北航自然辩证法论文
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[摘要]
本文首先介绍了建筑中自然通风技术的作用原理，指出了自然通风的经济效益和环境效益，进而论证了在建筑设计中如何实现自然通风，提出自然通风这项传统的技术要与建筑所处地域的自然地理气候特征相适应，并辅以实例分析了自然通风与地域气候的完美结合。旨在引起在地域建筑设计中对自然通风传统适宜技术的重视。
[关键词]
自然通风；原理；优势；地域建筑；设计
随着空调技术的不断发展，人们越来越能主动的控制室内环境，创造前所未有的室内舒适气候要求，从而使人们逐渐淡化对自然通风这种气候适宜性技术的应用。然而，在今天全球能源紧张、节能压力增大、空气品质（IAO）恶化以及建筑综合征（SBS）等发生的情况下，人们不得不从新审视自然通风这一传统的气候适宜性技术，自然通风这种古老而有效的技术在今天得到了前所未有的重视。空调的产生，使人们可以主动地控制居住环境，而不是象以往一样被动地适应自然；空调的大量使用，使人们渐渐淡化了对自然通风的应用。而在空调技术得以普及的今天，迫于节约能源、保持良好的室内空气品质的双重压力下，全球的科学家不得不重新审视自然通风这一传统技术。在这样的背景下，把自然通风这种传统建筑生态技术重新引回现代建筑中，有着比以往更为重要的意义。
一、自然通风技术的原理
通常意义上的自然通风指的是通过有目的的开口，产生空气流动。这种流动直接受建筑外表面的压力分布和不同开口特点的影响。压力分布是动力，而各开口的特点则决定了流动阻力。就自然通风而言，建筑物内空气运动主要有两个原因：风压以及室内外空气密度差。这两种因素可以单独起作用，也可以共同起作用。
1、风压作用下的自然通风
风的形成是由于大气中的压力差。如果风在通道上遇到了障碍物，如树和建筑物，就会产生能量的转换。动压力转变为静压力，于是迎风面上产生正压（约为风速动压力的0.5—0.8倍），而背风面上产生负压（约为风速动压力的0.3—0.4倍）。由于经过建筑物而出现的压力差促使空气从迎风面的窗缝和其他空隙流入室内，而室内空气则从背风面孔口排出，就形成了全面换气的风压自然通风。某一建筑物周围风压与该建筑的几何形状、建筑相对于风向的方位、风速和建筑周围的自然地形有关。
2、热压作用下的自然通风
热压是室内外空气的温度差引起的，这就是所谓的“烟囱效应”。由于温度差的存在，室内外密度差产生，沿着建筑物墙面的垂直方向出现压力梯度。如果室内温度高于室外，建筑物的上部将会有较高的压力，而下部存在较低的压力。当这些位置存在孔口时，空气通过较低的开口进入，从上部流出。如果，室内温度低于室外温度，气流方向相反。热压的大小取决于两个开口处的高度差和室内外的空气密度差。而在实际中，建筑师们多采用烟囱、通风塔、天井中庭等形式，为自然通风的利用提供有利的条件，使得建筑物能够具有良好的通风效果。
3、风压和热压共同作用下的.自然通风
在实际建筑中的自然通风是风压和热压共同作用的结果，只是各自的作用有强有弱。由于风压受到天气、室外风向、建筑物形状、周围环境等因素的影响，风压与热压共同作用时并不是简单的线性叠加。因此建筑师要充分考虑各种因素，使风压和热压作用相互补充，密切配合使用，实现建筑物的有效自然通风。
4、机械辅助式自然通风
在一些大型建筑中，由于通风路径较长，流动阻力较大，，单纯依靠自然风压与热压往往不足以实现自然通风。而对于空气污染和噪声污染比较严重的城市，直接的自然通风还会将室外污浊的空气和噪声带入室内，不利于人体健康。在这种情况下，常常采用一种机械辅助式的自然通风系统。该系统有一套完整的空气循环通道，辅以符合生态思想的空气处理手段（如土壤预冷、预热、深井水换热等），并借助一定的机械方式加速室内通风。
二、自然通风技术的优势
自然通风是当今建筑普遍采取的一项改革建筑热环境、节约空调能耗的技术，采用自然通风方式的根本目的就是取代（或部分取代）空调制冷系统。而这一取代过程有两点至关重要的意义：一是实现有效被动式制冷，当室外空气温湿度较低时自然通风可以在不消耗不可再生能源的情况下降低室内温度，带走潮湿气体，达到人体热舒适，即使室外空气温湿度超过舒适区，需要消耗能源进行降温降湿处理，也可以利用自然通风输送处理后的新风，而省去风机能耗，且无噪声。这有利于减少能耗、降低污染，符合可持续发展的思想。二是可以提供新鲜、清洁的自然空气（新风），有利于人的生理和心理健康。室内空气品质的低劣在很大程度上是由于缺少充足的新风。空调所造成的恒温环境也使得人体抵抗力下降，引发各种“空调病”。而自然通风可以排除室内污浊的空气，同时还有利于满足人和大自然交往的心理需求。
三、自然通风系统设计中的限制性条件
自然通风技术作为一种免费的技术，它的应用必然受到环境的限制。对于室外环境温、湿度比较温和的地区（如英国），该技术的应用非常成熟，下面基于他们的应用经验，介绍有关自然通风技术应用的限制性条件。
（一）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低，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。现在的研究结果表明，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。
（二）建筑环境的要求
应用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，除了空气的温、湿度参数外，室内的空气品质和噪音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，其建筑外的噪音不应该超过70dB；尤其在窗户开启的时候，应该保证室内周边地带的噪音不超过55dB。同时，自然通风进风口的室外空气质量应该满足有关卫生要求。
（三）建筑条件的限制
应用自然通风的建筑，在建筑设计上应该参考以上两点要求，充分发挥自然通风的优势。
1、建筑位置
周围是否有交通干道、铁路等一般认为，建筑的立面应该离开交通干道20米，以避免进风空气的污染或噪音干扰；或者，在设计通风系统时，将靠近交通干道的地方作为通风的排风侧。地区的主导风向与风速根据当地的主导风向与风速确定自然通风系统的设计，特别注意建筑是否处于周围污染空气的下游。周围环境由于城市环境与乡村环境不同，对建筑通风系统的影响也不同，特别是建筑周围的其它建筑或障碍物将影响建筑周围的风向和风速、采光和噪音等。
2、建筑形状
形状建筑的宽度直接影响自然通风的形式和效果。建筑宽度不超过10米的建筑可以使用单侧通风方法；宽度不超过15米的建筑可以使用双侧通风方法；否则，将需要其它辅助措施，例如烟囱结构或机械通风与自然通风的混合模式等。建筑朝向为了充分利用风压作用，系统的进风口应该面对建筑周围的主导风向。同时建筑的朝向还涉及减少得热措施的选择。开窗面积系统进风侧外墙的窗墙比应该兼顾自然采光和日射得热的控制，一般为30%—50%。建筑结构形式建筑结构可以是轻型、中型或重型结构。对于中型或重型结构，由于其热惰性比较大，可以结合晚间通风等技术措施改善自然通风系统的运行效果。
3、建筑内部设计
层高比较大的层高有助于利用室内热负荷形成的热压，加强自然通风。室内分隔的形式直接影响通风气流的组织和通风量。建筑内竖直通道或风管可以利用竖直通道产生的烟囱效应有效组织自然通风
4、室内人员
室内人员密度和设备、照明得热的影响对于建筑得热超过40W/m2的建筑，可以根据建筑内热源的种类和分布情况，在适当的区域分别设置自然通风系统和机械制冷系统。工作时间工作时间将影响其它辅助技术的选择（如晚间通风系统）。
（四）室外空气湿度的影响
应用自然通风对降低室内空气温度效果明显，但对调节或控制室内空气的湿度，效果甚微。因此，自然通风措施一般不能在非常潮湿的地区使用。
四、建筑中的自然通风考虑因素
自然通风技术在运用的过程中，要充分结合当地气候、环境条件，采取相适应的技术措施，才能保证自然通风达到良好的生态效能。自然通风在考虑普通的诸如气候、建筑朝向、室外绿化、通风构造细部等要素的影响外，越来越多的考虑以下两点要素：
①太阳能强化自然通风。太阳能强化自然通风的建筑构件主要有屋面太阳能烟囱、Trombe墙以及与建筑一体化安装的太阳能空气集热器。为了在夏季达到更好的冷却效果，通常将这些作法与其他建筑构件复合成一个有组织的自然通风系统；
②计算机模拟自然通风。计算机模拟技术，特别是计算立体力学（CFD）对自通通风设计有着非常重要的作用，它利用连续性方程、动量方程、能量方程等控制方程对空气动力进行分析，然后利用计算机软件进行计算机模拟，得出可视化的直观效果，对建筑师设计出合理的建筑风环境提供了重要的参考。因此，随着计算机模拟技术的不断发展，计算机模拟对自然通风的设计无疑会产生巨大的推动作用。
总之，自然通风技术作为一种与气候相适宜的生态技术，在实际运用的过程中，应该结合太阳能、建筑材料、自然采光、地下蓄冷蓄热、自动控制等技术，并运用计算机模拟技术，对实际的案例进行分析，定量的对其进行深入的研究。相信随着生态、可持续发展理念的不断发展，自然通风这种廉价、健康的通风方式将会越来越多地被利用。
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8.论文致谢