上海市建筑科学研究院有限公司
摘 要 以在建的生态建筑示范楼为对象，对自然通风技术在生态建筑中的应用进行了分析。通过数值模拟，计算了在设置排风烟囱时不同的烟囱高度对自然通风的影响以及比较了改烟囱为屋顶大面积排风口后不同的自然通风效果。通过分析得出，与设置专门排风烟囱以加强自然通风的做法相比，采取保证生态建筑足够的排风口面积和开窗面积能够对加强自然通风起到更加明显的效果。
关键字 生态建筑；自然通风；数值模拟
1 引言
上海经过10 年的高速发展，人均GDP 已达4500 美元。人民居住水平亦有了显著的改善。到2001 年上海人均居住面积已达12.4 平方米，比十年前增加了85％，较成功地解决了住房困难问题。随着人民群众对生活质量需求的不断提高，城市建设面临生态转型。上海市政府已规划用5 个3 年的时间实现生态城市的建设目标。在此背景下，近年来生态建筑方面的研究逐渐得到了各方面的重视。
近十年来，不少发达国家根据各自的特点，已在生态建筑方面进行了不少的研究和实践，提出了很多建设生态建筑的技术措施。由于采用自然通风不仅可以改善室内空气品质、提高环境舒适性，而且可以缩短空调系统的运行时间，减少空调能耗，所以在已建设成的生态建筑中，人们对自然通风的应用已经做了很多尝试。但是自然通风技术往往也和生态建筑所在地的气候、建筑形状等息息相关。本文将结合上海市建筑科学研究院有限公司在莘庄建设的生态建筑示范楼，对自然通风在该生态建筑中的应用进行分析。
2 研究对象和主要问题
本文所分析的在建生态建筑示范楼总建筑面积约2000 平方米，为一座南面二层半、北面三层的斜屋面建筑，内部主要为办公房间，其中建筑东半部和西半部各有一个中庭。设计之初，参考了国外一些已建成的生态建筑组织自然通风的设计方法，初步方案为在将建的生态建筑的北屋顶设置5 个排风烟囱（如图1），希望通过这些烟囱对自然通风起到明显的强化作用。
图1 生态建筑示范楼的初始设计
但是设计之初我们对这些烟囱是否必要；如果必要，需要设计多高；对自然通风能起到多大的强化作用并不清楚；为此，下面本文将主要针对这些问题进行分析。
3 主要分析方法及主要结果
自然通风的推动力有风压和热压，已经通过分析发现，在当地的室外主导风向下，通过风压作用，本生态建筑能达到比较好的自然通风效果。本文主要对热压作用下的自然通风进行考虑。
在下面的分析中，考虑室内温度30℃（作为自然通风条件下人体维持舒适条件可以接受的最高温度），室外温度28℃，以室内外2℃温差时造成的热压作为自然通风的推动力。利用区域模型（zone model）和流体网络理论，分别对两种情况下整个生态楼各房间的自然通风情况进行模拟分析：不同的烟囱高度对自然通风的影响；将烟囱改为大面积的排风口，比较两者的自然通风效果。
下面分别介绍相关的计算结果。
3.1 不同烟囱高度对通风的影响
考虑生态建筑外窗有效通风面积1.7 m2，内窗有效通风面积1 m2，所有内、外窗全开。生态建筑设计5 个自然通风用的烟囱，每个烟囱的断面尺寸0.64m2，生态建筑典型区域在烟囱高度分别设计为0 米、5 米、10 米时不同的自然通风效果如表1。
从表1 的计算结果可以看出，和排风烟囱的设计初衷相反，设计5 个高出屋顶的排风烟囱对强化自然通风的效果并不明显。即使设计5 个高出屋顶10 米的烟囱，东、西中庭和一层的演示室、104 等典型房间的自然通风量仅比烟囱高度为0 米时（即只在屋顶开同样断面积的5 个排风口）多5％左右。
这主要是因为屋顶本身高度有近17 米，设计高出屋顶10 米的烟囱并不能成倍地增加空气热压，同时流量只近似和热压的0.5 次方成正比关系，所以即使设计很高的烟囱也并不能对自然通风起明显的强化作用。
最后，表1 中随着烟囱高度的增加，第二层房间（203）和第三层房间（304）的自然通风效果反而恶化，主要是原来整个建筑自然通风的中和面在第二层房间的窗户以下，随着烟囱高度的增加，中和面上升导致二、三层房间的通风效果反而恶化。
3.2 不同的屋顶排风口面积对自然通风的影响
生态建筑外窗有效通风面积1.7 m2，内窗有效通风面积1 m2，所有内、外窗全开的条件不变，取消初始设计中高出屋顶的5 个0.64m2 排风烟囱，但增大屋顶的排风口面积，在北屋顶设计一条长34 米，宽0.5 米，断面积为17 平方米的大面积排风口。同样设定室外28℃，室内30℃时生态建筑各典型区域的自然通风效果和前面设计5 个5 米高的烟囱时相比的结果如表2。
从表2 可以看出，在屋顶设计大面积排风口后，生态楼的自然通风效果与原来设计5 米高的排风烟囱时相比有了非常大的提高。例如东中庭的自然通风量增大了近25％，而西中庭的自然通风量增大了近60％。
3.3 主要结果
从上面的分析可以得出如下结论：在强化生态建筑自然通风的效果上，用增大自然通风各通风口有效通风面积的方法要比设计烟囱或者增加烟囱高度等方法好得多。为此，在将建的生态建筑中，对原设计进行了修改，取消了初始设计中的5 个排风烟囱，而在北面屋顶设计了一个17 平方米的大面积排风口以强化自然通风。修改后最后的建筑如图2 所示。
图2 最终的生态建筑示意图
最后，利用区域模型（zone model）和流体网络理论，同样可以对建筑的内、外窗应该设计多大合适；办公室外窗的开、关将对本建筑最重要的区域东、西中庭的自然通风效果产生多大影响等问题做类似的分析，在此不再做进一步讨论。
4 结论
通过对在建的生态建筑示范楼自然通风效果的分析，得出在生态建筑中照搬国外某些生态建筑的模样，通过设计专门排风烟囱以加强自然通风的做法并不可取，而保证生态建筑自然通风流向上足够的有效通风面积对强化自然通风更加有利。
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