窗式自然通風(fēng)器在火車(chē)站站房通風(fēng)工程中的應(yīng)用
高添順
摘要：本文介紹了自然通風(fēng)器的工作原理、特點(diǎn)及在火車(chē)站站房通風(fēng)工程中的應(yīng)用
關(guān)鍵詞：自然通風(fēng) 自然通風(fēng)器 火車(chē)站
1前言
空調(diào)技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展，人們可以一定程度上主動(dòng)地控制自己的居住環(huán)境；隨著空調(diào)的大量使用，使人們漸漸淡化了對(duì)自然通風(fēng)的使用和重視。近年來(lái)，很多大型建筑為了追求視覺(jué)效果和建筑立面風(fēng)格，外窗的可開(kāi)啟率有逐漸下降的趨勢(shì)，有的外窗甚至完全封閉，這種情況下，人們?yōu)榱藵M足舒適性的要求，只能大量使用空調(diào)設(shè)施；據(jù)統(tǒng)計(jì)在夏季用電高峰時(shí)期，空調(diào)用電負(fù)荷高達(dá)城鎮(zhèn)總體用電負(fù)荷的 40%左右。

 

自然通風(fēng)最大的特點(diǎn)是不消耗動(dòng)力或消耗很少的動(dòng)力，因而其首要優(yōu)點(diǎn)是節(jié)能，并且占地面積小、投資少，運(yùn)行費(fèi)用低，其次是可以引入充足的新鮮空氣保證室內(nèi)的空氣品質(zhì)。合理的自然通風(fēng)在降低公共建筑運(yùn)行能耗，提高建筑內(nèi)空氣品質(zhì)方面，起到至關(guān)重要的作用。公共建筑人員密集，室內(nèi)熱源較大，呼吸產(chǎn)生的二氧化碳等濃度較高，建筑室內(nèi)空氣流動(dòng)，特別是自然、新鮮空氣的流動(dòng)，是保證建筑室內(nèi)空氣質(zhì)量符合國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵。在這樣的背景下，把自然通風(fēng)技術(shù)重新引回建筑的通風(fēng)設(shè)計(jì)當(dāng)中，特別是大型公共建筑的通風(fēng)設(shè)計(jì)中，有著重要的意義。

 

隨著我國(guó)加大在鐵路建設(shè)方面的投資，按照國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)實(shí)施的《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》和《鐵路“十一五”規(guī)劃》 ，“十一五”期間，中國(guó)將建設(shè)新線 1.7 萬(wàn)公里；同時(shí)，將新建和改造 548 座鐵路旅客車(chē)站。火車(chē)站人員的高度集中，而且流動(dòng)性大，公共衛(wèi)生尤其重要；火車(chē)站利用自然通風(fēng)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境的調(diào)節(jié)和保持室內(nèi)公共衛(wèi)生以及節(jié)能減排有著重要的意義。
2.自然通風(fēng)器的原理、特點(diǎn)和使用條件
2.1自然通風(fēng)器的工作原理
自然通風(fēng)器是附加在門(mén)窗或幕墻用于通風(fēng)位置上的裝置，其作用是替代傳統(tǒng)的開(kāi)窗通風(fēng)方式進(jìn)行空氣交換。在不用打開(kāi)窗戶的情況下通風(fēng)換氣，讓室內(nèi)的空氣持續(xù)不斷地循環(huán)，從而保證了室內(nèi)空氣的流通。與開(kāi)窗通風(fēng)相比，能降低室內(nèi)熱能損失，因不用動(dòng)力（電動(dòng)）驅(qū)控，即有節(jié)能優(yōu)點(diǎn)；由于產(chǎn)品的科學(xué)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和使用高質(zhì)量的制作材料，不需要售后維修，與門(mén)窗同壽命；因不用打開(kāi)窗戶通風(fēng)，所以保證了門(mén)窗使用的安全，又提高了整個(gè)建筑外觀的美觀。
自然通風(fēng)器是根據(jù)自然環(huán)境造成的局部氣壓差和氣體的擴(kuò)散原理而產(chǎn)生空氣交換的一種換氣方式，其通風(fēng)原理同自然通風(fēng)。
通常意義上的自然通風(fēng)指的是通過(guò)有目的的開(kāi)口，產(chǎn)生空氣流動(dòng)。這種流動(dòng)直接受建筑外表面的壓力分布和不同開(kāi)口特點(diǎn)的影響。壓力分布是動(dòng)力，而各開(kāi)口的特點(diǎn)則決定了流動(dòng)阻力。就自然通風(fēng)而言，建筑物內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng)主要有兩個(gè)原因：風(fēng)壓以及室內(nèi)外空氣密度差。這兩種因素可以單獨(dú)起作用，也可以共同起作用。
如果風(fēng)在通道上遇到了障礙物，就會(huì)產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)換。動(dòng)壓力轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓力，迎風(fēng)面上產(chǎn)生正壓(約為風(fēng)速動(dòng)壓力的0.5-0.8倍)，背風(fēng)面上產(chǎn)生負(fù)壓(約為風(fēng)速動(dòng)壓力的0.3—0.4倍)。由于經(jīng)過(guò)建筑物而出現(xiàn)的壓力差促使空氣從迎風(fēng)面的窗縫和其他空隙流入室內(nèi)，而室內(nèi)空氣則從背風(fēng)面孔口排出，就形成了全面換氣的風(fēng)壓自然通風(fēng)，如圖1示。某一建筑物周?chē)�風(fēng)壓與該建筑的幾何形狀、建筑相對(duì)于風(fēng)向的方位、風(fēng)速和建筑周?chē)�的自然地形有關(guān)。

 

熱壓是室內(nèi)外空氣的溫度差引起的。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(huì)有較高的壓力，而下部存在較低的壓力。當(dāng)這些位置存在孔口時(shí)，空氣通過(guò)較低的開(kāi)口進(jìn)入，從上部流出，如圖2示。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(gè)開(kāi)口處的高度差和室內(nèi)外的空氣密度差。
在實(shí)際建筑中的自然通風(fēng)是風(fēng)壓和熱壓共同作用的結(jié)果，只是各自的作用有強(qiáng)有弱。由于風(fēng)壓受到天氣、室外風(fēng)向、建筑物形狀、周?chē)�環(huán)境等因素的影響，風(fēng)壓與熱壓共同作用時(shí)并不是簡(jiǎn)單的線性疊加。
2.2自然通風(fēng)器的特點(diǎn)
自然通風(fēng)器（自然通風(fēng)器通常有窗式和屋頂式，本文著重介紹窗式自然通風(fēng)器，下文中“自然通風(fēng)器”均指窗式自然通風(fēng)器）由于不需要機(jī)械動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，僅依靠室內(nèi)外溫差、風(fēng)壓等產(chǎn)生空氣的壓差實(shí)現(xiàn)通風(fēng)，故可以實(shí)現(xiàn)完全意義上的能源節(jié)省。
自然通風(fēng)器的工作原理使得其安裝位置靈活，可安裝于建筑物外圍護(hù)結(jié)構(gòu)（門(mén)窗、幕墻）上或墻體與門(mén)窗之間，可裝在任何窗型和位置上，可以在窗框上，也可以在窗扇上，還可以作為窗臺(tái)的一部分裝在整個(gè)窗檻的下部；可以水平裝，可以垂直裝；可以裝在玻璃的上部，也可以裝在玻璃的下部。
自然通風(fēng)器主要衡量技術(shù)指標(biāo)有：外形尺寸、玻璃高度減少、可配玻厚度、開(kāi)啟面積、通風(fēng)量、隔熱量、消音量、清洗方式、開(kāi)啟方式、安全性等。
在選用自然通風(fēng)器時(shí)，無(wú)論在安裝、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選用等方面都應(yīng)充分考慮到不同的使用環(huán)境，保證其安全性，可靠性。
2.3自然通風(fēng)器的使用限制性條件
自然通風(fēng)器依靠室內(nèi)外溫差、風(fēng)壓等產(chǎn)生空氣的壓差實(shí)現(xiàn)通風(fēng)，故其應(yīng)用受環(huán)境的限制。
2.3.1室內(nèi)得熱量的限制
當(dāng)無(wú)風(fēng)壓時(shí)，應(yīng)用自然通風(fēng)的前提是室內(nèi)外空氣存在溫差。對(duì)于一般的依靠空調(diào)系統(tǒng)降溫的建筑而言，應(yīng)用自然通風(fēng)系統(tǒng)可以在適當(dāng)時(shí)間降低空調(diào)運(yùn)行負(fù)荷，典型的如空調(diào)系統(tǒng)在過(guò)渡季節(jié)的全新風(fēng)運(yùn)行。對(duì)于完全依靠自然通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行降溫的建筑，其使用效果則取決于很多因素，建筑的得熱量是其中的一個(gè)重要因素，得熱量越大，通過(guò)降溫達(dá)到室內(nèi)舒適要求的可能性越小�，F(xiàn)在的研究結(jié)果表明，完全依靠自然通風(fēng)降溫的建筑，其室內(nèi)的得熱量最好不要超過(guò)40W/m2。
2.3.2建筑環(huán)境的要求
應(yīng)用自然通風(fēng)降溫措施后，建筑室內(nèi)環(huán)境在很大程度上依靠室外環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)，除了空氣的溫、濕度參數(shù)外，室內(nèi)的空氣品質(zhì)和噪音控制也將被室外環(huán)境所影響。同時(shí)，自然通風(fēng)進(jìn)風(fēng)口的室外空氣質(zhì)量應(yīng)該滿足有關(guān)衛(wèi)生要求，這就間接限制了自然通風(fēng)器的安裝位置。
2.3.3建筑條件的限制
應(yīng)用自然通風(fēng)的建筑，在建筑設(shè)計(jì)上應(yīng)該參考以上兩點(diǎn)要求，充分發(fā)揮自然通風(fēng)的優(yōu)勢(shì)。此外，建筑物的空間結(jié)構(gòu)布局與組合形式以及其周?chē)�環(huán)境等對(duì)自然通風(fēng)均有較大影響。建筑物的地理位置及朝向?qū)τ谌绾我�入季風(fēng)以及決定理想的室內(nèi)通風(fēng)環(huán)境非常重要。在設(shè)計(jì)中應(yīng)選址在有利的外部風(fēng)環(huán)境中，使房間的縱軸垂直于夏季主導(dǎo)風(fēng)向，設(shè)置中庭等盡可能組織“穿堂風(fēng)”、利用“煙囪效應(yīng)”等以獲得良好的通風(fēng)效果。建筑高度對(duì)自然通風(fēng)也有很大的影響，高低建筑物交錯(cuò)地排列也有利于自然通風(fēng)。建筑物的正壓區(qū)和負(fù)壓區(qū)都會(huì)延伸一段距離，其大小和建筑物的高度形狀有關(guān)，在此距離內(nèi)其他建筑的通風(fēng)會(huì)受到影響。
2.3.4室外空氣濕度的影響
應(yīng)用自然通風(fēng)對(duì)降低室內(nèi)空氣溫度效果明顯，但對(duì)調(diào)節(jié)或控制室內(nèi)空氣的濕度，效果甚微。因此，自然通風(fēng)措施一般不能在非常潮濕的地區(qū)使用。
3工程實(shí)例
下面以北方某火車(chē)站站房為例，介紹窗式自然通風(fēng)器在上述大型公共建筑通風(fēng)工程中的應(yīng)用。
3.1建筑所在地環(huán)境、氣候、位置
該火車(chē)站所在地屬溫帶亞干旱氣候，氣候冬季溫暖，夏季涼爽，有穩(wěn)定的炎熱期，最熱7月，平均溫度在22℃～23℃。全年主導(dǎo)風(fēng)向及頻率為C/E 22%/17%，夏季平均風(fēng)速2.5m/s。車(chē)站地處開(kāi)闊地帶，周邊無(wú)大型建筑，不存在對(duì)建筑風(fēng)向和風(fēng)速、采光和噪音等產(chǎn)生影響的障礙物。為了充分利用風(fēng)壓作用，自然通風(fēng)系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)口應(yīng)該面對(duì)建筑周?chē)�的主�?dǎo)風(fēng)向。同時(shí)建筑的朝向還涉及減少得熱措施的選擇。但該車(chē)站受線路及城市規(guī)劃布局影響，南北朝向布置，建筑門(mén)窗等未面對(duì)地區(qū)主導(dǎo)風(fēng)向。
3.2建筑物內(nèi)部布局
建筑的寬度直接影響自然通風(fēng)的形式和效果，室內(nèi)分隔的形式直接影響通風(fēng)氣流的組織和通風(fēng)量。自然通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)側(cè)外墻的窗墻比應(yīng)該兼顧自然采光和日射得熱的控制，一般為30%-50%。通常，建筑寬度不超過(guò)10米的建筑可以使用單側(cè)通風(fēng)方法；寬度不超過(guò)15米的建筑可以使用雙側(cè)通風(fēng)方法；否則，將需要其它輔助措施，例如煙囪結(jié)構(gòu)或機(jī)械通風(fēng)與自然通風(fēng)的混合模式等。
該火車(chē)站平面及剖面示意圖如圖3示；剖面圖中陰影部分為門(mén)、窗（外窗為玻璃幕，裙房每幅幕墻面積3.9*8.5m，候車(chē)廳為6*14.4m），門(mén)窗上均設(shè)有自然通風(fēng)器，窗墻比約36%。該建筑候車(chē)大廳內(nèi)設(shè)有候車(chē)前廳（中庭），有助于利用室內(nèi)熱負(fù)荷形成的熱壓，有效組織和加強(qiáng)自然通風(fēng)。
3.3自然通風(fēng)幕墻功能構(gòu)造：
該車(chē)站外窗為幕墻，幕墻玻璃板頂?shù)拙�安裝嵌入式通風(fēng)器，通風(fēng)器長(zhǎng)度與幕墻等寬，如圖4示。通風(fēng)方式為自然通風(fēng)方式。
玻璃配置：幕墻見(jiàn)光玻璃采用8+12A+6+0.76pvb+6mmLow-e鋼化中空玻璃，對(duì)整體幕墻隔熱、能源效益和隔聲方面有了很大提高。
3.4通風(fēng)器選用
嵌入式通風(fēng)器可實(shí)現(xiàn)連續(xù)通風(fēng)，無(wú)噪音，并可按需要控制通風(fēng)量，有防蟲(chóng)防塵功能，無(wú)需動(dòng)力，開(kāi)閉方式可手動(dòng)控制或電動(dòng)控制。

 

由伯努利方程可知，在風(fēng)壓或者熱壓的作用下，建筑物外墻上兩側(cè)存在壓力差ΔP，當(dāng)在外表面上開(kāi)口，就會(huì)有空氣流過(guò)開(kāi)口。
ΔP=ξU2ρ/2
式中：ΔP—開(kāi)口兩側(cè)的全壓差，Pa；
U —空氣流過(guò)開(kāi)口時(shí)的流速，m/s；
ρ—空氣的密度，kg/m3；
ξ—開(kāi)口的局部阻力系數(shù)，無(wú)量綱。
設(shè)定按人均新風(fēng)量≥20m3/h/人，人均新風(fēng)量=20m3/h/人。自然通風(fēng)幕墻在2帕的風(fēng)壓下空氣流量可達(dá)50m3/m/h，以一幅6mx14.4m的幕墻為主例，通風(fēng)器長(zhǎng)度72m,通風(fēng)量可達(dá)3600m3/m/h，可很好的滿足風(fēng)量要求。
4.結(jié)束語(yǔ)
本文介紹了建筑中自然通風(fēng)技術(shù)的作用原理，指出了自然通風(fēng)的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。但在實(shí)際工程中，建筑所在位置通常無(wú)法滿足文中所述條件要求，特別是自然通風(fēng)環(huán)境噪音水平和空氣污染物濃度的控制要求，更是成為自然通風(fēng)技術(shù)應(yīng)用的主要障礙。所以采用自然通風(fēng)技術(shù)的建筑設(shè)計(jì)前提應(yīng)該是如何在現(xiàn)有的城市環(huán)境條件下，營(yíng)造良好的應(yīng)用環(huán)境。本文給出實(shí)例說(shuō)明自然通風(fēng)這項(xiàng)傳統(tǒng)的技術(shù)要與建筑所處地域的自然地理氣候特征相適應(yīng)，目的在于倡導(dǎo)在地域建筑尤其是火車(chē)站等大型公共建筑的設(shè)計(jì)中對(duì)自然通風(fēng)傳統(tǒng)技術(shù)的重視。

參考文獻(xiàn)
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[2]郝永全 吳建偉 談建筑中自然通風(fēng)技術(shù)的作用原理 應(yīng)用能源技術(shù) 2010.7

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