丁 勇,李百戰(zhàn),沈 艷,蘇瑩瑩

(重慶大學(xué) 三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室,重慶400045)

自然通風(fēng)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(fēng)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[1-6]。然而,由于自然通風(fēng)的實現(xiàn)是一種依賴于建筑設(shè)計的被動式方法,因此其應(yīng)用效果很大程度上依賴于建筑的朝向、平面布局等設(shè)計效果。良好的建筑設(shè)計有助于增強室內(nèi)自然通風(fēng)的效果,同樣,建筑設(shè)計上的差異,也會給建筑通風(fēng)效果產(chǎn)生較大的影響[7-9]。正是由于自然通風(fēng)在實際應(yīng)用中的眾多不確定性,目前關(guān)于自然通風(fēng)在建筑中的應(yīng)用研究仍主要集中在對技術(shù)理念的研究[10-11],而對于具體的應(yīng)用效果缺乏相關(guān)的具體數(shù)據(jù)說明。這也使得建筑師在建筑設(shè)計上往往對如何加強室內(nèi)自然通風(fēng)以及室內(nèi)的實際通風(fēng)效果尚缺乏客觀的數(shù)據(jù)支撐,僅能根據(jù)感覺予以設(shè)計,因而實際的應(yīng)用往往存在些許片面。

在對重慶住宅建筑自然通風(fēng)實測效果研究的基礎(chǔ)上[14],結(jié)合重慶市2008年的最佳戶型評選活動中的部分建筑的平面設(shè)計,利用數(shù)值分析方法,從建筑朝向和建筑室內(nèi)布局兩方面出發(fā),分析了布局設(shè)計和朝向設(shè)計的不同對室內(nèi)通風(fēng)效果的影響,對不同設(shè)計下的室內(nèi)自然通風(fēng)環(huán)境的熱舒適度進行了定量的分析,利用數(shù)據(jù)的對比,為建筑設(shè)計人員在進行建筑自然通風(fēng)策略應(yīng)用時提供客觀作用效果的指導(dǎo)。

針對上述戶型在不同朝向和建筑布局時的室內(nèi)通風(fēng)效果,采用A IRPAK 2.1數(shù)值模擬分析的方法對不同建筑朝向和不同建筑布局設(shè)計的情況進行了模擬。由于重點是利用對比的手段,探討不同的建筑布局及朝向?qū)κ覂?nèi)氣流組織的影響,為了簡化模擬分析的復(fù)雜程度,文中假設(shè)在設(shè)定的條件下,室外環(huán)境狀態(tài)恒定,并且忽略周圍環(huán)境對該戶型室外環(huán)境的影響[12];同時不考慮室內(nèi)熱源影響。

1 建筑朝向設(shè)計對室內(nèi)自然通風(fēng)效果的影響

對于建筑朝向的分析,我們采用評選活動中評選出來的最佳舒適戶型,如圖1,該戶型為3室2廳雙陽臺,套內(nèi)面積為83.08 m2,專家對其評價是戶型布局優(yōu)雅大氣,重視起居室和陽臺的功能,強調(diào)產(chǎn)品的舒適性。為了客觀評價該產(chǎn)品的室內(nèi)舒適性,我們開展了如下研究。

根據(jù)《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》[13]中的5月～9月的環(huán)境參數(shù)平均值,以及針對建筑在關(guān)閉門窗測試的室內(nèi)溫度平均值[14],確定分析工況為：

工況1：西北風(fēng) 1.5 m/s,環(huán)境溫度27.0℃,相對濕度78%,室內(nèi)初始溫度30.1℃,戶型本來朝向如圖1所示。

工況2：西北風(fēng) 1.5 m/s,環(huán)境溫度27.0℃,相對濕度78%,室內(nèi)初始溫度 30.1℃,改變戶型朝向,將原朝向逆時針旋轉(zhuǎn)90°。

圖1 戶型平面圖

1.1 風(fēng)壓分布

工況1為戶型的本來朝向,其壓力分布圖如圖2(a)所示。圖2(b)為改變戶型朝向之后的工況2的壓力分布圖。

從圖2(a)可以看出,迎風(fēng)面風(fēng)壓為正,由于建筑的結(jié)構(gòu)原因,西向的書房和廚房為負壓。主臥室的窗戶處由于氣流組織的回流,其內(nèi)外產(chǎn)生壓差,使主臥窗戶成為進風(fēng)口。而客廳和次臥的窗戶內(nèi)外壓力分布顏色幾乎一致,這說明其壓差非常小,不易形成明顯的氣流組織。當(dāng)改變建筑朝向,使大多數(shù)的開口處于迎風(fēng)面時,得到圖2(b)。從圖可以看出,迎風(fēng)面形成正壓,背風(fēng)面為負壓,客廳陽臺壓力處壓力大于其它房間壓力,而在書房內(nèi)形成負壓,這樣更容易形成良好的氣流組織。

1.2 風(fēng)速分布矢量

圖3為更改朝向前后的速度矢量分布圖,由圖可見,工況1中戶型沒有任何開口處于迎風(fēng)面,進風(fēng)口位于背風(fēng)面的主臥室以及次臥室的窗戶口。工況2中,氣流主要從客廳陽臺及次臥的開口處進入,從書房和主臥室的窗戶處流出,其氣流組織情況明顯優(yōu)于工況1。

圖3 風(fēng)速分布矢量圖

1.3 速度大小分布

圖4 速度分布云圖

圖4為更改朝向前后的速度分布云圖,由圖可知,工況1中室內(nèi)形成的最大風(fēng)速位于書房的門口處,為0.47 m/s。在主臥室內(nèi)產(chǎn)生的風(fēng)速最大為0.22 m/s,次臥室的窗戶處產(chǎn)生了 0.25 m/s的風(fēng)速,但其突變較快,未能在室內(nèi)形成良好的氣流形式。而陽臺處風(fēng)速幾乎為零,此處較大的開口形同虛設(shè)。工況2中室內(nèi)最大的風(fēng)速產(chǎn)生于過道和書房入口處,達到了0.78 m/s。陽臺為風(fēng)速最大的進風(fēng)口,窗戶口產(chǎn)生的風(fēng)速為0.90 m/s,次臥室窗口的進風(fēng)速度也達到了0.82 m/s。而書房和主臥窗口為氣流出口,使得這2個房間內(nèi)的平均風(fēng)速比較大。

1.4 溫度分布

自然通風(fēng)的其中一個很重要的作用是當(dāng)室外溫度高于室內(nèi)溫度時,能起到降低室內(nèi)溫度的作用,這從更改朝向前后的室內(nèi)溫度分布云圖5可以看出來。從前面的分析中,我們知道,工況2的自然通風(fēng)氣流組織是優(yōu)于工況 1的,因此,當(dāng)室外溫度為27.0℃,室內(nèi)溫度為30.1℃,在良好的氣流組織下,工況2各房間溫度降低比較快,室內(nèi)溫度的分布更均勻,室內(nèi)平均溫度更接近于室外溫度。工況1中客廳的溫度降低最慢,這與前面分析的客廳室內(nèi)外壓差較小、風(fēng)速較小的結(jié)論相符合,2種工況室內(nèi)溫度相差0.9℃。

圖5 溫度場分布情況

1.5 PMV分布

在進行PMV計算的過程中,參數(shù)的選取主要是參照ANSI/ASH RAE Standard55-2004[15],對計算值也作了相應(yīng)的修正[16]。圖6為2種工況的PMV值分布,綜合體現(xiàn)了各因素對人體熱舒適的影響情況。對比圖6(a)、(b)2圖可以看出,工況1中僅有主臥室房間部分的PMV值較接近于零,而工況2的客廳、書房、主臥和次臥的PMV值更多的接近于零。從對人體熱舒適的影響來看,工況2更利于創(chuàng)造良好的室內(nèi)熱環(huán)境。

圖6 PMV分布云圖

根據(jù)上述數(shù)值分析的對比研究,我們可以看出,在建筑中有效利用自然通風(fēng),可以在過渡季節(jié)有效改善室內(nèi)熱環(huán)境,溫度降低幅度接近1℃,室內(nèi)熱環(huán)境舒適度更趨于均勻。但是,這一功效不是僅僅依靠在建筑上多開口、開大口就可以實現(xiàn)的,合理有效的室內(nèi)自然通風(fēng),必須結(jié)合建筑的朝向予以合理設(shè)計,建筑的開口應(yīng)充分結(jié)合風(fēng)向,使建筑的開口在風(fēng)向的作用下,有效形成正、負壓位置,從而滿足自然風(fēng)的流通。

2 建筑布局設(shè)計對室內(nèi)自然通風(fēng)效果的影響

對于建筑布局改變的分析戶型來源于評選活動中評選出來的最佳舒適戶型,如圖7的平面圖,為5室2廳雙陽衛(wèi)生,套內(nèi)面積為138.96m2,專家對其評價空間設(shè)計開敞、流動的,采光明亮充足、細部做工精致,房間功能齊全,通風(fēng)采光使生活舒適愜意。同樣,為了客觀衡量該戶型的通風(fēng)舒適性,我們開展了如下研究。

圖7 戶型平面圖

按照與前相同的分析思路,首先確定分析的工況如下：

工況1：西北風(fēng) 1.5 m/s,環(huán)境溫度27.0 ℃,相對濕度78%,室內(nèi)初始溫度 30.1℃,戶型本來布局。

工況2：西北風(fēng) 1.5 m/s,環(huán)境溫度27.0 ℃,相對濕度78%,室內(nèi)初始溫度30.1℃,改變戶型細部布局。

按照上述設(shè)定的工況,通過計算分析,得到在工況1的狀態(tài)下,該戶型室內(nèi)的壓力分布、風(fēng)速分布、速度分布以及PMV值的分布圖,如圖8。

圖8 工況1模擬結(jié)果

從圖8中我們可以做出以下分析：

1)該戶型的迎風(fēng)面西向和北向為正壓,因此主臥、北向次臥及客廳窗口為進風(fēng)口,南向次臥和南向衛(wèi)生間窗口為出風(fēng)口,在圖中顯示為負壓區(qū)。主臥窗口處為最大正壓區(qū),南向次臥為最大負壓區(qū),有利于強化自然通風(fēng)。

2)從風(fēng)速矢量圖可以看到,建筑室內(nèi)的氣流由主臥、北向次臥及客廳窗口流入,從房間門口流出,再流入南向次臥和南向衛(wèi)生間,從其窗戶口流出。書房窗戶口有少量氣流進入,未形成明顯氣流組織。

3)住宅最大氣流產(chǎn)生于主臥窗戶口和南向臥室出風(fēng)口處,風(fēng)速大小達到1.2 m/s,室內(nèi)最大風(fēng)速為0.8 m/s,平均風(fēng)速為0.24 m/s,其次為客廳和南向衛(wèi)生間。由于衛(wèi)生間為出風(fēng)口,所以不會與室內(nèi)產(chǎn)生串味現(xiàn)象,說明此設(shè)計中就自然通風(fēng)方面設(shè)計者考慮得比較細致。

4)主臥室、客廳、南向臥室的室內(nèi)熱環(huán)境最佳,廚房和衛(wèi)生間為人員短暫時間停留的地方,可不用著重考慮。整個戶型中PMV值接近零的區(qū)域比較大,但遺憾的是書房為人員長時間停留的地方,但該房間內(nèi)氣流組織情況欠佳,造成其熱舒適環(huán)境較其他房間要差。

綜合以上分析,我們可以看到該戶型的氣流組織形式較之第一種戶型要好,房間布局設(shè)計強化了大多數(shù)房間的自然通風(fēng)。但書房的窗戶開口雖然比較大,卻沒起到強化自然通風(fēng)的作用,客廳西向的小窗戶處也可以考慮加大面積以強化面積較大的客廳的自然通風(fēng)效果。因此,針對上述戶型的細部稍作改進后,得到了以下模擬結(jié)果,如圖9所示。

圖9是在上述戶型的基礎(chǔ)上在書房南外墻上添加了一面1.2m寬的窗戶開口(此處不考慮其他建筑因素),由于建筑在客廳西外墻處產(chǎn)生回流,因此將客廳西外墻的小窗戶口加寬0.3 m,如圖中橢圓圈處。從圖 9(a)、(b)可以看到,改動之后,室內(nèi)更大的面積有良好的氣流組織,主要表現(xiàn)在從主臥的進風(fēng)口流入的氣流部分流入書房內(nèi),從新增的窗戶口流出,強化了書房內(nèi)的氣流組織。原來的書房窗口此時也形成了進風(fēng)口,不再形同虛設(shè)?？蛷d的小窗戶面積加大后,產(chǎn)生了積極的作用,利用了建筑拐角處的回流,達到了強化自然通風(fēng)的目的。從圖9(c)可以看到,通過改進后,房間內(nèi)的主要區(qū)域的PMV值均低于0.391,即不滿意率在8%以內(nèi)。

圖9 工況2模擬結(jié)果

根據(jù)上述分析我們可以看到,建筑中的自然通風(fēng)效果的實現(xiàn),除了合理考慮朝向的因素外,還應(yīng)科學(xué)合理的開設(shè)建筑開口。而這里的開口絕不是僅憑借感性就可以確定的,大開口不一定有大效果,而小開口可能會帶來大收益。在本例的分析中,書房的原開口并未起到通風(fēng)的目的,而增設(shè)的書房和客廳外墻開口,則有效的實現(xiàn)了室內(nèi)的通風(fēng)作用。

3 結(jié) 論

對比分析了通過改變建筑布局和建筑朝向更好的利用自然通風(fēng)來改善室內(nèi)環(huán)境的數(shù)值模擬分析,得到了如下主要結(jié)論：

1)建筑朝向的選擇對于室內(nèi)自然通風(fēng)的效果有著顯著的影響,選擇合適的建筑朝向,使建筑的主要開口在自然通風(fēng)情況下位于合理的正、負壓位置,形成有組織的有效進風(fēng)口和出風(fēng)口,將會使建筑室內(nèi)形成良好的氣流流場,在相同條件下,對比更利于自然通風(fēng)的建筑朝向與原建筑朝向(圖1)的情況下,室內(nèi)產(chǎn)生的最大氣流從0.24m/s增強到0.82m/s,半小時后室內(nèi)溫度較原朝向低0.9℃,使得室內(nèi)的PMV值更接近舒適。

2)在進行自然通風(fēng)設(shè)計時,需進行流場數(shù)值分析,以確定不同建筑體型的正壓區(qū)和負壓區(qū),以判斷開口處是否能產(chǎn)生良好的通風(fēng)作用,以免建筑開口形同虛設(shè)。通過對建筑布局的室內(nèi)通風(fēng)效果分析,進行建筑局部開窗位置和大小的改動后,可使室內(nèi)形成更通暢的氣流流場,有效避免了氣流渦流區(qū)的產(chǎn)生,大大改善了對室內(nèi)熱舒適的滿意程度。

3)自然通風(fēng)對室內(nèi)環(huán)境的影響雖然顯而易見,然而在實際的應(yīng)用過程中,由于建筑設(shè)計人員對所設(shè)計的建筑在整個速度場中的相對位置不太了解,因而造成了建筑朝向不能滿足氣流貫穿、建筑平面布局阻礙室內(nèi)氣流流通、建筑開口所處風(fēng)壓位置不能有效產(chǎn)生通風(fēng)效果等問題的出現(xiàn),從而使得貌似通風(fēng)良好的建筑實際的通風(fēng)卻不容樂觀。通過文章的分析研究,有助于建筑設(shè)計人員提高對自然通風(fēng)效果的認識,并為設(shè)計人員在進行建筑設(shè)計時合理組織室內(nèi)自然通風(fēng)提供參考手段。

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