内廊式建筑热压诱导通风模式的研究

摘要：指出了基于热压通风原理的被动式诱导通风是一种有效的绿色建筑节能策略，分析了常规热压通风应用模式及存在的问题，在此基础上，针对内廊式建筑的特征及气候适用性，提出了一种具有生态效能的热压诱导自然通风模式，探讨了该通风模式的工作原理、应用特性，并说明了其节能设计上的可行性。此结果为深入研究和应用热压自然通风新技术提供一定的思路。

关键词：热压；低碳节能；诱导效应；内廊式建筑；被动通风

中图分类号： TU834.1

文献标识码： A 文章编号： 16749944（2015）06027803

1 引言

现在建筑较多采用密闭设计和集中的空调通风系统，恶化了室内空气质量，也大幅增加了建筑能耗，同时无法满足人们回归自然的心理需求[1，2]。自然通风作为一项比较成熟而廉价的技术，它具有节能环保、改善室内空气品质等突出优点，体现了可持续发展的理念。建筑中的被动式自然通风可以分为风压通风和热压通风两种模式，由于风压通风的不确定因素较多，无法真正实现应用风压作用来设计组织自然通风[3]。而热压通风以其对大进深建筑的有效性、可控制性广受人们的关注[4]。

另一方面，近年来因受到住房面积标准、节省土地等因素的影响，内廊式住宅、宿舍、公共租赁房、公寓的比例逐年增加。这类建筑的特点是中间有一条公共走廊，住宅布置在走廊两侧，各户毗邻排列，可分为长内廊与短内廊，长内廊视住房多少，可设一个或两个楼梯（电梯）于内廊中部或两端，短内廊仅在一端设梯。由于内廊式建筑的各户只有一个朝向，无法通过开门开窗组织有效的穿堂风，因此这类建筑的房间通风效果普遍较差，特别是在夏季气候炎热潮湿的地区，加上室内不同区域的热量不均而又无法顺利流通，导致室内闷热难耐。

因此，针对内廊式这类建筑进行绿色生态设计，即如何在低成本的条件下利用热压通风模式来提高室内舒适性及节能能源，对建筑业实现可持续发展战略有着特别重要的意义。文章针对常规热压通风模式的一些问题，提出了一种新的热压诱导通风模式，探讨了该通风模式的工作过程特点、控制策略和管道安装要点，得出的结论为进一步研究和应用热压通风新技术提供一定的理论基础。

2 常规热压通风模式

热压通风是利用室内外温度不同引起空气密度差异所形成的“烟囱效应”或“被动式拔风效应”——来实现建筑的自然通风换气，如图1所示，室内外温差和进、出风口的高差越大，则热压作用越明显。传统的蒙古包“天窗”拔风，现代的英国卡斯廷的BRE办公建筑[5]、柏林国会大厦改建工程等都是烟囱效应的优秀案例。

图1 多层建筑常规热压通风模式示意

2.1 常见的通风模式

2.1.1 夹层空间结构

夹层空间结构是利用夹层形成的空腔，上下设置通风口，在热压的作用下，增强夹层空间内的空气流动动力，是生态建筑中普遍采用的一项节能技术，被誉为“可呼吸的皮肤”。如特隆布（Trombe）墙、热通道玻璃幕墙、设置的防晒墙等都是利用热压效应，在辐射热的作用下，在空腔通道内形成自下而上的空气流动， 带走多余热量，对于夏季工况建筑节能具有重要意义[6]。

2.1.2 太阳能烟囱通风

太阳能烟囱是热压作用下强化自然通风压头和风量的一种设备，通过吸收太阳辐射热将热能转化为动能，为空气流动提供浮升力[7]。太阳能烟囱通风系统通过合理的通风设计和气流组织，在增加很少土建或安装成本的情况下可以有效地降低室温、提高房间舒适度，同时大幅度减少空调运行费用，降低用电负荷。

2.1.3 阳光中庭

利用建筑竖井式共享空间的烟囱效应增加室内的通风能力，现代的中庭在顶部大多安装有可调节的顶棚，可根据需要来控制进入内的光线强度和调节室内的换气量，还兼具景观的作用。中庭的主要功能在寒冷地区起着暖房的作用，在炎热地区用来通风降温[8]。

2.1.4 楼梯间竖向贯通空间

建筑中的楼梯间所形成的竖向贯通空间，结合楼梯间顶部的通风构造措施，就可以比较容易地形成拔风烟囱的效用。利用楼梯间的竖向空腔来实现热压通风具有较好的实用性和普遍性。

2.1.5 架空屋面

屋顶除了利用天窗、烟囱、风斗等构造为气流提供进出口外，本身也可以成为一个独立的通风系统[9]。在屋面上用支撑构件进行架空形成一个空气间层，夏季利用热压通风的原理使气流在间层中流动，以降低屋顶内表面的温度。

2.1.6 管式居住模式

管式住宅就是一种狭长形状的住宅模式，其进深长度是开间的数倍，并且内部多有跃层出现。管式居住模式的设计在剖面上体现为加大了室内的竖向流通空间，且由于室内不同区域使用功能的不同，会有不同的区域温度，贯穿跃层空间的开场楼梯间和部分起居室形成烟囱效应，利用热压通风的原理加快室内空气流动，以此起到一定的降低室温的作用。管式户型的排列式设计使不同户型拥有平等的空间资源，该通风模式在我国夏季炎热潮湿的西南地区已有应用。

2.2 存在的问题

由前述分析可知，多层建筑在具体应用上述常规热压通风模式时，由于热压排风竖井中和面的存在，使得下层住户排出的潮热污浊气体会倒灌进入上层住户，通常的做法是在排风管道上加设辅助引风设备或是防倒灌止逆阀等措施，这不但增加了投资费用，也加大了控制难度，此外，对于普通多层住宅楼房（特别是一梯多户短内廊式多层住宅）而言，采用中庭、双层皮幕墙等通风模式也显得不切实际。为此，笔者思考，借鉴墙中埋管[10]和住宅厨房竖向排烟道[11]的思路， 提出一种适合于多层内廊式建筑的热压诱导通风设计模式。

3 热压诱导通风模式

3.1 工作原理

如图2所示，在建筑非承重墙体中布置上下贯通的主排风管道连接各层房间的排气口。当房间内的空气温度比室外高时，热压作用使得下层住户房间内的浊热空气通过排气口进入主排风管道向上流动，将135℃弯管一端的喇叭出口淹没在上升的热压气流中。由于空气流动的管道截面积逐渐缩小，在一定的空气流量下，喇叭出口附近的空气流速加快，在此处会形成负压抽吸力，促使该房间内的空气顺利从排气口排出。此外，在伸出屋面的一段主排风管道外壁上贴敷太阳能集热膜，吸收太阳辐射能增大管内外温度差，从而强化热压作用下的自然通风效率。而主排风管道出口处的自力式排风帽在风力的作用下转动也会形成负压，促进主排风管道内的空气向上流动排出，可有效防止各层住户室内空气的污染倒灌。

3.2 特性分析

应用热压诱导自然通风模式时，要想有效地诱导室内气流进入主排风管道，必须使得在墙体开孔洞处的管内静压低于室内静压[9]。根据气流伯努利方程可知，静压的降低是由动压的增大转换来的，即在理论上可以通过管道截面收缩来实现气流的“诱导效应”。

设计时主要以门窗孔洞作为进气口，要注意门窗的尺寸（窗墙面积比）、形式（中悬窗、竖转窗或平开窗等）、开启方式（窗扇角度）和相对位置对室内空气流动路线的影响。除必要的房间（如浴厕、厨房等）需要进行机械通风外，其它房间（如客厅、卧室等）均可通过合理规划布局，单以热压引射作用可以保证整个房间不留死角，气流均匀且无吹风感，达到室内人员舒适又节省能源的目的。

3.3 控制策略

在具体应用中，要注重增强热压抽吸力，一方面通过对拔风竖井、屋顶等建筑构件的合理设计，人为提高通风开口间的有效高度差；另一方面最大限度利用风能、太阳能等自然资源强化自然通风效果，如在屋面安装太阳能空气集热器[12]或者在排气管出口安装有导向叶片的风帽等风压通风设备，如图3所示。

图3 无动力排风帽示意图和实物图

还要注意尽可能减小系统的排气阻力，阻力越小越有利于系统阻力平衡，越利于降低气流噪声，从而避免产生的强烈紊流会在各层吸气口处产生令人不安的啸叫。另外，自然通风受到室外气候、建筑周围环境及建筑内部布局等因素的影响，如何在动态变化过程中保证建筑的换气量与热舒适性，良好的控制系统是关键，可确保浊热空气在房间顶部顺畅可以排出去，又能把凉爽的新鲜空气从底部引进来，这样空间内的热量分层也能给室内空气流动提供一定的驱动力。

此外，要注重夏季夜间强化自然通风的策略[13]。该策略实质上是一种间歇式的通风方式，即在炎热的白天限制通风，夜间强化热压自然通风进行散热散湿。在夏季早晚温度较低时段及过渡季节，直接打开门窗进行自然换气无疑是最佳的通风方式。

4 排风管道的安装

集中排风管道的构造形式和安装施工质量是影响排风效果的重要因素。排风管道原则上可用多种材质施工，实际使用时尽量选用经久耐用（耐高温、耐腐蚀、防潮、防变性）又经济易加工的材料。安装过程关键是要和土建结构配合好，不能影响和破坏建筑物的主体结构，这就要求严格控制排风管道的安装施工质量。因为排风管道和建筑结构复合在一起，是整体建筑的一部分，一旦房屋交付使用，如果排风管道内出现质量问题将很难排除。所以要有专业的施工队完成，否则，不但达不到预期设计效果，还会使整个排风系统报废。

为了降低排风管道的阻力和施工安装难度，可以使用预制管道，根据设计要求可制作成多种形式（当内墙体较薄时，可制作椭圆形、长方形风道等），这种情况下要在墙体上先预留孔洞再进行管道的安装。安装时要保证排风管道竖直且稳固，管道内表面光滑，吸气口和竖向管道连接紧密且呈流线型。在风管系统安装完毕后，应按要求进行气密性检验以及伸出屋顶的一段竖直风管道要求保温良好。需注意的是，严禁在承重墙体中使用这种结构。

5 结论

（1）热压诱导通风模式通过改变管道的截面积来控制气流速度和负压抽吸力，解决了气流交叉污染倒灌的问题。该模式适用于夏季湿热地区，在多层内廊式建筑的集中排风系统中有着广阔的应用前景。

（2）热压诱导通风模式作为一种全新的自然通风模式，注重与建筑整体设计的结合，节能经济、新颖实用，为今后深入研究热压通风新技术提供了一定的思路和参考。

参考文献：

[1] 李 楠，李百战，沈 艳，等.住宅建筑自然通风对室内热环境的影响[J].重庆大学学报，2009，32（7）：736～742.

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[3]陆亚俊，马最良，邹平华.暖通空调[M].2版.北京：中国建筑工业出版社，2007：11，221.

[4]Gladstone C，Woods AW.On buoyancy-driven natural ventilation of room with a heated floor[J].Journal of Fluid Mechanics，2001（441）：293～314.

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[11]张卫国，关 宏，路永军.住宅排烟道烟气倒灌与串味的原因分析[J].建筑工人，2008（5）：40～43.

[12]瞿晓强，王如竹.太阳能强化自然通风理论分析及其在生态建筑中的应用[J].工程热物理学报，2004，25（4）：568～570.

[13]陈兆辉，王万江，樊 辉.住宅建筑夏季自然通风方式下热环境分析[J].住宅科技，2007（1）：27～30.

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