窗式自然通风器在火车站站房通风工程中的应用
窗式自然通风器在火车站站房通风工程中的应用
高添顺
摘要：本文介绍了自然通风器的工作原理、特点及在火车站站房通风工程中的应用
关键词：自然通风 自然通风器 火车站
1前言
空调技术的产生和发展，人们可以一定程度上主动地控制自己的居住环境；随着空调的大量使用，使人们渐渐淡化了对自然通风的使用和重视。近年来，很多大型建筑为了追求视觉效果和建筑立面风格，外窗的可开启率有逐渐下降的趋势，有的外窗甚至完全封闭，这种情况下，人们为了满足舒适性的要求，只能大量使用空调设施；据统计在夏季用电高峰时期，空调用电负荷高达城镇总体用电负荷的 40%左右。
自然通风最大的特点是不消耗动力或消耗很少的动力，因而其首要优点是节能，并且占地面积小、投资少，运行费用低，其次是可以引入充足的新鲜空气保证室内的空气品质。合理的自然通风在降低公共建筑运行能耗，提高建筑内空气品质方面，起到至关重要的作用。公共建筑人员密集，室内热源较大，呼吸产生的二氧化碳等浓度较高，建筑室内空气流动，特别是自然、新鲜空气的流动，是保证建筑室内空气质量符合国家有关标准的关键。在这样的背景下，把自然通风技术重新引回建筑的通风设计当中，特别是大型公共建筑的通风设计中，有着重要的意义。
随着我国加大在铁路建设方面的投资，按照国务院批准实施的《中长期铁路网规划》和《铁路“十一五”规划》 ，“十一五”期间，中国将建设新线 1.7 万公里；同时，将新建和改造 548 座铁路旅客车站。火车站人员的高度集中，而且流动性大，公共卫生尤其重要；火车站利用自然通风实现室内环境的调节和保持室内公共卫生以及节能减排有着重要的意义。
2.自然通风器的原理、特点和使用条件
2.1自然通风器的工作原理
自然通风器是附加在门窗或幕墙用于通风位置上的装置，其作用是替代传统的开窗通风方式进行空气交换。在不用打开窗户的情况下通风换气，让室内的空气持续不断地循环，从而保证了室内空气的流通。与开窗通风相比，能降低室内热能损失，因不用动力（电动）驱控，即有节能优点；由于产品的科学设计结构和使用高质量的制作材料，不需要售后维修，与门窗同寿命；因不用打开窗户通风，所以保证了门窗使用的安全，又提高了整个建筑外观的美观。
自然通风器是根据自然环境造成的局部气压差和气体的扩散原理而产生空气交换的一种换气方式，其通风原理同自然通风。
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。
如果风在通道上遇到了障碍物，就会产生能量的转换。动压力转变为静压力，迎风面上产生正压(约为风速动压力的0.5-0.8倍)，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，如图1示。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。
热压是室内外空气的温度差引起的。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，如图2示。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。
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。
2.2自然通风器的特点
自然通风器（自然通风器通常有窗式和屋顶式，本文着重介绍窗式自然通风器，下文中“自然通风器”均指窗式自然通风器）由于不需要机械动力驱动，仅依靠室内外温差、风压等产生空气的压差实现通风，故可以实现完全意义上的能源节省。
自然通风器的工作原理使得其安装位置灵活，可安装于建筑物外围护结构（门窗、幕墙）上或墙体与门窗之间，可装在任何窗型和位置上，可以在窗框上，也可以在窗扇上，还可以作为窗台的一部分装在整个窗槛的下部；可以水平装，可以垂直装；可以装在玻璃的上部，也可以装在玻璃的下部。
自然通风器主要衡量技术指标有：外形尺寸、玻璃高度减少、可配玻厚度、开启面积、通风量、隔热量、消音量、清洗方式、开启方式、安全性等。
在选用自然通风器时，无论在安装、结构设计、材料选用等方面都应充分考虑到不同的使用环境，保证其安全性，可靠性。
2.3自然通风器的使用限制性条件
自然通风器依靠室内外温差、风压等产生空气的压差实现通风，故其应用受环境的限制。
2.3.1室内得热量的限制
当无风压时，应用自然通风的前提是室内外空气存在温差。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。
2.3.2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影响。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，这就间接限制了自然通风器的安装位置。
2.3.3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。此外，建筑物的空间结构布局与组合形式以及其周围环境等对自然通风均有较大影响。建筑物的地理位置及朝向对于如何引入季风以及决定理想的室内通风环境非常重要。在设计中应选址在有利的外部风环境中，使房间的纵轴垂直于夏季主导风向，设置中庭等尽可能组织“穿堂风”、利用“烟囱效应”等以获得良好的通风效果。建筑高度对自然通风也有很大的影响，高低建筑物交错地排列也有利于自然通风。建筑物的正压区和负压区都会延伸一段距离，其大小和建筑物的高度形状有关，在此距离内其他建筑的通风会受到影响。
2.3.4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。
3工程实例
下面以北方某火车站站房为例，介绍窗式自然通风器在上述大型公共建筑通风工程中的应用。
3.1建筑所在地环境、气候、位置
该火车站所在地属温带亚干旱气候，气候冬季温暖，夏季凉爽，有稳定的炎热期，最热7月，平均温度在22℃～23℃。全年主导风向及频率为C/E 22%/17%，夏季平均风速2.5m/s。车站地处开阔地带，周边无大型建筑，不存在对建筑风向和风速、采光和噪音等产生影响的障碍物。为了充分利用风压作用，自然通风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。但该车站受线路及城市规划布局影响，南北朝向布置，建筑门窗等未面对地区主导风向。
3.2建筑物内部布局
建筑的宽度直接影响自然通风的形式和效果，室内分隔的形式直接影响通风气流的组织和通风量。自然通风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%。通常，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。
该火车站平面及剖面示意图如图3示；剖面图中阴影部分为门、窗（外窗为玻璃幕，裙房每幅幕墙面积3.9*8.5m，候车厅为6*14.4m），门窗上均设有自然通风器，窗墙比约36%。该建筑候车大厅内设有候车前厅（中庭），有助于利用室内热负荷形成的热压，有效组织和加强自然通风。
3.3自然通风幕墙功能构造：
该车站外窗为幕墙，幕墙玻璃板顶底均安装嵌入式通风器，通风器长度与幕墙等宽，如图4示。通风方式为自然通风方式。
玻璃配置：幕墙见光玻璃采用8+12A+6+0.76pvb+6mmLow-e钢化中空玻璃，对整体幕墙隔热、能源效益和隔声方面有了很大提高。
3.4通风器选用
嵌入式通风器可实现连续通风，无噪音，并可按需要控制通风量，有防虫防尘功能，无需动力，开闭方式可手动控制或电动控制。
由伯努利方程可知，在风压或者热压的作用下，建筑物外墙上两侧存在压力差ΔP，当在外表面上开口，就会有空气流过开口。
ΔP=ξU2ρ/2
式中：ΔP—开口两侧的全压差，Pa；
U —空气流过开口时的流速，m/s；
ρ—空气的密度，kg/m3；
ξ—开口的局部阻力系数，无量纲。
设定按人均新风量≥20m3/h/人，人均新风量=20m3/h/人。自然通风幕墙在2帕的风压下空气流量可达50m3/m/h，以一幅6mx14.4m的幕墙为主例，通风器长度72m,通风量可达3600m3/m/h，可很好的满足风量要求。
4.结束语
本文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。但在实际工程中，建筑所在位置通常无法满足文中所述条件要求，特别是自然通风环境噪音水平和空气污染物浓度的控制要求，更是成为自然通风技术应用的主要障碍。所以采用自然通风技术的建筑设计前提应该是如何在现有的城市环境条件下，营造良好的应用环境。本文给出实例说明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，目的在于倡导在地域建筑尤其是火车站等大型公共建筑的设计中对自然通风传统技术的重视。
参考文献
[1]张晓瑞 自然通风在建筑设计中的探析 四川建筑 2009.6
[2]郝永全 吴建伟 谈建筑中自然通风技术的作用原理 应用能源技术 2010.7
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