筑物之間的水平距離，不同建筑間距下自然通風系統的效果會有差異。模型公式：Q = Cp * A * V * L，其中Q表示通風量，Cp表示風壓系數，A表示通風口的有效面積，V表示風速，L表示建筑間距。

建筑間距對于自然通風系統的設計具有重要影響，不同的建筑間距會產生不同的通風效果。在窄間距的情況下，相鄰建筑物之間的距離較小，通風受到一定阻礙，導致通風量減少，通風效果較差。因此，在窄間距建筑中，通風系統需增加通風口的數量和尺寸，優化通風道的布置等。在寬間距的情況下，相鄰建筑物之間的距離較大，通風阻力較小，有利于自然通風系統的設計。

5.5建筑高度

建筑高度是自然通風系統設計中重要的參數，會影響通風效果和室內空氣流動。模型公式：Q = Cd * A * v計算得出，其中Q表示通風率，Cd表示風阻系數，A表示通風口的效果面積，v表示通風口處的風速。

較高的建筑高度會產生較大的壓差，從而促進氣流的上升和對流傳輸，有助于提高通風效果，增加通風量，也有利于排除室內壓力差。因此，在高建筑中采用自然通風系統能更好地實現空氣流動和室內環境的控制。而低建筑高度會限制氣流的上升和對流傳輸效果，導致通風效果較差，通風量減少，也會造成室內空氣污染或熱量積聚。在這種情況下，需要增加通風口數量或改變通風系統的設計參數，以提高通風效果。

6 結論

自然通風是一種有效的節能策略，能提升公共建筑的能效，改善室內環境。未來需進一步探索自然通風系統與其他可再生能源技術的結合，以實現更高效、更可持續的建筑節能設計。應深入研究在不同地區和不同氣候條件下的自然通風系統設計及優化方法，為公共建筑的節能設計提供更具可操作性的參考。

參考文獻

[1]董紅霞，邱少騰，裴佩.淺析珠海某超高層辦公建筑節能設計[J].中國新技術新產品，2022（07）：123-126.

[2]盧海婷.建筑構造節能設計與自然通風分析[J].居業，2021（09）：35-36.

[3]張延鑫，郭廓.基于自然通風的北方住宅空間節能設計研究[J].住宅產業，2020（08）：49-52.

通訊作者：劉兵紅（1989.11-），女，漢族，河北保定人，研究生，工程師，研究方向：區域能源節能利用。