高層住宅中間戶型自然通風優(yōu)化設計研究
——以宿遷地區(qū)為例＊

段忠誠 劉正偉 蔡蕾蕾 朱冬冬

隨著我國城市化進程的推進，高層住宅建設逐年增多，其中一梯四戶的戶型占比較高。受交通空間阻隔，“穿堂風”無法在此類住宅中有效形成。自然通風是保持室內空氣質量最綠色、有效的方式，因此研究中間戶型自然通風對提升室內風環(huán)境、降低能耗具有一定現實意義。

在建筑自然通風方面，2016年Ardalan Aflaki指出通風效果、空氣溫度和相對濕度的影響因素[1]；2018年莊濤指出住宅室內風環(huán)境的內部外部影響因素[2]；2019年徐子健研究出設立中庭構造能更好地組織內部自然通風[3]；2021年尹東衡指出高層住宅室內平均風速差異的主導影響因子[4]；2021年韓志旭指出一定范圍內“井廊空間”長寬比值與中間戶型通風效果呈正相關[5]。在細部構造方面，2008年Tine S.Larsen指出通過窗戶開口的空氣量的影響因素[6]；2014年黃琳瑜指出通風效率在風進出口與門的位置同一側時最高[7]；2017年Ghada Elshafei指出調整窗戶參數（窗戶位置和尺寸）能夠提高室內熱舒適性[8]；2019年Katarina Kosutova指出風速最大的立面開口位置為上部且立面中心有百葉窗開口的空間空氣交換率較高[9]。在研究方法方面，2015年Chia Ren Chu等人采用風洞實驗[10]；2015年Weihong Guo和Xiao Liu等人運用CFD模擬技術[11]；2017年Zhangping Lei運用問卷調研和實測模擬的方式進行了通風性能的模擬分析[12]；2018年Ebrahim Solgi等人采用文獻調查的方式總結出氣候、建筑和技術參數三個因素對通風性能的影響[13]。

以上研究多針對基礎戶型，缺乏對高層住宅中間戶型室內風環(huán)境的系統(tǒng)分析。本研究針對宿遷市的風環(huán)境特征和氣候條件分析高層住宅中間戶型風環(huán)境優(yōu)劣形式，對其自然通風進行優(yōu)化設計。

1 研究方法

1.1 評價標準

本文主要采用實地調研和數值模擬軟件Airpak進行模擬分析。采用量化指標對不同設計方案比選。1）風速：最大風速應低于1.5m/s，平均風速用以比較不同設計方案；2）空氣齡：空氣齡是評價室內空氣質量的重要因子，平均空氣齡用以評價不同戶型設計方案；3）室內舒適風速區(qū)比率：舒適風速區(qū)間0.25～1m/s的面積比率。

1.2 研究模型的設定

根據調研現狀（圖1,2），模型標準層設置為四戶型，18層高且正南布置。兩邊戶型和公共交通空間簡化成不通風的實體，中間戶忽略內部隔墻和其他結構。開窗面積設定為正常情況下的一半，只有入戶門為關閉狀態(tài)，除客廳門為推拉門外其余為平開門，陽臺均在客廳南側布置。

1.3 參數設置

（1）模擬工況

本模擬工況采用2009—2019年宿遷地區(qū)典型氣象年數據統(tǒng)計表（表1）。宿遷地區(qū)夏季高溫多雨，室內需要加強通風，春秋過渡季需適量通風保持室內舒適度，冬季寒冷干燥窗戶一般處于關閉狀態(tài)。因此模擬選取夏季的風向和風速值。

表1 宿遷地區(qū)室外風環(huán)境模擬工況

（2）計算區(qū)域

模擬區(qū)域大小設定參考《綠色建筑設計標準》。對于樓層平面形式（內天井、前凹口）的模擬，入口、出口和側向邊界到中心建筑最近表面的距離分別為3H、3～6H和6H，高度為3H。對于戶型設計（開窗）的模擬，模擬區(qū)域設置為長方形區(qū)域，包含了中間戶型的整個標準層。

（3）數值設定

采用k—ε湍流方程進行風環(huán)境模擬。研究對象為高層住宅，位于城市中心位置，粗糙指數設置為0.3，梯度風按常規(guī)取值。

2 天井進深對中間戶型風環(huán)境的影響

內天井能在很大程度上解決采光和通風問題，后凹口集中對位設計時通風效率最佳，在此基礎上探究天井進深對室內風環(huán)境的影響，簡化后的物理模型如表2所示。天井的進深設置為2.5～5m且間隔0.5m，6種工況的模擬結果如圖3和表3所示。

模擬結果表明，室內風速隨著天井進深的增加呈現上升趨勢，在進深達到4m時呈現停滯狀態(tài)。這是因為天井上下貫通氣流會受到橫向與豎向兩個方向的影響，隨著天井進深加大，貫通氣流的主導性由豎向轉為橫向，在相互作用下會達到一個平衡點。在平衡點出現之前室內平均風速隨著天井進深的增加而增大，在平衡點之后天井進深對室內風環(huán)境的影響減弱，室內平均風速無明顯變化。

綜合以上，在夏季主導風情況下，天井與后凹口集中對位布置、內天井進深為4m時，室內風速與通風效率最佳。

3 前凹口布置形式對中間戶型風環(huán)境的影響

建筑平面的凹凸會產生風壓差而影響室內通風效果，根據調研簡化出建筑物理模型如表4所示，相關模擬參數條件與上文相同。

模擬結果如圖4和表5所示：前凹口增加了中間戶型與室外環(huán)境接觸的面積，但是會形成狹管效應。廚房和衛(wèi)生間一般設置在凹口位置，但是其洞口風壓較大容易造成嚴重的室內倒灌風，因此要選擇適宜的布置形式。

模擬結果表明，E、G戶型的室內風速相較于F戶型更穩(wěn)定，且兩者風速相差不大，呈現逐步上升趨勢。F戶型左戶室內風速最小處發(fā)生了嚴重的倒灌風，這是因為從中間凹口進入左戶的風與進入右戶的風疊加，風速增大。E戶型的右戶風速下降明顯，因為其右戶有西北兩側墻體阻隔，凹口風速增加引發(fā)倒灌風。兩側凹口形式中底部樓層室內風速有下降趨勢，到達臨界點之后逐步上升且浮動范圍大。因為部分流向中間樓層的風被墻體阻隔后上下流動，向上流動的氣流增加室內風速并從頂部排除，向下流動的氣流到達底部后經過窗戶倒灌進入室內，抵消了一部分風速。綜合以上，在夏季主導風情況下中間加兩側分開凹口形式的室內風環(huán)境最優(yōu)。

4 開窗對中間戶型風環(huán)境的影響

根據前文調研的6種典型戶型簡化后模型如圖5所示。

4.1 開窗面積對中間戶型風環(huán)境的影響

窗戶的開啟面積可以根據室內需求進行尺寸與角度的調節(jié)，一般用窗墻比來進行合理的尺寸界定。因為C戶型開間尺寸全面更具代表性，模擬其在窗墻比0.20、0.25、0.30、0.35、0.40幾種工況下的室內風環(huán)境。

模擬結果表明（表6），所有工況下室內平均風速隨著窗墻比的增大而增大，由于南向入口面積遠大于北向出口，室內最大氣流出現在客廳推拉門附近。窗墻比為0.20時室內靜風區(qū)面積較大，少部分區(qū)域處于舒適區(qū)間，室內風速較小。窗墻比為0.35時，63%的區(qū)域風速0.25～1m/s，室內舒適度較好，風速平均為0.42m/s，分布較為均勻。當窗墻比增加到0.40時室內空氣流動較快，平均風速最大達到0.65m/s，人體吹風感明顯。北側空間如廚房、衛(wèi)生間的空氣齡比南側空間的客廳和主臥室大很多，所以南向空間空氣質量更好。窗墻比為0.20時北向空間臥室空氣齡在300s左右，大于其他模擬工況，靜風區(qū)處于部分房間墻角和儲藏室位置，局部區(qū)域空氣質量較差。當窗墻比為0.40時大部分區(qū)域室內空氣齡在100s以內，空氣質量最好。

綜合以上，室內風速與窗墻比呈正相關，空氣齡與窗墻比呈現負相關，隨著開窗面積的增大其建筑能耗也隨之增加，所以窗墻比為0.35時為最優(yōu)形式。

1 各區(qū)域高層住宅樓盤比例

2 每層住戶比重圖

4 左側、右側住戶室內風速

5 典型戶型簡化模型

表2 模擬戶型

表3 不同天井進深風速云圖

表4 凹口簡化模型匯總表

表5 不同凹口形式風速云圖

表6 不同開窗面積室內風速分布情況

4.2 開窗位置對中間戶型風環(huán)境的影響

影響建筑內部風環(huán)境的重要因素之一是門窗洞口的相對位置。本次模擬在保證采光面積的情況下，研究C戶型南向墻體上開窗位置（墻體西側、東側、中間和分開兩側）對于室內通風的影響。

模擬結果表明（表7），各種工況下室內風速分布情況類似，但實際通風效果不一樣。窗戶集中在西側時，室內風速分布較不均勻，南向房間靜風區(qū)范圍較廣，墻角處風速較大。由于進風口與出風口正對，主臥和次臥有近58%的區(qū)域風速小于0.25m/s；通過比較開窗居中集中布置與東側集中布置發(fā)現，東側集中布置時最大風速可達0.95m/s，但是分布不均勻，多分布于靠近客廳的墻壁處，南向房間空氣齡均在100s以內。開窗居中集中布置時最大風速略小于東側布置，但其氣流運動范圍更廣，分布更加均勻，對次臥室內通風更有利；開窗兩側分開布置時風從兩邊引入室內，且分布更加均勻，最大風速達到0.82m/s，室內整體舒適度較好，區(qū)域風速在0.25～1m/s，空氣質量更好。綜合以上，開窗兩側分開布置時，室內風環(huán)境更優(yōu)。

表7 不同開窗位置室內風速分布情況

表8 樓層平面優(yōu)化前后風速云圖

5 高層住宅中間戶型自然通風優(yōu)化設計

5.1 建筑平面布局優(yōu)化設計

平面形式中無天井和兩側凹口的戶型，僅靠南向窗口進行單側通風，室內通風效果較差。增加進深4m天井設計，在建筑平面面寬方向布置中間加兩側前凹口。樓層平面形式改進設計如圖6所示。

模擬結果表明（圖7,表8），優(yōu)化前整棟住宅幾乎處于無風狀態(tài)，平均風速均在0.1m/s以內，風環(huán)境較差。優(yōu)化后，底層左右兩戶室內平均風速從0.01m/s分別增加至0.27m/s和0.26m/s，頂層左右戶型平均風速分別增加至0.58m/s和0.41m/s。室內風速舒適區(qū)間的面積隨樓層高度增加而增加，頂層左右戶室內風速低于0.25m/s的面積比分別為9%和13%。針對樓層平面形式的室內風環(huán)境優(yōu)化策略可行。

5.2 典型戶型優(yōu)化設計

針對三類典型戶型，窗墻比均設置為0.35，南向開窗均兩側分開布置。

（1）A類戶型

A戶型為單朝向戶型，無北側通風口，不能形成比較流暢的通風路徑，室內靜風區(qū)較多。在已有策略的基礎上，增加北向出口調整通風路徑

模擬結果表明（表9），優(yōu)化后室內通風路徑比優(yōu)化前更連貫，室內風速分布更加均勻，靜風區(qū)面積減少，室內最大風速達到1.2m/s?？蛷d、主臥等空間空氣得到繞流，室內60%以上區(qū)域處于舒適區(qū)間，室內整體空氣齡下降，主要使用空間均在100s以內。針對A類戶型的優(yōu)化策略可行。

（2）B類戶型

B戶型為典型兩室戶型，南北通透，室內風環(huán)境較為舒適。但是部分使用房間僅有一個進風口，換氣效率不高。為了延長B戶型通風路徑且減少靜風區(qū)面積，在主臥增加一個窗口且在外墻對稱布置。

6 住宅樓層平面改進設計圖

7 左側、右側住戶室內風速

表9 A 類戶型優(yōu)化前后室內風速分布

表10 B 類戶型優(yōu)化前后室內風速分布

表11 C 類戶型優(yōu)化前后室內風速分布

模擬結果表明（表10），優(yōu)化后室內最大風速從0.93m/s增加至1.25m/s，室內有65%的區(qū)域屬于舒適區(qū)間?？蛷d、餐廳部分風速增加、靜風區(qū)面積減少。主臥增加窗口與出口錯位布置，整體空氣齡下降50s左右。針對B戶型的優(yōu)化策略可行。

（3）C類戶型

C類戶型將住宅建筑內部的北側連廊設計成開敞式以滿足南側戶型通風的需求，但是其進深較大導致室內通風效率較低，需要對通風路徑進行改善。

模擬結果表明（表11），優(yōu)化后臥室與書房靜風區(qū)面積減小，最大風速從0.84m/s增至1.24m/s。陽臺與入戶門直接形成貫通路徑，餐廳部分風速從0.05m/s提高至0.32m/s，客廳推拉門處出現最大風速，室內舒適風速區(qū)間面積也相應增加?？諝恺g下降200s，房間換氣效率得到提高。針對C戶型的優(yōu)化策略可行。

6 結語

通過對宿遷地區(qū)84棟高層住宅現狀調研與分析，占比最高的一梯四戶標準層多數南北通風不暢且中間戶型風環(huán)境普遍不佳。結合既有評價標準和宿遷氣候環(huán)境，本文以風速、空氣齡、室內舒適風占比作為風環(huán)境評價標準，采用控制變量方法，運用Airpak模擬分析各種形式不同參數對室內風環(huán)境的影響，并且針對樓層平面形式和戶型設計總結了相應的優(yōu)化策略。

針對宿遷地區(qū)新建住宅，樓層平面形式上可設置進深4m的內天井以促進中間戶型空氣流通，優(yōu)先選擇中間加兩側分開的前凹口形式，并且需要采用分戶墻，避免布置于前凹口位置的衛(wèi)生間和廚房等輔助空間發(fā)生倒灌風的現象。戶型設計上，單側通風戶型為獲得相對貫通的通風路徑，宜將客廳布置在西北側與東南側，綜合考慮建筑能耗和通風效率，窗墻比設置為0.35且窗戶分開兩側布置時室內風環(huán)境最佳。

圖片來源

1-7作者自繪

表格來源

1-11作者自繪