探究住宅建筑自然通風(fēng)對室內(nèi)熱環(huán)境的影響

許正佳，孫 勇

（皖西學(xué)院 建筑與土木工程學(xué)院，安徽 六安 237010）

探究住宅建筑自然通風(fēng)對室內(nèi)熱環(huán)境的影響

許正佳，孫 勇

（皖西學(xué)院 建筑與土木工程學(xué)院，安徽 六安 237010）

在當(dāng)前我國提出可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的背景下，建筑行業(yè)中提出了一種全新的理念即建設(shè)“綠色住宅”.而為了能夠有效減少能源的消耗，提升人們的居住舒適程度，在許多住宅建筑當(dāng)中都選擇使用了自然通風(fēng)的方式，其在改善室內(nèi)熱環(huán)境方面更是具有無可比擬的優(yōu)勢作用.基于此，本文將從簡單介紹自然通風(fēng)改善室內(nèi)熱環(huán)境的機(jī)理入手，結(jié)合實際住宅建筑并進(jìn)行相關(guān)實驗，以探究住宅建筑自然通風(fēng)對室內(nèi)熱環(huán)境的具體影響.

住宅建筑；自然通風(fēng)；室內(nèi)熱環(huán)境

在住宅建筑當(dāng)中，利用室內(nèi)和室外的風(fēng)壓與熱壓作用，從而實現(xiàn)空氣的相互對流，以此有效改善室內(nèi)熱環(huán)境，減少住宅建筑能耗，調(diào)控室內(nèi)溫度，為人們提供更加舒適的居住環(huán)境.因此在現(xiàn)代住宅建筑設(shè)計當(dāng)中自然通風(fēng)已經(jīng)成為廣大設(shè)計師的共識，也是建設(shè)“綠色建筑”的一大關(guān)鍵舉措.本文將通過實驗分析的方式，驗證住宅建筑自然通風(fēng)對室內(nèi)熱環(huán)境產(chǎn)生的積極影響.

1 自然通風(fēng)改善室內(nèi)熱環(huán)境的機(jī)理

1.1 風(fēng)壓

為盡可能滿足不斷增長的房屋建筑需求和有限的土地資源之間的矛盾，城市中出現(xiàn)了越來越多的高層建筑甚至是超高層建筑.而極高的建筑高度會對吹來的風(fēng)產(chǎn)生一定的阻擋作用，使得動壓被轉(zhuǎn)換成靜壓、正壓等，受到空氣渦旋的影響，遭到建筑阻擋的風(fēng)將會“繞行”，此時在動壓陰影區(qū)當(dāng)中會形成一股負(fù)壓力.而建筑迎風(fēng)與背風(fēng)面之間將出現(xiàn)風(fēng)壓，受此影響空氣之間可以相互流通，從而有效改善室內(nèi)空氣品質(zhì)[1].

1.2 熱壓

住宅建筑室內(nèi)和室外之間會有一定的溫度差，而在此基礎(chǔ)之上住宅建筑室內(nèi)與室外之間還會形成一定的密度差以及高差，此時與建筑物墻面保持90°角的位置處將出現(xiàn)壓力梯度，以有效實現(xiàn)自然通風(fēng).在這一機(jī)理之下，越來越多的住宅建筑開始通過設(shè)計使用煙囪等種種形式盡可能實現(xiàn)自然通風(fēng).

1.3 共同作用

通常情況下在住宅建筑中，風(fēng)壓和熱壓的相互作用也是實現(xiàn)自然通風(fēng)的重要保障.一般進(jìn)深相對較小的住宅中會選擇運(yùn)用風(fēng)壓機(jī)理獲得自然通風(fēng)的效果.反之則多使用熱壓機(jī)理以幫助住宅建筑獲得較好的自然通風(fēng)效果.但在住宅建筑設(shè)計時需要盡可能防止出現(xiàn)熱壓和風(fēng)壓相抵的情況，因此應(yīng)當(dāng)在風(fēng)壓正壓區(qū)位置處設(shè)計熱壓出風(fēng)口[2].

2 住宅建筑自然通風(fēng)對室內(nèi)熱環(huán)境的影響分析

雖然從理論上來說，自然通風(fēng)確實能夠有效幫助住宅建筑改善室內(nèi)熱環(huán)境、提高室內(nèi)空氣流通速度、達(dá)到優(yōu)化空氣品質(zhì)的目的，但為進(jìn)一步證明住宅建筑自然通風(fēng)對室內(nèi)熱環(huán)境的實際影響，本文將選擇使用實驗分析的方式進(jìn)行驗證.

2.1 建筑概況

實驗中選擇的住宅建筑為筆者所在地區(qū)新建某小區(qū)中的板式住宅樓，住宅為一梯三戶一共六樓，共計三個單元；該住宅樓全部為三室兩廳兩衛(wèi)的戶型，窗戶則統(tǒng)一使用的推拉式鋁合金窗并配以20目的紗窗，具有較好的密封性，風(fēng)速和風(fēng)向也相對比較穩(wěn)定.而在該住宅建筑的前后左右均有其他樓房，因此樓房在南北方向上視野受限，東西向則相對較好.為有效驗證住宅建筑自然通風(fēng)對室內(nèi)熱環(huán)境的影響，本文以該建筑三層的三戶住宅進(jìn)行實驗，住宅結(jié)構(gòu)完全相同，實驗周期為7天，且房間內(nèi)無任何制冷和制熱設(shè)備.

2.2 布置測點(diǎn)

為盡可能確保實驗范圍能夠覆蓋全部房間，在布置室內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)時筆者選擇使用了對角線的測點(diǎn)布置方式，而對于面積相對比較大的客廳等區(qū)域，則統(tǒng)一使用了梅花式的測點(diǎn)布置方式.每一個測點(diǎn)距離墻面均保持在半米以上，并全部遠(yuǎn)離制冷、制熱設(shè)備或是小截面通道，防止其對最終的實驗結(jié)果造成干擾.每一個測點(diǎn)距離地面均保持在1.5米，住宅中共有三個十平米的房間，每個方面中均布置一個測點(diǎn)，客廳面積相對較大因此布置了兩個測點(diǎn)，餐廳面積只有15平米，因此布置一個測點(diǎn)即可.在對住宅建筑進(jìn)行實驗的過程中，為盡量避免其他因素的干擾，筆者封閉了衛(wèi)生間、廚房、儲藏間的門窗，因此上述建筑部分并不在此次實驗范圍內(nèi).下圖展示的就是本次實驗住宅的測點(diǎn)布置示意圖，其中“數(shù)字#”表示的是與之相對應(yīng)的房間、測點(diǎn)與窗戶.

圖1 實驗住宅建筑的測點(diǎn)布置示意圖

2.3 測試內(nèi)容

實驗期間內(nèi)天氣情況良好，無大風(fēng)、暴雨等極端惡劣天氣，且室外風(fēng)速基本保持穩(wěn)定，尤其是在紗窗的整流作用下，從室外進(jìn)入房間、客廳等位置處的風(fēng)向基本固定、風(fēng)速也保持勻速狀態(tài).考慮到住宅建筑的整體結(jié)構(gòu)布局，在此次實驗當(dāng)中筆者設(shè)計了九種測試方式，第一種為設(shè)定1號和2號房間為開窗房間；第二種為設(shè)定2號和3號房間為開窗房間；第三種為設(shè)定1號和4號房間為開窗房間；第四種為設(shè)定3號和4號房間為開窗房間；第五種為除3號房間以外，其余房間均為開窗房間；第六種為設(shè)定2號、3號和4號房間為開窗房間；第七種為除4房間外，其余房間全部為開窗房間；第八種為除2號房間外，其余房間全部為開窗房間；第九種則將1號到4號房間全部設(shè)為開窗房間；所有方案的測試時間完全相同，即上午九點(diǎn)至下午六點(diǎn)，當(dāng)室內(nèi)溫度在18℃以下時立刻關(guān)閉窗戶，如果室內(nèi)溫度超過22℃則立刻打開窗戶.下表展示的就是本次實驗的設(shè)計方案：

表1 實驗設(shè)計方案

2.4 數(shù)據(jù)采集

為有效保障實驗結(jié)果的真實性和有效性，本次實驗中使用的設(shè)備全部為專業(yè)的檢測儀器，并且每隔一個小時便會對住宅建筑外部的相對濕度以及二氧化碳濃度進(jìn)行一次檢測.每隔半個小時便會對住宅建筑外部的實際溫度值和風(fēng)速進(jìn)行準(zhǔn)確檢測.每隔半個小時會對住宅建筑內(nèi)部的溫度和二氧化碳濃度等參數(shù)值進(jìn)行檢測.另外，為避免因極端值和特殊值影響實驗數(shù)據(jù)的實效性，在每一次檢測當(dāng)中，筆者都會進(jìn)行兩次檢測，通過求取平均值的方式將其作為最終的檢測數(shù)據(jù)并進(jìn)行逐項準(zhǔn)確記錄.

2.5 結(jié)果分析

首先，在住宅建筑室外的溫度、濕度等檢測當(dāng)中，在實驗期間內(nèi)，室外的最低溫度為16℃，最高溫度為25℃，平均溫度值為20.5℃，室內(nèi)外之間的溫度差值在10℃以內(nèi)，基本上在方案一到方案九的實驗過程中，室外溫度始終處于這一范圍之內(nèi).另外，在實驗期間內(nèi)，筆者通過讀取專業(yè)檢測儀器設(shè)備中獲取的數(shù)值可以發(fā)現(xiàn)室外的相對濕度差值較大，室外相對濕度最大為上午九點(diǎn)到十點(diǎn)，基本可以保持在65%以上，而下午兩點(diǎn)到四點(diǎn)之間的室外相對濕度值則小得多，基本不會超過35%.在實驗期間內(nèi)，室外的最大風(fēng)速為每秒1.3米，最小風(fēng)速為每秒0.7米，平均室外風(fēng)速值為每秒一米左右，而在實驗的七天之內(nèi)，只有一天為東南風(fēng)，其余六天均為西北風(fēng).

其次，在主宰建筑室內(nèi)的溫度、濕度等參數(shù)檢測當(dāng)中，在實驗期間內(nèi)，筆者發(fā)現(xiàn)方案九即打開所有房間窗戶的方式，會產(chǎn)生巨大的通風(fēng)量，使得房間內(nèi)的溫度下降速度非常快，在短短的二十分鐘之內(nèi)，室內(nèi)溫度便降至16℃，因此筆者最終只能關(guān)閉窗戶.雖然其空氣流通速度非?？烨医禍匦Ч容^明顯，但在寒冷地區(qū)的住宅建筑中顯然并不適用.在方案一即只打開1號和2號房間的窗戶，以及在方案七打開除4號房間外其他全部房間窗戶的實驗過程中，室內(nèi)溫度變化速度相對比較快，根據(jù)實驗要求筆者需要頻繁進(jìn)行開窗和關(guān)窗.因此經(jīng)過多重考慮，筆者最終發(fā)現(xiàn)方案三與方案五，以及方案六和方案八具有良好的實驗效果.上述方案中，室內(nèi)溫度的變化速度相對比較平緩，具有較高的舒適度.

3 結(jié)論

總體來看，方案三與方案五，以及方案六和方案八中，住宅建筑通過自然通風(fēng)，室內(nèi)各房間的溫度分布比較平均，氣流速度可以保持在每秒0.85到1.0米之間，有利于房間的通風(fēng)換氣.并且上述四個方案當(dāng)中關(guān)窗頻率比較小，平均只需要關(guān)窗兩次，而根據(jù)檢測設(shè)備顯示，在上午十一點(diǎn)之后室外空氣質(zhì)量優(yōu)良，比較適合人們開窗通風(fēng)[3].在下午五點(diǎn)之前，室外空氣質(zhì)量也處于良好狀態(tài)，PM2.5基本在10到20之間，空氣中的一氧化碳和二氧化碳值分別在1和30左右，因此也比較適合人們開窗通風(fēng)換氣.但此后室外的氣溫將迅速下降，加之受到晚高峰等其他因素的影響，室外的二氧化碳和其他污染物的濃度值將迅速增加，此時并不適合人們繼續(xù)開窗通風(fēng).因此在綜合考量之下，方案六中打開2號、3號和4號房間進(jìn)行開窗通風(fēng)的方式在改善室內(nèi)空氣品質(zhì)、加快室內(nèi)空氣流通速度、調(diào)節(jié)室溫方面表現(xiàn)最優(yōu).

根據(jù)此次試驗我們可以明確得知，住宅建筑利用自然通風(fēng)的方式使得室內(nèi)能夠保持良好的氣流組織，在加快室內(nèi)空氣流通速度之下，室內(nèi)的有毒有害物質(zhì)濃度能夠得到有效降低，并且在新鮮空氣的進(jìn)入之下，此時人們能夠保持較高的舒適感.但住宅建筑的自然通風(fēng)也需要根據(jù)具體的天氣情況進(jìn)行隨時調(diào)整，如在霧霾、沙塵暴等特殊天氣下，并不適宜開窗通風(fēng)，另外在冬季或氣溫偏低的情況下還需要適當(dāng)縮短開窗通風(fēng)的時間[4].

〔1〕李想.自然通風(fēng)住宅建筑室內(nèi)空氣品質(zhì)的測試研究及治理措施[D].西安建筑科技大學(xué)，2015.

〔2〕王磊.寒冷地區(qū)不同年代住宅建筑室內(nèi)熱環(huán)境調(diào)查研究[D].西安建筑科技大學(xué)，2015.

〔3〕王冬梅.垂直百葉對典型辦公建筑自然通風(fēng)及室內(nèi)熱環(huán)境影響研究[D].安徽建筑大學(xué)，2015.

〔4〕張明.西藏地區(qū)住宅建筑室內(nèi)熱環(huán)境被動式調(diào)控策略研究[D].重慶大學(xué)，2015.

TU834.1

A

1673-260X（2017）09-0039-02

2017-07-02

皖西學(xué)院校級青年項目：皖西高校室內(nèi)熱環(huán)境熱舒適度研究(WXZR1506)