自然通风是一种节能环保的建筑通风方式,已经被人类使用了数千年,如何在未来建筑中更大范围的利用此项技术,成为当下研究的热点。然而,由于室内外气候条件的不确定性,自然通风的最终效果量化预测始终是一个难题,这将造成建筑设计早期方案的难以抉择。一方面,有些情况下建筑也许不需要过多的通风；另一方面,当室内人员密度高、存在有害气体等情况时,则应采用有利于通风的建筑形式。此外,在建筑设计过程中,仅仅考虑通风效果是不够的,建筑设计人员还需要综合考虑建筑功能、美学与节能等要求。在建筑自然通风设计过程中,亟需一套考虑了诸多因素的效果预测方法或模型。因此,本文以建筑自然通风实际利用率预测与节能效果评估为研究目标,提出一套完整的预测流程与数学模型,以尝试在一定程度上解决这些难题。文章第一部分,提出自然通风利用率预测与节能评估模型。首先,本文详细分析了影响自然通风利用率的诸多因素,主要包括气候、建筑周围微环境、围护结构热工性能、人体热适应性与相关行为、用户最低需求新风量、室外污染与噪声等。随即,文章提出了一套新的、全面的、系统的、通用的自然通风利用率预测与节能评估模型,其中的主要步骤依次为：评估室外空气污染与噪声是否达标,输入当地全年气候数据、风环境数据、建筑热工参数,计算室内空气温度与自然通风换气量,判断室内空气温度是否满足人体热舒适要求,判断换气量是否满足最新低新风要求,考虑开窗行为对换气量的影响,最后评估节能效果。在节能评估环节中,本文创新的提出“自然通风等价节约用电度数”概念,由两部分组成：第一部分是等价机械通风量节电量,即使用机械通风产生同样换气量所需要消耗的电量；第二部分是等价空调节电量,即在自然通风条件下,人体的热承受能力比空调环境要强,从而节省了部分空调用电量。将两部分相加,得到自然通风的总节能效果。至此,自然通风利用率预测与节能评估模型的目标参数有三项,全年适合自然通风的小时数、全年自然通风换气量与等价节约用电度数。文章第二部分,预测与评估单侧、两侧、多区自然通风效果。首先,本文第一次对单侧开口房间自然通风的利用率与节能效果进行了评估。在评估模型中,流动方程第一次使用了耦合风压与热压的单侧大开口通风实验数据拟合公式。经过对四个典型气候区的四个城市的利用率预测后发现,不论是利用率,还是节能效果,在单侧通风条件下,中国南方的城市都比较大。造成此现象的原因一部分是由于通风总量的增加造成的,另一部分是因为广州地区的夏季空气温度处于空调开启温度与自然通风热舒适上限温度之间的时间比例较大,节省的空调用电量比较多。接着,文章对两侧开口房间的自然通风利用率与节能效果进行了预测与分析,其中的模型与方法与前人研究相比进行了诸多的改进。在本文设置的建筑模型中,不但考虑了两侧开口有高差的情况,而且还将开口朝向分别设置为东西朝向与南北朝向。在流动模型中,不但耦合了人体周围风速与空气湿度对热适应性模型的中性温度的影响,而且考虑了风压与热压对抗时产生的物理多现象及对应的数学多解现象,并且创新的使用了某些情况下两种作用力“抵消”的假设。同样,对四个城市的评估分析结果显示,当风压与热压对抗时,出现“气塞”现象是导致通风不良的重要原因之一。模型给出各个城市的不同开口面积、不同朝向下的通风小时数、通风量、供暖小时数、空调降温小时数等信息,都为建筑设计早期方案确定提供了有价值的参考数据。再次,本文首次尝试针对多区建筑的自然通风利用率评估进行建模,其主要原理是在原有大开口通风的MIX流动模型的基础上,求得室内温度与换气量,再计算节能效果。文章第三部分,分别对输入参数与输出参数进行了适当的修正。首先,文章利用CFD方法对风压系数这一输入参数进行修正,得出更适用于当地风环境的风压系数,以便更准确的预测不同地区的利用率与节能效果。然后,本文首次将开窗行为耦合进预测模型之中。文章通过对开窗行为实验测量数据的分析,拟合出当地的开窗概率与温度的线性关系,并统计出窗的平均开度,再将此函数拟合进本文的已有模型中,得到修正后的换气量与节能效果。总而言之,本文提出的自然通风利用率与节能评估模型能够比较精确的分辨出不同气候特点、不同风环境、不同建筑形式、不同开口大小与朝向、不同的开窗行为等因素下的通风效果量化差别,可为建筑初期规划提供指导性的参考数据,有利于设计人员做出合理的判断,有利于自然通风技术更广泛和有效的应用,有利于建造更加健康与节能的建筑。