開窗位置對室內(nèi)風環(huán)境的影響★

黃琳瑜 廖航進 趙 彬 卓啟明

(溫州大學建筑與土木工程學院，浙江溫州 325005)

1 概述

隨著建筑節(jié)能以及綠色建筑概念的提出，減少住戶在房屋內(nèi)使用電器的頻率，同時保證住戶居住的舒適性，發(fā)展自然通風越來越受到重視。國家和地方的綠色建筑評價標準及節(jié)能標準中都對自然通風提出明確的要求。自然通風是利用自然資源來改變室內(nèi)環(huán)境狀態(tài)的一種純天然的建筑環(huán)境調(diào)節(jié)手段，合理的自然通風組織可有效調(diào)節(jié)建筑室內(nèi)的氣流效果、溫度分布，對改變室內(nèi)熱環(huán)境的滿意度可以起到明顯的效果［1，2］。

目前，計算流體力學(Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD)的發(fā)展，使現(xiàn)代建筑設(shè)計中越來越多的采用CFD模擬來評價建筑節(jié)能，本文利用這個軟件，對住宅的自然通風情況作模擬。討論普通單體建筑的房間布置開窗位置與方式高效利用自然通風，望能對建筑通風設(shè)計提供一個可視化的應(yīng)用及結(jié)論。

2 研究方法

室內(nèi)通風的影響因素較多，為了便于本次研究，一律采用簡化模型進行相關(guān)研究，單一空間在其中加入墻體的可變因素，不同的開窗位置對室內(nèi)風環(huán)境的影響。通過數(shù)值模擬法進行實驗得出結(jié)論應(yīng)用到本地的實體建筑中，同時進行研究優(yōu)化。

根據(jù)Beaufort風力等級劃分標準，當風速低于0.2 m/s時人體基本無感覺，ASHRAE5中也指出，當風速大于0.2 m/s時會提高熱舒適的上邊界［3］。根據(jù)熱舒適圖，活動量為1 met，內(nèi)衣熱阻為0.6 clo，空氣濕度為80%，氣溫為30℃，室內(nèi)風速為0.5 m/s以上時，70%的人認為室內(nèi)比較舒適。因此在自然通風條件下，室內(nèi)風速0.5 m/s的區(qū)域比較舒適。根據(jù)以上的研究結(jié)果，在這里定義室內(nèi)風速低于0.2 m/s的區(qū)域為靜風區(qū)即不會對人體熱舒適產(chǎn)生影響，定義風速介于0.2 m/s～0.5 m/s為中風區(qū)，對人體熱舒適有一定影響。在氣溫不是很高時可滿足人體熱舒適要求，定義風速大于0.5 m/s的為高風區(qū)［4］。

靜風區(qū)的范圍越少，中風區(qū)及高風區(qū)的范圍越大，自然通風情況越好。本次計算分別統(tǒng)計靜風區(qū)，中風區(qū)及高風區(qū)的百分比作為評價室內(nèi)通風效果的標準。本次分析，以坐姿頭部位置的風速作為分析標準，即1.1 m 高度處［5］。

3 各參數(shù)對室內(nèi)通風效果的影響

3.1 幾何建模及網(wǎng)格劃分

根據(jù)需要建立尺寸為:長×寬×高=8 m×4 m×3 m的單元空間體作為模擬房間單元對象，并在該房間單元垂直長邊對半分設(shè)置分隔墻，在分隔墻靠一側(cè)設(shè)置有:高×寬=2 m×0.9 m的門洞，房間單元兩側(cè)短邊墻上離地高H=0.9 m處設(shè)置開口作為房間的窗洞口，為方便計算各組模型在相同室外風壓條件下的室內(nèi)各處通風效果，在計算模型中，將室內(nèi)空間網(wǎng)格尺寸劃分為0.1 m×0.1 m的網(wǎng)格，通過專業(yè)的STAR-CCM+等軟件計算得到室內(nèi)風速云圖。

3.2 邊界條件的設(shè)定

定義進風口為前窗(右側(cè))，出風口為后窗(左側(cè))，窗外兩側(cè)設(shè)置為1.5 Pa的風壓差，在室內(nèi)劃分空間體網(wǎng)格后截取高度Z=1.1 m水平面的高度計算風在室內(nèi)流通風速(m/s)，計算中忽略窗口處與墻面摩擦對風的影響。

相關(guān)參數(shù)設(shè)定:開窗面積比為S;前窗開窗面積與后窗開窗面積之比為β;窗洞口高度為h;窗口寬度為l;風向與窗洞口法線的夾角為θ。

研究1，窗戶可開啟面積比對室內(nèi)通風效果的影響。

第一組模型模擬計算五種不同開窗比例在相同風壓下的室內(nèi)通風情況。

設(shè)定不變參數(shù)為:前后窗面積比 β=1，窗臺高 H=0.9，窗洞口高度h=1.2 m，風向與窗洞口法線的夾角θ=0°，計算平面前后窗處于正對位置，并且位于墻體的中間位置。變量參數(shù)為:窗寬l(分別為500 mm，1 050 mm，1 600 mm，2 150 mm，2 700 mm)對應(yīng)開窗面積比(分別為10%，15%，20%，25%，30%)，計算結(jié)果如圖1所示。

統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表1。

表1 統(tǒng)計數(shù)據(jù)(一) %

從圖1可以看出，開窗面積由10%開始增大到30%時，室內(nèi)平均風速逐漸增大，靜風區(qū)比例逐漸降低，高風區(qū)比例逐漸增大，低風區(qū)比例略有增加，但變化不明顯。同時由圖1可以看出，當開窗面積為20%再逐級遞升的時候，各通風情況增長不明顯，再增大開窗面積，對通風效果意義不大。

研究2，窗戶開口相對位置對室內(nèi)通風效果的影響。

第二組模型模擬計算五種不同開窗相對位置在相同風壓下的室內(nèi)通風情況。

設(shè)定不變參數(shù)為:前后窗面積比 β=1，窗臺高 H=0.9，窗洞口高度h=1.2 m，窗洞口寬度l=2.15 m，風向與窗洞口法線夾角θ=0°。變量參數(shù)為:前后窗相對位置分別為左—左、右—左、中—中、左—右、右—右，計算結(jié)果如圖2所示，統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表2所示。

圖1 不同開窗面積時，室內(nèi)風速分布云圖

表2 統(tǒng)計數(shù)據(jù)(二)

統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 統(tǒng)計數(shù)據(jù)(三) %

進風口與出風口存在風壓差，在此情況下，通風效果最好，但為了模擬實際情況，對空間進行一定的劃分，由圖2可以看出，工況四和工況五的中風區(qū)和高風區(qū)明顯高于其他三個工況。圖2風速分布云圖同樣表明，工況四以及工況五室內(nèi)的中、高風區(qū)所占比例比其他的要低，同時，室內(nèi)風流動的室內(nèi)較均勻，有較好的通風效果。

根據(jù)以上的數(shù)據(jù)結(jié)合工況四以及工況五的開窗位置可知，如果進風口的窗與門位置處于同側(cè)時，通風效果較好，當進風口與門還有出風口位于同一側(cè)時，效果最佳。

圖2 窗戶開口相對位置對室內(nèi)通風的影響

研究3，風的入射角對室內(nèi)通風效果的影響。

第三組模型模擬計算五種不同開窗相對位置在相同風壓下的室內(nèi)通風情況。

設(shè)定不變參數(shù)為:前后窗面積比 β=1，窗臺高 H=0.9，窗洞口高度h=1.2 m，窗洞口寬度l=2.15 m，風向與窗洞口法線夾角θ=0°。變量參數(shù)為:風的入射角分別為 30°，45°，60°，計算結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出，當風向與窗戶法線呈45°時，通風效果較佳，當風向與窗戶法線呈20°時，通風效果較差。由此可以判定，當風向與窗戶法線夾角為45°時，風向與窗戶保持一個夾角，有利于促進室內(nèi)的自然通風。但夾角超過60°時，該夾角將抑制室內(nèi)的自然通風。

圖3 不同風向情況下室內(nèi)風區(qū)變化

4 結(jié)語

本文利用流體力學的軟件對4 m×8 m×3 m的房間模型進行了室內(nèi)通風模擬，并對比分析了進出口面積比例，窗戶相對位置以及風向的氣流流動對室內(nèi)風環(huán)境影響這些情況，初步得出了以下結(jié)論:

1)窗戶面積低于20%時，增大開窗比例對通風效果有較大影響，增加高風區(qū)和低風區(qū)。

2)進風口與門的位置處于同一側(cè)時易獲得較好的通風效果，當進風口與出風口都與門位于同側(cè)時，通風效果最好。

3)前后窗開窗面積比一定時，前后窗面積較接近時，通風效果最佳。

4)風向與窗戶法線夾角為45°時，風向與窗戶法線保持一個夾角有利于促進室內(nèi)自然通風，但當夾角超過60°時，將抑制室內(nèi)自然通風。

［1］楊 玲.對建筑物自然通風設(shè)計的探討［J］.建筑與裝飾，2008(5):9-10.

［2］朱 唯.室內(nèi)環(huán)境與自然通風［J］.建筑科學與工程學報，2006(7):19-20.

［3］人們居所的自然環(huán)境條件［Z］.2004.

［4］黃 晨.建筑環(huán)境學［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2005.

［5］林 晨.自然通風條件下傳統(tǒng)民居室內(nèi)外風環(huán)境研究［D］.西安:西安建筑科技大學環(huán)境與市政工程學院，2006.