自然通風原理在學校建筑中的應用與實現(xiàn)

黃 樂廣西建經(jīng)工程監(jiān)理有限公司，廣西南寧 530000

長久以來,自然通風作為一項傳統(tǒng)的建筑防熱技術，具有節(jié)能、改善室內(nèi)熱舒適性和提高室內(nèi)空氣品質的優(yōu)點，是人類歷史上長期賴以改善室內(nèi)環(huán)境的原始手段。過去，在濕熱地帶，人們就開始懂得利用了自然通風，如其建筑都有開闊的窗戶、輕便的墻體、深遠的挑檐、高高在上的頂棚并設置有通風口、架空的建筑等，這在一定程度上表明，人類歷史上早就開始利用自然通風來調節(jié)室內(nèi)環(huán)境。

如今，雖說空調已經(jīng)廣泛使用，但在學校建筑大量引入空調裝置并不是好事，且由于當今社會高度提倡節(jié)約能源和為了保持空氣良好品質，有效控制病毒傳播，在這樣的背景下，把自然通風這種傳統(tǒng)建筑生態(tài)技術應用在學校建筑設計中，有著重要的意義。

1 自然通風的原理

建筑的自然通風從動力來源上可分為完全自然通風和機械輔助自然通風兩種模式。而完全自然通風的有兩個主要的原因：風壓以及室內(nèi)外空氣密度差。則自然通風的原理有以下幾點：

1.1 風壓作用下的自然通風

風的形成是由于大氣中的壓力差，而風壓作用下則是指利用自然界風的力量使室內(nèi)進行通風換氣。如果風在通道上遇到了障礙物，如樹和建筑物，就會產(chǎn)生能量的轉換。動壓力轉變?yōu)殪o壓力，于是迎風面上產(chǎn)生正壓（約為風速動壓力的0.5～0.8倍），而背風面上產(chǎn)生負壓（約為風速動壓力的0.3～0.4倍）。如建筑物上有門窗，風可以從迎風面的門窗吹進來，室內(nèi)空氣則從背風面孔口排出，就形成了全面換氣的風壓自然通風。但需注意的是，某一建筑物周圍風壓與該建筑的幾何形狀、建筑相對于風向的方位、風速和建筑周圍的自然地形有關。

1.2 熱壓作用下的自然通風

熱壓是室內(nèi)外空氣的溫度差引起的，就是利用熱空氣上升的原理，在建筑物上部設排風口，排出室內(nèi)被污染的空氣，吸入室外新鮮的空氣。由于溫度差的存在，室內(nèi)外密度差產(chǎn)生，沿著建筑物墻面的垂直方向出現(xiàn)壓力梯度，如果室內(nèi)溫度高于室外，建筑物的上部將會有較高的壓力，而下部存在較低的壓力。當這些位置存在孔口時，空氣通過較低的開口進入，從上部流出；如果室內(nèi)溫度低于室外溫度，氣流方向相反。熱壓的大小取決于兩個開口處的高度差和室內(nèi)外的空氣密度差。在設計中，可利用建筑物內(nèi)部貫穿多層的豎向空腔，如樓梯間、中庭等，滿足進、排風口的高度差，將建筑各層的熱空氣排出，使得建筑物能夠具有良好的通風效果。

1.3 風壓、熱壓共同作用下的自然通風

在實際建筑中的自然通風是風壓和熱壓共同作用的結果，只是各自的作用有強有弱。由于風壓受到天氣、室外風向、建筑物形狀、周圍環(huán)境等因素的影響，風壓與熱壓共同作用時并不是簡單的線性疊加。如同一建筑物，迎風面下部熱壓，風壓作用的方向一致，進風量要比熱壓單獨作用時大，如果迎風面上部的風壓大于熱壓，就不能從上部開口排氣，相反將變?yōu)檫M氣，進成倒灌。但由于室外風速，方向甚至在一天內(nèi)也變化不定，為了保證自然通風的效果，風壓在計算中一般均不予考慮；不過由于風壓是客觀存在的，故定性地考慮風壓在自然通風中的影響，使風壓和熱壓作用相互補充，密切配合使用，仍是必要的。

1.4 機械輔助式自然通風

在學校建筑設計中，由于人口密度大，流動阻力較大，單純依靠自然風壓與熱壓往往不足以實現(xiàn)自然通風，且對于空氣污染和噪聲污染比較嚴重的城市，直接的自然通風還會將室外污濁的空氣和噪聲帶入室內(nèi)，不利于學生的身體健康。在這種情況下，可借助一種機械輔助方式加速室內(nèi)通風。

2 自然通風在學校建筑設計中的實現(xiàn)

影響自然通風的因素，對于學校建筑規(guī)范而言，有建筑物的朝向、空間布局、建筑群布局、門窗設計等，只有合理設計，方能達到自然通風和節(jié)約能源的目的。

2.1 建筑物的朝向和平面形狀

要確定建筑物的朝向，不但要了解當?shù)厝照樟枯^多的方向，還要了解當?shù)仫L的相關特性，包括冬季和夏季主導風的方向、速度以及風的溫度。經(jīng)測試表明：東西向比南北向的冷負荷約增加70%。因此，無論從改善夏季自然通風、調節(jié)房間熱環(huán)境，還是從減少冬季、夏季的房間采暖空調負荷的角度來講，建筑物應盡量采用南北向，對學校類建筑更應該如此。本身在教室集中的教學樓等區(qū)域，安裝空調機的需求較少，對會議室、教師辦公室、休息室等個別需要布置空調的房間，應盡量避免將空調布置在東西朝向的房間，東西墻上有窗戶的房間以及平屋頂?shù)捻攲臃块g。對實驗室等有特殊溫度需要，或集中的辦公、休息區(qū)這樣空調使用頻率較高的建筑空間，應在房屋體積確定的前提下，盡可能的減少外圍護結構的表面積，這直接減少該建筑的冷負荷，最終減少能耗。

2.2 建筑物的空間布局

教學樓通常多數(shù)是依靠自然通風降溫的建筑，空間布局上力求開敞，一般都以較大面積的窗口自然通風并實現(xiàn)教室采光。這樣才會在滿足使用功能的前提下，最低限度的進行通風和溫控設備投入，進而降低耗能。對設有空調系統(tǒng)的建筑，其空間布局應以緊湊為主要核心原則，盡量減少建筑物外表面積和窗洞面積，這樣可以減少空調負荷。

2.3 建筑群布局的設計

建筑群的布局對自然通風的影響效果很大?，F(xiàn)代學校要求建筑物之間能聯(lián)絡方便、盡量通暢、便捷，因此學校內(nèi)各類建筑物多采用集中式布局，建筑群體也多以成團的方式組合，如學校學生宿舍，則一般采用的是行列式建筑布局，雖然建筑群內(nèi)部的流場因風向投射角不同而有很大變化，但總體說來受風面較小；錯列和斜列可使風從斜向導入建筑群內(nèi)部，下風向的建筑受風面大一些，風場分布較合理，所以通風好。

2.4 門窗開口的優(yōu)化設計

在學校類建筑中，盡可能的優(yōu)化門窗布局，減少門窗數(shù)量，窗墻比等，可直接影響著建筑物內(nèi)部的空氣流動以及通風效果。據(jù)測定顯示，當開口寬度為開間寬度的1/3～2/3時，開口大小為地板總面積的15%～25%時，通風效果最佳。因此，在學校建筑設計中，應避免采用一些直接或間接增加門窗面積的設計，最大限度的減少洞口面積；另外，當門窗洞口面積增加，外墻面積減少的時候，也就是窗墻比加大的時候，其將直接影響建筑的熱特性，則在學校實驗室、冷庫等空調房間兩側溫差大的外墻面積及窗的面積應盡量減少。

2.5 注重“穿堂風”的組織

“穿堂風”是自然通風中效果最好的方式。所謂“穿堂風”是指風從建筑迎風面的進風口吹人室內(nèi)，穿過房間，從背風面的出風口流出。顯然進風口和出風口之間的風壓差越大，房屋內(nèi)部空氣流動阻力越小，通風越流暢。此時房屋在通風方向的進深不能太大，否則就會通風不暢。

2.6 屋頂?shù)淖匀煌L

當室內(nèi)存在貫穿整幢建筑的“豎井”空間時，就可利用其上下兩端的溫差來加速氣流，以帶動室內(nèi)通風，其實質就是“溫差-熱壓-通風”的原理。作為建筑共享空間的中庭就可以勝任這個“豎井”的職能，一般來說，其所占空間比例以超過整幢建筑的1/ 3 為宜。這種屋頂?shù)淖匀煌L一般有：一是在結構層上部設置架空隔熱層。這種做法把通風層設置在屋面結構層上，利用中間的空氣間層帶走熱量，達到屋面降溫的目的，另外架空板還保護了屋面防水層；二是利用坡屋頂自身結構，在結構層中間設置通風隔熱層，也可得到較好的隔熱效果。

2.7 太陽能強化自然通風

太陽能強化自然通風，充分利用了太陽能這一可持續(xù)能源轉化為動力進行通風。在學校建筑設計中，被動的太陽能技術包括：利用合理的建筑設計達到自然通風和采光，利用遮陽設施調節(jié)教室光線等。通過采用主動太陽能技術，實現(xiàn)建筑增量成本少，提高建筑舒適性，降低學校能耗的建設目標。

3 結論

綜上所述，自然通風是一種廉價的生態(tài)節(jié)能技術，是建筑最基本功能之一。因此，在學校建筑設計中，建筑設計者應該從建筑物的規(guī)劃、建筑單體設計到構造設計的整個過程中都對自然通風的可應用性和效果仔細考慮，有效地利用自然通風解決學校建筑物的舒適性和空氣質量問題，為學生們營造一個健康、舒適的學習環(huán)境。

[1]王鵬，譚剛.生態(tài)建筑中的自然通風[J].世界建筑，2000(4).

[2]楊元華.學校建筑節(jié)能途徑探討[J].建設科技（建設部），2008(15).