创意创新大赛-关于教室内自然通风的研究.doc

创意创新大赛参赛作品

第一组

题 目： 关于教室自然通风的研究
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一、课题研究背景
长期以来，自然通风就在建筑的放热方面占有重要地位。它具有节能、改善室内热力环流和提高室内空气质量的优点，是人们长期赖以改善室内环境的基本手段。在我国，对于热环境、热舒适的研究主要集中于住宅(其中尤以多高层普通住宅为主)和办公楼类型的公共建筑的研究，而对于高等学校教学建筑室内热环境的研究较少。教室作为大学教学建筑的重要组成部分，是老师传道授业解惑的地方，也是学生上课和自习的主要场所，其室内热环境的好坏不但关系到学生的生理和心理健康，也直接影响着学生的学习效率。本文以提高人们对室内空气品质以及室内自然通风条件的认识与重视为研究基础。并选择对大学校园新建建筑与既有建筑进行室内空气质量研究。通过一系列的调查，我们了解到大学校园建筑作为公共建筑，人员密集，使用相对时间集中，装修相对简单，室内空气质量易被忽略，事实上室内空气质量并不容乐观。现如今，虽说空调已经广泛使用，但在学校建筑大量引入空调装置并不是好事；且当今社会高度提倡环保、节约能源，为了保持空气良好品质，有效控制病毒传播，在这样的背景下，对我们把自然通风这种传统建筑生态技术应用在学校建筑设计中，有着重要的意义。

二、自然通风的原理
建筑的自然通风指的是通过有目的的设置开口，如门、窗户、通风井等而产生的空气流动。它可以排除室内污浊的空气，改善室内空气品质，提高室内环境的舒适性，同时还可以满足人和大自然交往的心理需求。
就驱动力而言，自然通风主要包括热压作用下的自然通风、风压作用下的自然通风以及热压风压共同作用下的自然通风。热压作用是指室内外存在温度差造成了室内外空气的密度差，当建筑物有开口时所产生的 “烟囱效应”。风压作用是指室外气流吹过建筑物时，由于受建筑物的阻挡在建筑物表面和周围形成了不同的压力分布，当建筑物有开口时所产生的室内空气流动。两种自然通风的动力因素对建筑物的影响是不同的，地区和地形的差异、建筑空间类型的不同等因素使得通风效果产生很大的差异。比如，沿海地区的建筑物，往往风压值较大且相对稳定；而工厂的热车间，常常有稳定的热压可以利用。对一般建筑而言，室内外的温差不大，如果没有特殊设计，进气口和出气口的高度相近，难以形成有效的热压，则主要依靠风压组织自然通风。但是由于室外环境的不确定性，风速和风向的变化不定，风压作用的随机性很大。如果室外的风速较小甚至没有风，建筑物内部的通风将难以通畅，相比较之下，热压作用却相对稳定，变化较小。

三、教室室内热环境现状
我校的教学楼为中廊式的空间结构，中间的内廊串联起两边的教室，空间死板且缺少活力。这样的布局方式下，内廊两侧内墙的高侧窗对于建筑的通风和采光起着重要的作用。但实际的使用情况是，内廊的采光环境很差，而对于教室内部，高侧窗对于通风系统的贡献很小，室内难以形成好的通风环境；室内的自然通风主要依靠外墙侧的对外开窗，通风的效率很低，当室外的风压很小的情况下，室内难以产生空气流动，室内热环境比较差。
本文以河南工业大学三号教学楼内的中小型阶梯教室为研究案例，从客观的现场测试和学生的主观感觉两方面对教室夏季室内热环境进行了分析研究。用现场测试和问卷调查的方法，定量的分析了夏季室内热环境的状况，总结出其存在的问题如下：
(1)夏季各教学建筑室内热环境质量较差，即使在有风扇辅助通风的教室内也明显感到夏季的酷热，室内热环境亟须进一步改善；
(2)夏季风扇辅助通风确实可改善室内热环境，但这种机械通风方式不适合长时间在教室内使用，应当从建筑方面采取措施加强室内的自然通风效果，形成以自然通风为主、机械通风为辅的通风降温方式；
(3)教学建筑西侧的教室室内热环境质量比较差，为了进一步改善室内热环境质量需要采取遮阳设施阻断进入室内的太阳辐射；
(4)无论是测试还是问卷调查都表明了教室内的空气比较干燥，需要采取措施增加教室内的空气湿度。

四、改善夏季室内热环境的措施方案
郑州地区夏季最热月为7、8、9 三个月，学校在7月中旬至8 月下旬放暑假，但6 月及7 月初在大学生忙于考试的这段时间内，天气已经表现出夏季的炎热了，在开学后的一段时间内即9 月份天气也比较炎热；教学建筑主要在8:00-22:00 使用，教室使用比较集中且学生流动性大。高校教室由于人数较多，室内产热量就多，同时夏季室外较强的太阳辐射从窗口进入，造成室内温度升高引起人体的不舒适。因此，改善室内热环境最好的方法就是迅速排出人体产生的热量，同时尽量阻断夏季较强的太阳辐射从窗口进入室内。针对夏季过热的室内热环境，在兼顾教室冬季室内热环境的前提下，结合郑州地区的气候特点、高校教室的使用情况等，我们决定采取与本地地区气候特点相适应的“被动式”措施来改善夏季室内热环境。下面主要论述了采取改进教学楼中的门窗设计、建造太阳能通风井、创造适宜的微气候环境和利用植物和水对气温的调节作用这四种方案来改善教室内的热环境。

方案一：改进教学楼中的门窗设计
在单体建筑中门窗的位置、大小、开启方式以及其他细部构造对室内风速影响较大。对于单廊式教学建筑（教室），教室平面进深较小，室内通风状况较好改善，教室外窗的开窗面积应该＞1/6 窗地比，而＜2/3 墙宽为宜，外窗易采用立式转窗进一步改善室内的风环境，尽量避免采用推拉式窗户，在实际使用中可以通过调节两侧窗户旋转的位置来获得比较满意的通风。对于内廊式教学建筑（如学生宿舍），由于进深较大，室内通风效果较单廊式差，为了使室内通风满足要求，外窗的开窗面积也应该＞1/6 窗地比，而＜2/3 墙宽为宜，外窗在面积一定的条件下尽可能地多而匀，窗户采用立式转窗；在内廊纵墙2 m 以上的位置（内墙的高侧窗）设置尽可能大的中轴旋转窗，调节室内的气流，同时还有利于房间较低部位的通风。如图1：

方案二：太阳能通风
可再生能源包括风能、太阳能、地热、潮汐、沼气和生物质能等。在各种可再生能源中，太阳能的利用近年来发展很快。在建筑中太阳能的用途主要包括，被动式太阳房、太阳能采暖、太阳能热水器、太阳能光电等方面。太阳能通风并不是指对风能的直接利用，来节约能源，是指利用太阳能来促进建筑的自然通风。本文所提出的太阳能通风井也是一种利用太阳能的被动式技术。既太阳能通风井顶部由黑色的金属屋面覆盖，在太阳的照射下，金属屋面温度升高，通风井上部的空气受热温度升高，空气密度降低，与通风井下部温度较低、密度较高的空气形成稳定的热压。当室内气温高于室外气温时，室外空气通过建筑下部的门窗流入室内，被加热后变轻上升，最终从通风井上部的开口排出。室内空气不断被新流入的室外新鲜空气所替代，从而形成自下而上的循环流动。室内在获得空气流动的同时获得良好的空气质量。

方案三：创造适宜的微气候环境
微气候是指在建筑物周围地面上及屋面、墙面、窗台等特定地点的风、阳光、辐射、气温与湿度条件；建筑物本身以其高大的墙面而成为一种风障并在地面与其他建筑物上投下影子，从而改变着该处的微气候。由于微气候对室内热环境的影响具有直接的作用，所以，我们应当采取措施创造一种有利于室内热环境的微气候来为我们服务。由建筑物本身及地貌、树木或其他不透明物体在建筑物周围投射的日照区块与影子区块的移动对于改变建筑物及其附近环境的微气候起着关键的作用。建筑物的掩蔽作用不容忽视，在夏季可以将通风换气口设在这些阴凉的位置来改善室内热环境。

方案四：植物和水的利用
恰当的绿化是改善城市和建筑微气候环境的有效生态因素，因此，在建筑设计中，应充分利用植物。郑州地区夏季炎热干燥，绿化和水面的设置对调节气温起着很大的作用。植物，特别是高大的乔木能够提供遮阴和自然的蒸发降温；一般绿化则除蒸发吸热外，对日辐射还有一定的反射作用，尤其在夏季日辐射照度很大时，可以显著降低周围的空气温度。由于水的热容量大，不但可以通过蒸发吸收大量的太阳辐射热量，还能调节空气的湿度.

五、结论
在建筑越来越封闭，空调技术越来越普及，人们对健康越来越重视的今天，与自然的接触显得弥足珍贵。自然通风是人类历史上长期赖以调节室内环境的原始手段，在绿色建筑快速发展的今天，自然通风技术将会是一项重要的节能技术手段。被动式的自然通风技术是在适应自然环境的同时利用自然环境，它对建筑师提出了较高的要求，其设计的范围不仅限于能源问题，其本质还是建筑固有的设计问题，其应用必须与建筑的功能与形式有机结合。此外,在对太阳能通风井的自然通风技术的研究过程中，利用计算机来进行模拟辅助研究是十分有效的。由于条件以及技术有限，我们团队并未以计算机进行模拟，所以，我们提出的仅仅是一个概念，还需要实际操作去检验。