自然通风的三大作用及注意事项

自然通风是一项古老的技术，与复杂、耗能的空调技术相比，自然通风是能够适应气候的一项廉价而成熟的技术措施。通常认为，自然通风具有三大主要作用，即提供新鲜空气；生理降温；释放建筑结构中储存的热量。

1.自然通风的概念

建筑自然通风是由于建筑物的开口处（门、窗等）存在压力差而产生的空气流动。按压力差产生的机理不同，建筑自然通风可以分为风压通风和热压通风两种方式。

（1）风压通风。当风吹向建筑正面时，因受到建筑物表面的阻挡而在迎风面产生正压区，气流偏转后绕过建筑物的各侧面和屋面，在这些正面及背面产生负压区，通风就是利用建筑迎风面和背风面产生的压力差来实现建筑物的自然通风，通常所说的“穿堂风”就是风压通风的典型范例。

式中　p——风压（Pa）；

v——风速（m/s）；

ρe——室外空气密度（kg/m3）；

g——重力加速度（m/s2）；

K——空气动力系数。

建筑中要有良好的自然通风，就要有较大的风压。由式（6-1）可以看出，有较大的风压就要有较大的风速和室外空气密度，而室外空气密度与室外环境的空气温度和湿度密切相关，因此，影响风压通风的气候因素包括空气温度、相对湿度、空气流速。另外，影响风压通风效果的因素还有建筑物进出风口的开口面积、开口位置及风向和开口的夹角。当正压区的开口与主导风向垂直时，开口面积越大，通风量就越大。

（2）热压通风。由于自然风的不稳定性或周围高大建筑、植被的影响，许多情况下在建筑周围不能形成足够的风压，这时，就要考虑采用热压通风原理来加速通风。热压通风的原理为热空气上升，从建筑上部的排风口排出，室外新鲜的冷空气从建筑底部的进风口进入室内，从而在室内形成不间断的气流运动，即利用室内外空气温差所导致的空气密度差和进、出风口的高度差来实现通风。热压通风即通常所讲的“烟囱效应”，热压的计算公式为

式中　Δp——热压（Pa）；

h——进、出风口中心线间的垂直距离（m）；

ρi——室内空气密度（kg/m3）。

由式（6-2）可知，影响热压通风效果的主要因素为进出风口的高度差、风口的大小及室内外空气温度差。

风压通风和热压通风这两种自然通风方式往往互为补充、密不可分。在实际情况下，风压与热压同时存在、共同作用。这两种作用有时相互加强，有时相互抵消。目前，还没有探明风压和热压综合作用下的自然通风的机理。一般来说，建筑进深小的部位多利用风压通风来直接通风；而进深较大的部位多利用热压通风来达到通风的效果。

2.自然通风的降温效果

建筑利用自然通风达到被动式降温的目标主要有以下两种方式：

（1）直接的生理作用，即降低人体自身的温度和减少因皮肤潮湿而带来的不舒适感。通过开窗将室外风引入室内，提高室内空气流速，增加人体与周围空气的对流换热和人体表面皮肤的水分蒸发速度，增加人体因对流换热和皮肤表面水分蒸发所消耗的热量，这样就加强了人体散热，从而达到降低人体温度、提高人体热舒适度的目的，此种自然通风可称为“舒适自然通风”，其降温效果主要体现在人体热舒适的改善方面。研究结果表明，房间利用自然通风进行被动式降温时可以提高空调的设定温度，但同时使人体达到同等甚至更高的热舒适度，从而大大减少了空调的开启时间，降低了建筑的夏季空调能耗。这就提供了一种新的空调节能运行模式，即自然通风＋机械调风＋空气调节。

（2）间接的作用，通过降低围护结构的温度，起到对室内降温的作用。利用室内外的昼夜温差，白天紧闭门窗，以阻挡室外高温空气进入室内加热室温。同时，依靠建筑围护结构自身的热惰性，使室温维持在较低的水平，夜间打开窗户，将室外低温空气引入室内，降低室内空气温度，同时加速围护结构的冷却，为下一个白天储存冷量，这种自然通风可称为夜间通风。各种住宅夜间通风的降温效果见表6-10。(www.xing528.com)

表6-10　各种住宅夜间通风的降温效果

由表6-10可以看出，夜间通风的效果十分明显，可以有效改善通风房间的热环境状况。

3.自然通风的设计方法

（1）主导风向原则。为了组织好房间的自然通风，在建筑朝向上，应使房屋纵轴尽量垂直于建筑所在地区的夏季主导风向。如在夏季，我国南方在建筑热工设计上有防热要求的地区（夏热冬暖地区和夏热冬冷地区）的主导风向都是南、偏南或东南。因此，这些地区的传统建筑多为“坐北朝南”，即房屋的主要朝向多朝向南或偏南。从防辐射角度来看，也应将建筑物布置在偏南方向。

（2）窗的可开启面积比例。对于窗的可开启面积对室内通风状况的影响，首先要了解建筑物开口大小对房间自然通风的影响。

建筑物的开口面积是指对外敞开部分而言。对一个房间来说，只有门窗是开口部分。从表6-11中可以看出，如果进出风口的面积相等，开口越大，流场分布的范围就越大、越均匀，通风状况也越好；开口越小，虽然风速相对加大了，但流场分布的范围却缩小了。据测定，当开口宽度为开间宽度的1/3～2/3，开口的大小为地板面积的15％～25％时，室内通风效果最佳；当比值超过25％时，空气流动基本上不受进、出风口面积的影响。

表6-11　进、出风口比例不同对室内通风状况的影响

需要注意的是，建筑的开口面积也不宜过大，否则会增大夏季进入室内的太阳辐射量，增加冬季的热损失。

在实际建筑中，建筑的开口面积应该为建筑窗户的可开启面积，因而，需要对窗户的可开启面积比例加以严格控制，使其既能满足房间的自然通风的需要，又不至于造成建筑能耗的增加。对于夏热冬冷地区和夏热冬暖地区，尤其要注意控制窗户的可开启面积，否则，过小的窗户可开启比例会严重影响房间的自然通风效果。近年来，为了片面追求建筑立面的简约设计风格，外窗的可开启比例呈现逐渐下降的趋势，有的甚至不足25％，导致房间自然通风量不足，室内热量无法散出，居住者被迫选择开启空调降温，从而增加了建筑物的能耗。在设计过程中，可以参照国家标准《公共建筑节能设计标准》（GB 50189—2015）和《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》（JGJ 75—2012）中对于窗户可开启面积比例的相关规定，来控制外窗的可开启面积，以真正实现自然通风的节能效果。

自然通风是在压差推动下的空气流动。根据压差形成机理的不同，可以分为风压作用下的自然通风和热压作用下的自然通风。

1）风压作用下的自然通风的形成过程：当有风从单侧吹向建筑时，建筑的迎风面将受到空气的推动作用形成正压区，推动空气从该侧进入建筑；而建筑的背风面，由于受到空气绕流影响形成负压区，因此吸引建筑内空气从该侧的出口流出，这样就形成了持续不断的空气流，成为风压作用下的自然通风。

2）热压作用下的自然通风的形成过程：当室内存在热源时，室内空气将被加热，密度降低，并且向上浮动，造成建筑内上部空气压力比建筑外的空气压力大，导致室内空气向外流动；同时，在建筑内下部，不断有空气流入，以填补上部流出的空气所让出的空间，这样形成的持续不断的空气流，就是热压作用下的自然通风。

根据进出口位置，自然通风可以分为单侧的自然通风和双侧的自然通风。

4.自然通风的使用条件

（1）室内得热量的限制。应用自然通风的前提是室外空气温度比室内的高，通过室内空气的通风换气，将室外风引入室内，降低室内空气的温度。很显然，室内、外空气温差越大，通风降温的效果越好。对于一般的依靠空调系统降温的建筑而言，应用自然通风系统可以在适当时间降低空调运行负荷，典型的如空调系统在过渡季节的全新风运行。对于完全依靠自然通风系统进行降温的建筑，其使用效果则取决于很多因素，建筑的得热量是其中的一个重要因素，得热量越大，通过降温达到室内舒适要求的可能性越小。研究结果表明，完全依靠自然通风降温的建筑，其室内的得热量最好不要超过40W/m2。

（2）建筑环境的要求。采取自然通风降温措施后，建筑室内环境在很大程度上依靠室外环境进行调节，除空气的温湿度参数外，室内的噪声控制也将被室外环境所破坏。根据目前的一些标准要求，采用自然通风的建筑，其建筑外的噪声不应超过70dB；尤其在窗户开启时，应保证室内周边地带的噪声不超过55dB。同时，自然通风进风口的室外空气质量应满足有关卫生要求。

（3）建筑条件的限制。应用自然通风的建筑，在建筑设计上应参考以上两点要求，充分发挥自然通风的优势。具体的建议见表6-12。

表6-12　使用自然通风时的建筑条件

（4）室外空气湿度的影响。应用自然通风可以对室内空气进行降温，却不能调节或控制室内空气的湿度，因此，自然通风一般不能在非常潮湿的地区采用。