地下建筑自然通风设计研究
2010-9-25 17:43来源于网络【大中小】【打印】【我要纠错】
地下空间作为城市空间的一个整体，在城市发展的过程中起到越来越重要的作用，但是它相比于地面建筑也有其先天不足的方面。空气环境是困扰地下建筑发展的一个难题。为了改善地下建筑室内空气环境，大多采用机械通风的方式，这将使整个地下建筑中的运行能耗费用大幅度提高。在提倡可持续发展和生态建筑的今天，地下建筑的生态化和绿色化成为一个不可回避的话题。文章从地下建筑的自然通风可能性方面进行探讨，并充分借鉴地面建筑生态化方面的研究成果，提出相应的解决方案，研究形成一套地下建筑生态化自然通风的基本模式的可能性。
1、地下建筑的室内空气环境现状
随着城市化进程的不断加速，地下空间的开发已经成为城市发展的一个重要环节，人们越来越认识到地下空间在改善城市环境，提高土地利用率方面的重要意义，地下建筑也从原来的仅仅为了战备需要的单一功能，转变为具有多种功能的建筑形式。从商业建筑、公共建筑、交通建筑到办公建筑，体育建筑，甚至居住建筑，地下建筑正在满足越来越多的社会功能。随着地下建筑的日益增多，功能日趋复杂，它已经不再是地面建筑的附属，而是以一种更为独立的姿态呈现在人们面前。
但是由于地下建筑的环境密闭、通风差的先天不足、以及地下建筑功能的日益复杂的客观现实决定了地下建筑的空气环境质量不容乐观，这已成为人们在地下环境活动中影响舒适度主要方面。地下建筑空气环境的污染物主要有以下几部分组成:可吸入颗粒物是指粒径小于10μm并由空气挟代的固体和液体的颗粒物。由于地下建筑相对地面建筑封闭，因此从室外进入的可吸入颗粒物比例较小，其主要是由人们的室内活动而产生的，如行走尘、衣服尘及烟雾，也有特殊环境中引起的尘埃，如地铁车站含铁粉的浓度较高。
一氧化碳和二氧化碳。地下建筑的二氧化碳的主要来源于人，一个成年人在安静状态下一昼夜呼出的二氧化碳约为20L。在正常情况下二氧化碳是无毒的，但是达到一定浓度时人就会有不适感，由于地下环境的特殊性，我国提出地下环境中二氧化碳建议标准为%—%，最高不超过%。地下建筑中一氧化碳的主要来源于吸烟，一支香烟所释放出一氧化碳为主流烟气为20mg、二次烟气为80mg。另外厨房和柴油发电机也是一氧化碳的来源之一。由于汽车尾气中含有较高浓度的一氧化碳，因此地下停车库中一氧化碳的浓度较高，日本的停车场法规规定一氧化碳的浓度不超过%。
甲醛（HCHO）。由于多数的地下建筑被用于商业及公共目的，使得大量的室内装修必不可少，因此空气中产生了许多的甲醛污染物，其对人体健康的主要影响是嗅到异味、刺激眼和呼吸
道粘膜、产生变态反应等。挥发性有机物（VOCS）是指在常温下饱和蒸汽压力大于70Pa、常压下沸点在260℃以内的有机化合物，其主要来源于装饰材料，涂料等，对人体的健康效应主要为刺激作用，尤其是对眼、鼻、咽喉及面部、头和颈部皮肤。
生物性污染物是室内三大污染物之一。由于地下建筑空气流动性差，密闭性强，环境潮湿使得传染病得以传播，随着2003年非典疫情的发生，我国对这方面有了更高的重视和要求。
氡是一种由镭衰变而来的惰性气体，主要存在于岩石和土壤中，也是地下环境中特有的比较突出的空气污染物。一般来说氡主要在3m以内的土壤中散发，其中1m之内的土壤中散发的比例占50%左右。氡是诱发肺癌的主要原因之一，美国对氡及其子体含量的标准最大值为，学校及住宅为。实验证明地下建筑与通风相结合能有效降低氡的浓度，一般来说通风量加大一倍，大致能使氡气浓度降低50%，氡子体浓度减少75%。
2、地下建筑的通风需要以及自然通风设计的现实意义
人在封闭性强，空气环境差的建筑物中会出现不适、过敏等症状，通常我们称之为病态建筑综合症（SBS），将产生此类症状的建筑称为病态建筑，经过证明病态建筑主要是由室内空气污染所引起的。
根据1987年美国国家职业安全与卫生研究所所作的调查，通风与空气质量密切联系。并且根据对室内环境污染做了大量的
研究，于1996年制定了新的通风标准ASHRAE Standard 62 —1989R，即：Gf ，min = Gp P + GbA其中Gf ，min是最小新风量，Gp为每人所需通风量，P是室内人数，Gb是单位建筑面积所需的新风量，A为所需新风面积。我国对各种室内环境的通风量及通风次数作了规定，同时人防规范也规定了地下建筑在战时作为人防工程时的通风标准。由此可见，为解决地下建筑的空气质量问题，需要大量的通风。
为了稀释空气污染物，保持室内空气洁净，使得地下建筑的机械通风系统必须耗费大量的能量来维持所需的必要通风，由于客观原因相对于地面建筑，地下建筑在通风和照明上花费的能源要大许多，在过去地下建筑多为人防工程和仓库的情况下这种劣势并不明显，但是随着越来越多的人到地下建筑活动，这一点就越发地突出起来。在提倡可持续发展的今天，地下建筑如何通过自然通风的方式来节能，是一个当务之急需要研究的问题。根据实验证明地下建筑在夜间和部分季节实现自然通风是完全可行的，另外通过机械通风和科学设计的可控制自然通风系统相结合也能够达到良好的节能效果。现在我国电能中大约15%是空调耗能，其中新风耗能占空调耗能的25%—38%，在地下建筑中这个比例会更高，举个例子，一座两层6000多m2的人防工程，其中负一层平常使用，其通风除湿机械的功率约为148kw，一个月仅此一项电费就要上万元。过高的使用成本限制人们对地下建筑的
利用。所以进行通过采用自然通风的方式对地下建筑进行节能的研究刻不容缓。
3、地面建筑的自然通风设计对地下建筑的借鉴意义
在可持续性建筑中自然通风作为一种主要的节能方式，俨然成为其代名词，国外在可持续性建筑的研究中作了大量关于自然通风的研究，并进行了大量的实践，尽管绝大多数是地面建筑，但也有许多我们值得借鉴的经验和方法。
自然通风是指风压和热压作用下的空气运动，具体表现为通过墙体缝隙及窗体的空气流动。根据自然通风的形成原理，我们需要考虑建筑的朝向、方位、渗透性以及门窗的开启程度，并通过设置直通到顶的中庭（天井），特殊的进风和排风管，以及精心设计的风路来促进和控制建筑内部的自然通风。我们可以从这些研究和实际建筑，特别是大型商业、公共建筑的自然通风设计经验中取得借鉴。另外，一些特殊形式的地下建筑（窑洞、覆土住宅等）也有着成功利用自然通风的经验。
3. 1 通过设置通风烟囱和天井对大进深建筑进行自然通风
对于一个50m×50m见方的大进深楼层进行自然通风设计，从设计者模拟的实验证实，从建筑的一侧到另一侧传统的穿堂风设计是行不通的（地下商业综合体大多是这种大进深，且无法实现穿堂风式的建筑形式）。设计者把建筑（考文垂大学图书馆）分为四部分并且分别设置了四个通风天井进行送风，废气则通过
中庭和分设在建筑四周的排气烟囱排出，这是一个靠热力驱动的置换式的通风设计，通过减少了进气口与出气口之间的距离，以及良好通风细节的设计（例如为了防止顶层可能会出现的气流停滞的现象而另加的四个排气烟囱）而实现无需机械通风的可持续性通风设计。
3. 2 在不利于自然通风的前提下利用机械辅助实现自然通风
对建筑形式有特殊要求，不允许建设高耸的通风烟囱的建筑，使得单纯的依靠烟囱效应不能满足建筑的通风需要（特别是夏季），同时又对建筑形式有特殊的要求（密闭性、大进深等）而无法实现穿堂风，通常采用机械辅助的方式来实现自然通风（一些地下建筑建于城市中心，并且由于地面环境等原因而无法设计完全满足自然通风条件的排气烟囱）。为了达到通风效果，建筑师通过设计安装在天井顶部的冷气盘管使天井口部的空气冷却下沉进入天井内部，然后引入各个楼层，最后由建筑四周的排气烟囱排出，在排气口通过设置吸热盘管吸收太阳能以及机房的废热促进空气的流通。其烟囱的排气口通过设计平行的铝制半管来接受各个方向的来风，从而避免风产生空气滞流。
3. 3 自然通风与机械通风相结合
对于一些气候较差的地区（夏天炎热，冬天寒冷，昼夜温差大）的地区，因为无法满足人的热舒适性，因此不能完全利用自
然通风，但是在气候温和的季节以及夜晚则可以完全利用自然通风来达到节能目的，但是由于可能会有恶劣的天气（例如沙尘暴），所以建筑的自然通风必须是统一组织、可以调控的。在进风口设计空气净化设备，而在排风口设计能量回收装置，以利节能。实践证明可调控的混合式机械与自然通风相结合系统能够相当节能。
例如位于芝加哥的图书馆就是采用了这种两种通风形式相结合的方式，并采用了更具有明确目的性的空气传送，提高了通风效能。这些大型公共建筑相对地下建筑的共同点是都位于城市的热岛地区，都具有进深大、密闭性好、层数不多的特点，所以它们在自然通风设计中所取得成功经验对地下建筑的设计中有着重要的借鉴作用。
4、地下建筑自然通风系统的设计原则及方法的实施性研究
4. 1 传统地下建筑对自然通风的利用
随着空调设备的普及以及地下建筑的规模不断增大，以致绝大多数地下建筑都是采用机械通风，使我们逐渐遗忘过去传统的地下建筑的自然通风方式。尽管两者之间有本质的差别，但是其仍然具有重要的启示意义。传统窑洞在设计中采用了一些简单但有效的自然通风方式。例如通过窑洞后部开一个垂直的通风井，增加空气对流;对于顶土较深的靠山窑可以在窑洞前端作一个排风井，并在洞内加吊顶的通风方式，也可将窑洞做成上下两层在
后端挖一个相通的竖井，使空气从下端进入上端排出，形成循环，对于下沉式的窑洞我们可以采取窑洞之间相互贯通促进通风。这几种方式经实施测定证明窑洞内部的通风有了很大的改善。
覆土住宅也采用了一些低技术的自然通风方式，相对于中国传统窑洞更具有节能的背景。研究表明，直线式住宅的开敞面背向冬季主导风，可以减少墙面的空气的渗透，室内空气在负压的作用下可以排出。天井式住宅，可以是任何方向性的风都形成负压，促进室内排气，但庭院的一部分可以形成穿流，对排风不利，也可将住宅的开敞面朝向夏季主导风向，并在后墙或屋顶后部开一个通风窗，形成空气对流。
4. 2 目前我国地下建筑自然通风的研究
目前我国地下建筑自然通风的研究主要是在人防工程中对地下建筑的研究。上世纪八九十年代解放军工程兵工程学院针对国防人防工程对地下建筑的自然通风进行了深入的研究，但其设计的基础则是建立以风压作用为主导的自然通风系统，而且其目的是为了降低地下建筑的建设成本，并不适合大空间、多层的城市公共地下建筑，但是这些研究成果对开辟地下建筑的自然通风的研究具有非凡的意义。通过风道将地面风引入地下达到自然通风的目的，这对于规模小、埋深浅的地下工程有一定的作用，但是在现在地下建筑普遍规模较大、埋深加大的现实条件下单纯以依靠风压解决问题是行不通的了，于是有人提出了以热压为主导
解决问题的措施。根据实测，地下建筑的自然通风是以内外热压的变化而变化的。
众所周知地下建筑除了必要的出入口，通风口及采光天井以外基本上是一个密闭体，很厚的岩土层就是其围护结构，其具有很好的热稳定性。根据实测，地下建筑在夏天室内温度低于室外温度，而冬季则高于室外温度，它们之间的温度差促使了地下建筑内外产生热压，形成自然通风，这是地面建筑所不能比拟的优势。根据实验所得的数据我们可以清楚地看到地下建筑利用热压通风的规律，证明在特定条件下建筑实现自然通风的可能性和规律性。在我们的地下建筑设计中我们完全可以借鉴前面提到的现代可持续建筑的自然通风设计方法，通过进行有效并且可控制的自然通风设计来达到我们的节能目的。
4. 3 地下公共建筑自然通风设计基本方法
对于大规模多层的地下建筑我们在自然通风的设计上遇见了许多问题，首先因为其规模较大，埋深也较大，所以单纯依靠带有风帽的通风口通风无法满足地下建筑的需要，因此我们应该通过利用目前地下建筑通用的设计要素和先进理念来进行设计，特别是风路的形成。如何将新风引入地下建筑并且将室内空气排出，是风路设计的重点和难点。
首先我们需要充分利用天井（中庭）在地下建筑中的作用。地下建筑设置中庭已经成为较为普遍的设计手法，通过此可以改
善地下建筑的室内环境。但我们在中庭的设计中不仅仅有需要改善视觉环境的考虑，同时也要加入自然通风的因素，利用其上下贯通并与室外环境相联的特点形成烟囱效应，促进建筑的自然通风效能。但是在设计中我们应注意中庭在整个风路设计中须作为排风系统存在，因为作为进风口中庭不利于空气的进化，另外，由于地下建筑的中庭还作为采自然光的作用，中庭内部由于温室效应其温度较高，不利于新风的引入。因此其一般作为排风口。
在中庭的顶部即排风口应设置必要的装置防止空气倒流，因此可根据不同的情况在中庭的顶部设计空气预热装置（利用回收设备废热或吸收太阳能）及可调节的天窗来促进并控制空气流动。并且需要通过风洞测试排风口要经过风洞试验防止风对其形成滞流效应，必要时可使用机械辅助设备。设置进风烟囱，由于大多数地下建筑的中庭设置在其中部，所以我们将进风口设置在建筑四周，但是在设计上应注意以下几个方面：
（1）进风烟囱由于其部分位于地面以上，在设计上必须考虑对地面环境的影响，在设计上做到与地面环境和谐。
（2）要尽量避免位于空气污染严重的地方（街道、工厂的下风向）。由于地下建筑的采风口的高度有限，其新风一般受过城市污染，因此在进风口必须设置空气净化设备，对引入的新风进行净化，避免对地下环境的污染。
（3）在进风口细部设计上必须建立在风洞测试的基础上，防止空气扰流，有利于空气进入。在其内部设置冷却装置（通过引入地下深层的地下水使空气降温）促使空气下沉，并且与作为排风通道的中庭结合，形成地下建筑自然通风系统。在进风口较少等不利于引入新风的条件下，我们可以采用层层递进的方法，即在进风道不同标高设置更多的冷却装置强化空气的进入。
（4）对于没有中庭或中庭无法作为排风口的情况下须设置排风烟囱，其要点与中庭的排风要点相同，但是在设计上最好与进风口结合，减少对地面环境的影响。在两者之间设置热交换器，使在节约能源的基础上提高两者的工作效能。
4. 4 地下公共建筑自然通风设计的其他注意事项
建立可控制的高效的通风系统，摒除自然通风就是无控制的自发通风的错误观念。现代地下建筑需要更好的封闭性和热稳定性，自发和混乱的自然通风只能增大建筑的耗能，另外自然通风是无法完全替代机械通风的，因此我们必须将两者结合起来建立地下建筑通风系统。
高效利用能源，改善舒适度。例如我们可以在白天人员密集的时候通过两者结合的方式并以更利于控制机械通风为主，使加大通风量的同时不破坏地下建筑舒适度，夜间则完全依靠自然通风对地下建筑降温和净化空气。室内需采用先进的通风形式，提高通风效能。
这里我们要提到的是置换通风，其作为一种合理的通风形式在国内外众多可持续建筑中得到应用，它利用空气的密度差，通过进风口和通风口在地面和顶棚分开设置，新风由地面附近的进风口缓慢进风同时将废空气由天花板附近的排风口排出，促进空气流通并使污染物迅速派出。这需要我们在地下建筑的设计上加大楼层高度，促使空气在室内流动。
但是对于埋深较浅楼层，其热压作用不明显的情况下可以适当的设置利用风压作用的进风口和排风口。在设计上我们应当将进风口的朝向迎向夏季主导风的方向，而背向冬季主导风。在风帽设计的细节上这里将不再赘述。只是我们仍可以通过设置预热或预冷装置来促进空气流动。
附建式地下建筑对于自然通风设计来讲有着相对单建式地下建筑不可比拟的优势，因为它可以利用地面建筑的通风装置（中庭、通风烟囱），并且对地面几乎没有影响，通过地面建筑设置的中庭、通风烟囱因为更高所以烟囱效能更加明显，通风效果更为突出。下沉式广场的设计可以改善地下建筑环境，同时也可将自然通风引入地下建筑，但是由于其主要是利用风压，在高楼林立的城市环境中可利用的风压有限，所以其通风效能也很有限，因此不适用于大进深的地下建筑的通风。根据实验数据，地下建筑的自然通风主要是利用热压作用，而风压的影响甚微。并且下沉式广场的进风多为紧贴地面的流动空气污染严重，而且无
法设置净化装置，因此我们不鼓励单独使用下沉式广场进行通风。
这些地下建筑自然通风的设计方法并不是单独存在的也不是一成不变的，它们是相互辅助形成一个共同的系统来达到通风节能目的。现代地下建筑自然通风的设计方法与传统的自然通风的概念在本质上有着不同:可控制性，通过传感器来决定通风的需要并通过设置自然通风系统（风道、进气口、排气口）来控制通风量;机械通风辅助设备，各种自然通风辅助设备可以提高自然通风的效率和稳定性，在不利于自然通风的季节也可以实现自然通风;整体性，整个建筑的自然通风整体考虑，而不是自发的在局部区域进行通风。可以说现代的自然通风设计依托现代科技，正逐步改善其缺点，发挥其长处。因此，通过科学细致的自然通风系统设计，依靠自然通风来实现地下建筑的节能和舒适度的改善是完全可行的。
5、结语
科技的日新月异与环境的日益恶化仿佛是一对孪生子伴随着人类的进步，今天人类在大自然已经没有了天敌，如果有也只是人类自己。我们在关注人们生活质量的同时，需要考虑我们所依赖生存的自然环境。改善环境、保护环境已经成为全球的共同话题，可持续发展成为当今世界发展的主旋律，对于建筑这个占
世界总耗能三分之一的产业，作为建筑师，我们有责任更有义务关注环境，提倡可持续性建筑、可持续性建筑设计方法。