梁 云

上海市建筑科學(xué)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(huán)境為特征，采用綠色技術(shù)與環(huán)境友好的技術(shù)設(shè)備。自然通風(fēng)作為健康、舒適、節(jié)能的室內(nèi)環(huán)境調(diào)節(jié)方式，是綠色建筑不可或缺的一項(xiàng)技術(shù)[1]。我國綠色建筑評(píng)價(jià)體系對(duì)于自然通風(fēng)措施也有明確的要求。

自然通風(fēng)是一種具有較大節(jié)能潛力的通風(fēng)方式，它具有節(jié)能、改善室內(nèi)熱舒適性和提高室內(nèi)空氣品質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)[2]，但也受室外氣候、建筑周圍環(huán)境及建筑內(nèi)部布局等因素的影響。故其在綠色建筑中的設(shè)計(jì)和控制很復(fù)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(fēng)的原理和研究發(fā)展現(xiàn)狀，詳細(xì)介紹和分析了我國綠色建筑評(píng)價(jià)體系對(duì)自然通風(fēng)的要求，并利用具體案例說明自然通風(fēng)技術(shù)在綠色建筑中的應(yīng)用及其效益。

1 自然通風(fēng)技術(shù)概述

建筑物的自然通風(fēng)是由于開口處（門、窗、過道）存在著空氣壓力差而產(chǎn)生的空氣流動(dòng)[3]。利用室內(nèi)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(shí)，房間內(nèi)有一定的空氣流動(dòng)，可以加強(qiáng)人體的對(duì)流和蒸發(fā)散熱，提高人體熱舒適感覺，改善人們的工作和生活條件。產(chǎn)生壓力差的原因有熱壓作用和風(fēng)壓作用。

1.1 熱壓作用下的自然通風(fēng)

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

熱壓的計(jì)算公式為：

式中：ΔP——熱壓，Pa；

h——進(jìn)、排風(fēng)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(fēng)壓作用下的自然通風(fēng)

風(fēng)壓作用是風(fēng)作用在建筑物上產(chǎn)生的風(fēng)壓差。當(dāng)風(fēng)吹到建筑物上時(shí)，在迎風(fēng)面上流動(dòng)受阻，速度減小，使風(fēng)的部分動(dòng)壓變?yōu)殪o壓，亦即使建筑物迎風(fēng)面上的壓力大于大氣壓，在迎風(fēng)面上形成正壓區(qū)。在建筑物的背風(fēng)面、屋頂和兩側(cè)，由于氣流曲繞過程中，形成空氣稀薄現(xiàn)象，因此該處壓力將小于大氣壓，形成負(fù)壓區(qū)。如果建筑物上設(shè)有開口，氣流就從正壓區(qū)流向室內(nèi)，再從室內(nèi)向外流至負(fù)壓區(qū)，形成室內(nèi)的空氣交換。

風(fēng)壓的計(jì)算公式為：

式中：P——風(fēng)壓，Pa；

v——室外風(fēng)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(dòng)系數(shù)。

而迎、背風(fēng)面壓差的計(jì)算公式為：

式中：ΔP——迎背風(fēng)面風(fēng)壓差，Pa；

Py、Pb——迎、背風(fēng)面風(fēng)壓，Pa；

Ky、Kb——迎、背風(fēng)面空氣流動(dòng)系數(shù)。

上述兩種自然通風(fēng)的動(dòng)力因素，在一般情況下是同時(shí)并存的。

1.3 風(fēng)壓與熱壓綜合作用下的自然通風(fēng)

通常情況下，建筑中的自然通風(fēng)是風(fēng)壓與熱壓共同作用的結(jié)果，只是各自作用的強(qiáng)度不同，對(duì)建筑整體自然通風(fēng)的貢獻(xiàn)不同。由于風(fēng)壓作用受到風(fēng)速風(fēng)向、建筑形體、周圍環(huán)境等因素的影響，具有不穩(wěn)定性，所以在與熱壓同時(shí)作用時(shí)可能還會(huì)出現(xiàn)減弱通風(fēng)效果的情況。因此，在進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)時(shí)，要利用場(chǎng)地自然條件對(duì)建筑總平面布局進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以利于夏季和過渡季節(jié)的自然通風(fēng)。

2 自然通風(fēng)與綠色建筑

2.1 自然通風(fēng)的研究現(xiàn)狀

自然通風(fēng)受地域氣候特征[4]、室內(nèi)外環(huán)境、建筑布局[5]等因素的影響，其氣流運(yùn)動(dòng)過程十分復(fù)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(shí)驗(yàn)結(jié)果。

自然通風(fēng)的研究方法主要有理論分析、實(shí)驗(yàn)研究、計(jì)算流體力學(xué)法（CFD）等[6]。其中，實(shí)驗(yàn)研究又包括風(fēng)洞模型、熱浮力模型和示蹤氣體法等實(shí)驗(yàn)研究方法。在自然通風(fēng)的研究與設(shè)計(jì)過程中，借助于CFD軟件分析流體流動(dòng)和能量傳遞，可以預(yù)測(cè)建筑內(nèi)各個(gè)區(qū)域的空氣流動(dòng)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(yīng)用相當(dāng)廣泛，該方法已廣泛應(yīng)用于自然通風(fēng)研究及工程實(shí)踐中[8]。我國的綠色建筑評(píng)價(jià)體系中，也將CFD模擬結(jié)果作為評(píng)價(jià)綠色建筑中自然通風(fēng)效果的評(píng)價(jià)依據(jù)之一。

目前，自然通風(fēng)的研究應(yīng)用主要集中在自然通風(fēng)的兩個(gè)相關(guān)點(diǎn)上：一是利用自然通風(fēng)控制室內(nèi)空氣品質(zhì)；二是利用自然通風(fēng)解決夏季或過渡季的熱舒適性問題。具體研究內(nèi)容主要包括以下8個(gè)方面[9]。

1）研究建筑場(chǎng)地布局、建筑朝向、建筑形體、門窗大小及位置、室內(nèi)氣流等方面對(duì)自然通風(fēng)利用的影響。

2）結(jié)合不同地區(qū)的氣候特點(diǎn),在建筑形體的選擇、外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的材料、建筑構(gòu)造等諸方面進(jìn)行探索,并將這些節(jié)能技術(shù)應(yīng)用到建筑設(shè)計(jì)及建設(shè)中。

3）研究建筑結(jié)構(gòu)空間及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變化,如采用中庭、太陽能煙囪、遮陽板等,對(duì)有效利用自然通風(fēng)的影響。

4）深入完善自然通風(fēng)的理論機(jī)理分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,以期充分利用自然通風(fēng)的作用,在過渡季或夏季盡量利用室外自然風(fēng)帶走室內(nèi)余熱,在滿足舒適度要求的情況下減少空調(diào)系統(tǒng)開啟。

5）開發(fā)新型設(shè)備,從而優(yōu)化建筑物內(nèi)部的空氣流動(dòng)情況,使室內(nèi)熱環(huán)境達(dá)到可以接受的程度。

6）利用自控和仿真技術(shù),有效地控制和調(diào)節(jié)自然通風(fēng)的效果,達(dá)到自然通風(fēng)系統(tǒng)控制的智能化。

7）夜間通風(fēng)對(duì)房間熱環(huán)境改善的研究。

8）建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)如墻體、窗戶、頂棚等新型節(jié)能材料的研究。

雖然現(xiàn)有的自然通風(fēng)研究已經(jīng)取得了可供工程應(yīng)用的研究成果，但是依然存在諸多問題。例如，對(duì)各種方式的自然通風(fēng)的理論分析和模擬研究的深度、廣度不夠，缺乏對(duì)各種自然通風(fēng)方式以及綜合應(yīng)用的理論研究和模擬。大多數(shù)自然通風(fēng)的研究成果是經(jīng)驗(yàn)性的，多是定性的或者是半定量的，目前尚未形成系統(tǒng)的、定量化的理論與應(yīng)用研究成果。

2.2 綠色建筑對(duì)自然通風(fēng)的要求

2.2.1 綠色建筑的概念與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

在全壽命期內(nèi)，節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)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(shí)現(xiàn)人與自然和諧共生的高質(zhì)量建筑[10]。

我國在2006年發(fā)布實(shí)施了《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50378，并于2014年進(jìn)行了修訂。2019年，標(biāo)準(zhǔn)又進(jìn)行了第二次修訂，修訂后的標(biāo)準(zhǔn)重構(gòu)了綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系。綠色建筑評(píng)價(jià)指標(biāo)體系由安全耐久、健康舒適、生活便利、資源節(jié)約和環(huán)境宜居五類指標(biāo)組成[11]。

2.2.2 自然通風(fēng)對(duì)于綠色建筑的意義

自然通風(fēng)對(duì)于綠色建筑的意義主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。

1）通風(fēng)降溫（除濕）

自然通風(fēng)可在不消耗不可再生能源的情況下降低室內(nèi)溫度，改善室內(nèi)熱濕環(huán)境，有助于縮短空調(diào)設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間，降低空調(diào)能耗。

2）通風(fēng)換氣

自然通風(fēng)可為室內(nèi)提供新鮮、清潔的自然空氣，帶走潮濕污濁的空氣，改善室內(nèi)空氣質(zhì)量狀態(tài)（如增加新風(fēng)，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(xiàn)了綠色建筑中對(duì)于節(jié)能與能源高效利用的理念，后者體現(xiàn)了綠色建筑對(duì)于改善室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的理念。

2.2.3 綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)自然通風(fēng)的要求

我國《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡稱“標(biāo)準(zhǔn)”）對(duì)綠色建筑中自然通風(fēng)相關(guān)的建筑總平面設(shè)計(jì)、室外風(fēng)環(huán)境、建筑設(shè)計(jì)、構(gòu)造設(shè)計(jì)和建筑開口面積等都有要求，具體相關(guān)條文如表1所示。

表1 綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中與自然通風(fēng)相關(guān)條文

2.2.4 綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)自然通風(fēng)要求的分析

建筑采用自然通風(fēng)或復(fù)合通風(fēng)技術(shù)的首要條件是滿足舒適性要求。標(biāo)準(zhǔn)第5.2.9條采用自然通風(fēng)或復(fù)合通風(fēng)技術(shù)的建筑主要功能房間室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)在適應(yīng)性熱舒適區(qū)域的時(shí)間比例提出要求。

良好的自然通風(fēng)設(shè)計(jì)可以有效改善室內(nèi)熱濕環(huán)境和空氣品質(zhì)，提高人體舒適性。已有研究表明，在自然通風(fēng)條件下，人們感覺熱舒適和可接受的環(huán)境溫度要遠(yuǎn)比空調(diào)采暖室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)限定的熱舒適溫度范圍來得寬泛。因此，當(dāng)室外溫濕度適宜時(shí)，良好的通風(fēng)效果還能夠減少空調(diào)的使用。標(biāo)準(zhǔn)第5.2.10條規(guī)定了住宅居住空間通風(fēng)開口面積與地板最小面積比。一般情況下，當(dāng)通風(fēng)開口面積與地板面積之比不小于5%時(shí)，房間可以獲得比較好的自然通風(fēng)。由于氣候和生活習(xí)慣的不同，南方更注重房間的自然通風(fēng)，因此該條文規(guī)定在夏熱冬暖和夏熱冬冷地區(qū)，通風(fēng)開口面積與地板面積之比不小于8%。自然通風(fēng)的效果不僅與開口面積與地板面積之比有關(guān)，事實(shí)上還與通風(fēng)開口之間的相對(duì)位置密切相關(guān)。在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)考慮通風(fēng)開口的位置，盡量使之能有利于形成“穿堂風(fēng)”。

標(biāo)準(zhǔn)第5.2.10條也規(guī)定了公共建筑要做好自然通風(fēng)氣流組織設(shè)計(jì)。對(duì)于部分大建筑體量的建筑，例如大進(jìn)深、由于安全等原因無法保證開窗通風(fēng)滿足自然通風(fēng)要求的建筑，應(yīng)采用通風(fēng)器、通風(fēng)吊頂、雙層皮幕墻等方式進(jìn)行通風(fēng)優(yōu)化設(shè)計(jì)或創(chuàng)新設(shè)計(jì)，保證建筑在過渡季典型工況下平均自然通風(fēng)換氣次數(shù)大于2次/h。研究表明，自然通風(fēng)在2次換氣次數(shù)以上時(shí)，室內(nèi)熱環(huán)境可達(dá)到適應(yīng)性熱舒適狀態(tài)。

建筑總平面設(shè)計(jì)的原則之一是過渡季節(jié)和夏季能利用自然通風(fēng)，建筑體形、朝向、樓距和窗墻面積比的設(shè)計(jì)亦是如此。因此標(biāo)準(zhǔn)第7.1.1條規(guī)定建筑設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合場(chǎng)地自然條件和建筑功能需求，對(duì)建筑的體形、平面布局、空間尺度、圍護(hù)結(jié)構(gòu)等進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)，考慮并權(quán)衡各方面因素及其之間的相互關(guān)系，通過多方面分析、優(yōu)化建筑的規(guī)劃設(shè)計(jì)，盡可能提高建筑物在夏天的自然通風(fēng)。在建筑設(shè)計(jì)和構(gòu)造設(shè)計(jì)中應(yīng)采取誘導(dǎo)氣流、促進(jìn)自然通風(fēng)的主動(dòng)措施，如導(dǎo)風(fēng)墻、拔風(fēng)井等，以促進(jìn)室內(nèi)自然通風(fēng)的效率。

無論在北方地區(qū)還是在南方地區(qū)，在春、秋季和冬、夏季的某些時(shí)段普遍有開窗加強(qiáng)房間通風(fēng)的習(xí)慣，而外窗的可開啟面積過小會(huì)嚴(yán)重影響建筑室內(nèi)的自然通風(fēng)效果。

室外風(fēng)的環(huán)境不僅是決定室外舒適度的重要因素，而且會(huì)對(duì)室內(nèi)的自然通風(fēng)造成影響。如果建筑單體設(shè)計(jì)和群體布局不當(dāng)，則會(huì)導(dǎo)致行人舉步維艱或強(qiáng)風(fēng)刮卷物體撞碎玻璃等危害，而且通風(fēng)不暢還會(huì)嚴(yán)重地阻礙空氣的流動(dòng)，在某些區(qū)域形成無風(fēng)區(qū)或渦旋區(qū)，這對(duì)于室外散熱和污染物消散是非常不利的，應(yīng)盡量避免。夏季、過渡季自然通風(fēng)對(duì)于建筑節(jié)能十分重要，室外惡劣的風(fēng)環(huán)境會(huì)對(duì)自然通風(fēng)造成不利影響。因此，綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中條文8.2.8對(duì)建筑的室外風(fēng)環(huán)境作出要求。

3 自然通風(fēng)在綠色建筑中的應(yīng)用

3.1 綠色建筑中自然通風(fēng)的設(shè)計(jì)

在綠色建筑中,自然通風(fēng)的利用是降低空調(diào)能耗、改善室內(nèi)空氣品質(zhì)的重要技術(shù)措施。合理的自然通風(fēng)組織可有效調(diào)節(jié)建筑室內(nèi)的氣流組織、溫度分布，對(duì)改變室內(nèi)熱環(huán)境的滿意度起到明顯的效果。然而，由于自然通風(fēng)的實(shí)現(xiàn)是一種依賴于建筑設(shè)計(jì)的被動(dòng)式方法，因此其應(yīng)用效果很大程度上依賴于建筑的朝向、平面布局等設(shè)計(jì)效果。

良好的建筑設(shè)計(jì)有助于增強(qiáng)室內(nèi)自然通風(fēng)的效果，同時(shí)，建筑設(shè)計(jì)上的差異，也會(huì)給建筑通風(fēng)效果產(chǎn)生較大的影響。利用模擬的方法，可為建筑設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行建筑自然通風(fēng)策略應(yīng)用時(shí)提供客觀作用效果的指導(dǎo)。因此，自然通風(fēng)模擬是綠色建筑設(shè)計(jì)中一種有效的輔助手段。

建筑物通風(fēng)構(gòu)造的細(xì)部對(duì)自然通風(fēng)效果有很大影響，例如開口的位置不同會(huì)影響室內(nèi)風(fēng)的流場(chǎng)的分布，同時(shí)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(duì)自然通風(fēng)也有較大的影響。因此，應(yīng)綜合考慮各項(xiàng)綠色建筑技術(shù)的綜合作用效果，不能顧此失彼。

對(duì)于綠色建筑來說，應(yīng)該從規(guī)劃、建筑單體設(shè)計(jì)到構(gòu)造設(shè)計(jì)的整個(gè)過程中，仔細(xì)考慮自然通風(fēng)，確保良好的室內(nèi)空氣品質(zhì)和舒適的熱環(huán)境，節(jié)約不可再生資源。

3.2 自然通風(fēng)在綠色建筑中的應(yīng)用效果

清華大學(xué)林波榮等根據(jù)后評(píng)估（POE）的方法，對(duì)我國不同氣候區(qū)的11棟綠色建筑及示范建筑的實(shí)際能耗情況及節(jié)能技術(shù)進(jìn)行了調(diào)研和分析研究[12]，對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)、運(yùn)行效果、實(shí)際能耗、室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量和使用滿意度進(jìn)行了分析，總結(jié)了設(shè)計(jì)、運(yùn)行中的常見問題和優(yōu)化策略。研究發(fā)現(xiàn)，自然通風(fēng)等低成本被動(dòng)式技術(shù)實(shí)際運(yùn)行效果良好，節(jié)能效果顯著，使用滿意度高，值得重視和推廣。

3.3 自然通風(fēng)在綠色建筑應(yīng)用案例

上海市生態(tài)示范樓是我國首批獲得綠色三星級(jí)標(biāo)識(shí)的建筑，該建筑位于上海閔行莘莊工業(yè)區(qū)科技發(fā)展園區(qū)內(nèi)，建筑面積1 991 m2，采用十大生態(tài)技術(shù)，包括太陽能光電利用、太陽能光熱利用、自然通風(fēng)、自然采光、高性能保溫隔熱圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系、溶液除濕空調(diào)、綠色建材、智能化控制等[13]。

根據(jù)上海氣候特點(diǎn)，該示范樓設(shè)計(jì)應(yīng)用自然通風(fēng)技術(shù)，在過渡季和夏季夜間，充分利用室外氣流帶走室內(nèi)產(chǎn)出的余熱。其設(shè)計(jì)思路是：

1）運(yùn)用CFD模擬分析技術(shù)，確定并優(yōu)化室內(nèi)氣流組織；

2）在建筑北部頂端設(shè)計(jì)面積達(dá)15 m2的排風(fēng)道，以利用煙囪效應(yīng)；

3）在排風(fēng)道內(nèi)布置7組太陽能熱水加熱器，利用太陽能強(qiáng)化通風(fēng)效果；

4）盡量使建筑沿夏季主導(dǎo)風(fēng)向設(shè)計(jì)，在建筑外立面正壓區(qū)和負(fù)壓區(qū)的適當(dāng)部位開窗，以增強(qiáng)室內(nèi)穿堂風(fēng)的冷卻效果。

統(tǒng)計(jì)表明，該生態(tài)樓的成本造價(jià)約5 000元/m2，比常規(guī)辦公樓高出近30%。增加的投資中，自然通風(fēng)的投資增量成本最少，單位投資增加的節(jié)能效果最明顯。

4 結(jié)論

在我國的氣候條件下,自然通風(fēng)可以有效地為建筑使用者提供健康和舒適的環(huán)境，是可持續(xù)發(fā)展的一種綠色建筑技術(shù)。

目前，人們對(duì)綠色建筑的研究處于快速發(fā)展的新階段，基于綠色低碳發(fā)展理念的自然通風(fēng)技術(shù)也有待進(jìn)一步研究和挖掘應(yīng)用潛力。

隨著綠色低碳發(fā)展戰(zhàn)略的深入推進(jìn)，以及人們對(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)要求的提高，自然通風(fēng)技術(shù)必將在我國的綠色建筑建設(shè)中得到更廣泛的應(yīng)用。