定向自然通风的地下建筑

摘要

本发明公开了一种定向自然通风的地下建筑,其特征在于:无人工热源、无人工风帽、不依赖机械通风除湿措施,仅根据具体环境的具体风变规律即“湍流”与“环流”现象设置地下空间的布局方向、长距,进、排风口,就能实现地下空间的定向自然通风,达到室内常年全新风,无异味、无废气循环、无噪声污染、空气质量好的效果,有显著的社会效益、经济效益和环境效益。适用于城市中埋深较浅的地下建筑,尤其适用于单建式地下建筑。

说明书

本发明涉及一种地下构筑物，尤其是能够定向自然通风的地下建筑。

我国的城市地下空间开发利用，室内环境往往较差，诸如潮湿、通风不畅、空气污浊等现象普遍存在，从而影响了深层次的地下空间的利用，而这种现象的本质主要是未按外部具体环境的具体风变规律来设计地下建筑自然通风系统，造成设计不合理，多数工程进、排风不分，不能合理利用风压，系统阻力较大，通风效果差，只能依靠机械通风来改善地下建筑的环境，增加了建造和使用成本。目前的地下建筑除机械通风方式外，还有采取在地下建筑内加热源、加风帽、加抽风道、加大进排风口高差等方式实现对流式通风。南京工程兵工程学院郭春信教授编著的《地下空间自然通风》一书中利用人工风帽、人工热源组织和解决了定向与半定向自然通风问题，但是这种通风形式受热源条件等因素影响，使其应用上或多或少受到限制。

本发明是发现岳阳“891”人防工程特有的通风现象后设计出的新的技术方案。岳阳“891”人防工程是一项平战两用大型人防工程，掘开式六级人防工事，埋深5．6～5．8米，顶板以上履盖层1～1．2米，该工程设计的是采用机械通风来改善地下空间的环境。地下工程内设置了比较完备的通风、除湿(降温)设施，包括组合式空调机三台，风量18万m³／h；螺杆式制冷机3台，制冷量120万大卡／时；玻璃钢冷却塔3台；空气幕24台，及相应的配套设备设施，该工程的地面为空旷地带，四周均有建筑物，在距人防工程100米处建有一栋安装机械通风设备的房楼，该楼由连接通道与人防工程的地下空间连通。整个机械通风、除湿设备花费建设投资455万元。该人防工程的用途为行人过街地道和商场、娱乐场所。启用三年多以来，除每年春节放假10天外，其余时间天天营业，工程使用按平时1500人设计，实际使用中高峰期可达2500余人。有300多名工作人员长期在其中上班。1996年1月8日岳阳市人防办工程科长丁水生在地下商城开业庆典时无意中发现来宾抽烟的烟缕流向与地面冬季主导风向流向相反。地上刮北风、地下吹南风的奇特现象引起了丁水生同志的浓厚兴趣，经他周年观察发现岳阳“891”人防工程地下空间气流不停息地由南向北有序运动，与地面冬季主导风向逆向而行，与夏季主导风向同向而走，不随地面主导风向改变而逆流。与地面风速大小成正比，夏不热、冬不冷，无异味、无噪声、空气清新的定向自然通风。为探究这种现象的原理、效果及其应用，岳阳市人防办于1997年5月成立了科研课题组，专题进行《浅埋式人防工程自然通风研究》。

本发明的目的是提供一种定向自然通风的地下建筑，它不依赖机械通风，不采用人工风帽、人工热源的通风措施，而以外部具体环境存在具体风变规律的“湍流”与“环流”现象为基础，通过科学设计充分合理地利用风资源，降低地下建筑的沿程通风阻力，达到地下建筑常年性良好的定向自然通风，实现地下建筑内无异味、无废气循环、无噪声污染、空气质量好、舒适宜人的目的。

为实现上述目的，本发明的技术方案是一种定向自然通风的地下建筑，包括进风口、排风口和地下空间，其特征在于：地下空间的主体布局方向、长距必须符合与满足两端能形成气压差，内部空间相互贯通、通畅衔接、避免狭管效应，连通进、排风口；进、排风口根据具体环境的具体风变规律即“湍流”与“环流”现象设置：在地面的相对高气压区设置左右两组进风口，每组包括A进风口与B进风口两个口部，A进风口的朝向与具体风变规律的流向相对应，是冬季主导风向因地物局部范围内改变流向所形成湍流现象的进风口，B进风口的朝向与常年夏季主导风向相对应，A进风口与B进风口之间有α夹角；在地面的相对低气压区设置排风口，排风口形体与高度大于进风口又控制在有效微热“环流”内；每个进、排风口都有高出地面的口部建筑，A进风口和排风口有相对应的地面建筑；地面建筑阻挡常年冬季主导风向来改变地面气流方向、引导地面风从A进风口进入地下空间，即A进风口有与口部建筑配合的建筑物，该建筑物阻挡冬季主导风前行气流堆积而改变流向的湍流现象，这种湍流现象的风与A进风口方向相对应；排风口有与口部建筑对应的大型建筑物挡风形成环流现象；进风口与排风口之间为空旷地带。

所述进风口数量多于排风口，且成偶数对应，以4∶2为好。

所述A进风口与B进风口之间的α夹角以85°～95°为好。

本发明较好的技术方案是：为浅埋式大型人防工程，该工程平面布置根据产生“湍流”与“环流”的相隔距离为南北展开的工字型布局，内部互相贯通，连通进、排风口；地下空间有6个口部与地面相通，该口部既是人员出入口也是进排风口，每个口部都有高出地面的口部建筑，北侧有两个排风口、口部建筑为锥型流线形、口朝北；南侧有二组口部，每组包括A进风口与B进风口，左组的A进风口口朝西、右组的A进风口口朝东，B进风口口朝南；人防工程位于城市广场与城市主要街道结合部的地下，其北侧有一幢与排风口相对应的大楼，其南侧正对南北走向的城市主干道，与A进风口相平行的南侧有连绵相接的建筑群。这种设计符合南北地物间迎背风向、迎背阳向形成的压力差(风压差、温压差)，即地下建筑的南北方向、两端的相隔距离符合具体环境产生具体风变规律的“湍流”与“环流”现象。地下空间的布局避免了狭管效应，减少了空气流动中的沿程阻力。在冬季，主导风向为偏北风，排风口由其对应的大楼挡风成为低压区，形成巨型天然风帽将地下空间气流吸出；在夏季，主导风向为偏南风，排风口口部建筑锥型流线形背向风口形成较大体积的低压无形风帽将地下空间内的气流吸出。A进风口南侧受地物影响、局部改变冬季主导风流向产生“湍流”现象，这种改变流向的风向恰好与高于地面的A进风口相对应，地面风由A进风口逼入地下空间；B进风口与夏季主导风向偏南风相对应、风直接吹入地下空间。

本发明是利用地面南北地物对空气流动的影响，根据自然风资源、主导风向、月最低平均风速与具体环境结合，测出气压、温压差，掌握气象风速与近地面风速关系，找出具体环境存在的具体风变规律设计而成。在迎风面因低空“湍流”和风压力作用，空气堆积，而致局部范围为相对高气压区出现“湍流现象”，则设计为进风口并建造高出地面的口部建筑；在背风面为相对低气压区并发现在水平与垂直方向上有气旋性微热“环流”存在，则设计为排风口，排风口口部建造锥形流线建筑，排风口形体与高度大于进风口又控制在微热“环流”内，使进、排风口形成定向风压差、温压差；地下空间按风的流向规律布局，地下布局长距、方向偶合地面“湍流”与“环流”走向，内部空间相互贯通，通畅衔接，避免狭管效应，连通进、排风口；正压气流从地面进风口一边推入地下空间，单向脉冲向前，击活“死水”又从负压地面排风口一边冒出，实现常年定向自然通风。

采用上述方案的本发明是以充分利用风压为主，兼而充分利用温差，口部高低差及负压“环流”现象、共组综合“活力”产生“推”“吸”力作用，击活地下空间“死水”，成功地解决地下空间自然通风世界性难题。创气候学之动与建筑学之静完美结合的典型范例，有效地改善地下空间室内环境质量，达到人防工程平时使用环境卫生标准。

本发明是在实践的基础上，凭客观存在的事实，详细地占有测试数据，分类整理，运用辩证分析方法，由此及彼，由表及里，总结提高上升为理性认识的再实践，即地下空间形成定向自然通风客观规律的实践-认识-再实践。经国内外联机检索、科技项目查新报告证实：本发明首次实现了大型地下空间在无人工热源、无人工风帽的条件下，达到可定向自然通风的目的，填补了空白；在国内外联机检索、科技项目查新报告中发现技术密级达国际先进的“人防工程合理利用自然通风的初步研究”与本发明接近，但它是在利用人工热源、人工风帽条件下成功地组织和解决定向与半定向自然通风，而本发明的科学性与先进性完全摆脱了人工热源、人工风帽，是在无人工热源、无人工风帽、不依赖机械通风措施的地下建筑内仍常年实现良好的定向自然通风。本发明的地下空间常年全新风，室内无异味、无废气循环、无噪声污染、空气质量好，舒适宜人。经岳阳市卫生防疫站测定各项指标符合《人防工程平时使用环境卫生标准》(以下简称《标准》)。

我们从97年5月至99年11月先后用微风仪、干、湿度温度计，气压表等仪器对本发明的风速、温度、湿度、空气质量、噪声进行观测，进行现场勘测结果如下：

风速  本发明进风口瞬时最高风速为4．2米／秒(1997年11月10日上午)，年最高月平均风速为1．189米／秒(1月)。年最低月平均风速为0．56米／秒(6月)。新风量最高月平均达到8．69万立方米／时，相当于一台50千瓦风机不停运行的新风量，最低月平均达4．10万立方米／时，相当于一台30千瓦风机不停地运行的新风量。按初步设计平时使用人数为1500人计算，人平新风量满足《标准》。

温度  本发明年最高月平均温度为28．38度(8月)，年最低月平均温度为10．75度(1月)。《标准》要求：夏季28度以下，冬季14度以上。符合和接近《标准》要求的占91．7％。

湿度  本发明年最高月平均相对湿度81．9％(7月)，年最低月平均相对湿度63．69％(9月)。《标准》要求：夏季相对湿度为80％以下，冬季相对湿度为30％以上。符合和接近《标准》要求的占91．7％，相对湿度仲春至仲夏季节偏大为78．31％，高于地面相对湿度1．19％。

空气质量：本发明地下空间内空气中含一氧化碳为0．5～5mg／m³，二氧化碳为0．04～0．05％，细菌含量1～12个／皿。《标准》要求：一氧化碳为10mg／m³，二氧化碳为0．2％，细菌含量50cfu／皿。

噪声：54～64dB(A)，《标准》要求：85dB(A)。

研究结果证实本发明月平均最低新风量满足平时1500人使用要求，人平新风量27．3立方米／时，为《标准》要求的1．82倍，高峰期为2000人，新风量20．5立方米／时，是《标准》要求的1．37倍。空气质量与噪声符合与满足“标准”要求，温度满足和基本满足《标准》要求的占91．7％。相对湿度达到和接近《标准》要求的占91．7％，仲春至仲夏季节相对湿度偏大，与地面同期相对湿度相比高1．19％，有时三个大厅地面出现返潮，手摸玻璃铝合金柜台有潮湿感，北厅又好于南厅。

本发明还具有以下优势与效益：一是结构简单，不需要人工制造热源、不需要建造人工风帽，也不依赖机械通风、除湿；二是可节省三分之二的设备投资和运转支出，如建造单层平面建筑总面积6101m²的本发明可节约建造阶段的机械通风、除湿设施投资300万元；按营业时间计算，若启用机械通风、除湿设备功率为473千瓦／时，每年可节约电能100万千瓦以上、减少机械设备运转费用100万元以上；三是环境效益显著，免去了机械通风噪声污染，空气质量好，自然风单向脉冲向前，促进地下空间全断面换气，无废气循环，空气新鲜宜人；四是本发明实用性强，只要有风力资源，存在具体环境具体风变规律的“湍流”与“环流”现象，设计人员通过合理设计，就能实现地下空间的定向自然通风；五是定向自然通风为无价之本，取之不尽，用之不竭，是自然资源的充分利用，意义重大。本发明适用于城市中埋深较浅的地下建筑，尤其适用于单建式地下建筑，有显著的社会效益、经济效益和环境效益。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。

图1是本发明的示意图。

实施例1：如图1所示，本发明包括排风口1、A进风口3、B进风口4、地下空间2和地面建筑物5。

本发明为浅埋式大型人防工程。围护结构为钢筋混凝土现浇，内部空间净高4．2m(包括吊顶层1m)，单层平面建筑总面积6101m²，有效面积4814m²。无梁楼盖结构，柱跨6m。履土层厚1～1．2m。地下空间平面布置为南北展开的工字型，分三个大厅：北厅为长方形，东西长87m，南北宽24m；南厅呈梯形，东西方向长边为81m，短边30m，南北宽36m；中厅为长方形，南北长48m，东西宽24m。这三个厅内部互相贯通，结合部最窄处12m。人防工程的地上部分为空旷地带，南北两头有建筑物，地下空间有6个出入口与地面相通。每个出入口都有高出地面的建筑。北侧有两个出入口，即排风口1，口部建筑呈底边宽10米、弧型中线高9米的锥型流线形，为现浇钢筋混凝土薄壳结构，口朝北，通风断面为60m²。南侧有二组口部，每组包括A进风口3和B进风口4，每个口部通风断面均为10．15m²(高2．9m×宽3．5m)。B进风口口部建筑物向南开口，左组的A进风口口朝西、右组的A进风口口朝东，本发明位于城市广场与城市主要街道结合部的地下。工程北侧35m处有一幢与人防工程北厅相平行、长125m、高18m的大楼。工程南侧正对东西宽度为80m南北走向的城市主干道。与工程南厅相平行的地面有一条东西走向的街道，街道南侧有高度不等、连绵相接的建筑群。这些建筑群为地下工程的自然通风创造了十分有利的条件。