楊少剛 楊芳乙 楊文杰 何開遠

中機中聯(lián)工程有限公司

0 前言

隨著綠色建筑的大力推廣，對房間自然通風的要求也在不斷提高。影響建筑自然通風的因素較多，如建筑朝向、通風開口的位置，通風面積的大小等，其研究成果較多，如《城市居住區(qū)熱環(huán)境設(shè)計標準》JGJ 286-2013對居住區(qū)的夏季平均迎風面積比作了要求[1]。浙江省地方標準《居住建筑風環(huán)境和熱環(huán)境設(shè)計標準》DB33/1111-2015對建筑物朝向及平面布局設(shè)計、建筑物門窗設(shè)計作了相關(guān)規(guī)定[2]。在眾多影響室內(nèi)自然通風的因素中，外窗的開啟方式則是一個較為容易被忽視的因素，國內(nèi)對其研究較少。文獻[3]研究了用不同外窗開啟方式的條件下，對居室內(nèi)部自然通風的影響，但其只研究了單個房間和單個風向[3]。

本文將對板式居住建筑典型樓層在不同風向下和采用不同外窗開啟方式的自然通風狀況進行分析，為外窗開啟方式設(shè)計起到一定的指導意義。

1 項目概況

本文研究對象為某板式居住建筑，其建筑平面圖如圖1所示。項目地點為重慶市市區(qū)，樓層高度為3 m，一共7層，每層建筑面積為633 m2，研究的典型樓層為第五層。

圖1 建筑平面圖

由于重慶地區(qū)過渡季節(jié)室外風頻在N～WN風向范圍較高，故研究的室外風向為N、NNW、WN風向，其中，上懸窗開啟角度為30°，平開窗開啟角度為60°。

根據(jù)《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》，重慶市市區(qū)在N、NNW、WN風向下平均風速具體如表1所示[4]。

表1 不同風向下平均風速

在不同高度上的室外風速分布按下式計算[5]：

式中：vz為高度為z處的風速，m/s；v10為離地10 m高處的風速，m/s；α 為地面粗糙度指數(shù)，本文取0.22。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型簡化

由于衛(wèi)生間及樓梯間為非重點關(guān)注區(qū)域，且衛(wèi)生間門、入戶門經(jīng)常處于關(guān)閉狀態(tài)，故對衛(wèi)生間及樓梯間進行填充，減少網(wǎng)格數(shù)量，房間內(nèi)門均按照開啟建模。采用k-ε 兩方程模型對其進行數(shù)值模擬，模擬方式采用室內(nèi)外耦合模擬。

2.2 推拉窗數(shù)值模擬

當外窗開啟方式采用推拉窗時，在N、NNW、WN風向下，通過CFD數(shù)值模擬，室內(nèi)0.9 m空氣齡云圖如圖2所示。

圖2 采用推拉窗時，N、NNW、WN風向下空氣齡云圖

2.3 上懸窗數(shù)值模擬

當外窗開啟方式采用上懸窗且開啟角度為30°時，在N、NNW、WN風向下，通過CFD數(shù)值模擬，室內(nèi)0.9 m空氣齡云圖如圖3所示。

圖3 采用上懸窗時，N、NNW、WN風向下空氣齡云圖

2.4 平開窗數(shù)值模擬

當外窗開啟方式采用平開窗且開啟角度為60°時，在N、NNW、WN風向下，通過CFD數(shù)值模擬，室內(nèi)0.9 m空氣齡云圖如圖4所示。

圖4 采用平開窗時，N、NNW、WN風向下空氣齡云圖

3 房間空氣齡統(tǒng)計分析

由于不同開窗方式對主要功能房間通風換氣的影響較為顯著的為臥室，而對客廳通風換氣的影響較小，故在分析平均空氣齡和自然通風氣流組織的均勻性時，研究對象僅為臥室。

不同外窗開啟方式和不同風向下，臥室平均空氣齡如表2所示。

表2 臥室平均空氣齡

由表2可知，在N風向下，不同外窗開啟方式對應(yīng)的臥室平均空氣齡大小排序為：平開窗＞上懸窗＞推拉窗。故在N風向下，采用推拉窗，室內(nèi)通風量最大，其次是上懸窗，最后是平開窗。在NNW風向下，不同外窗開啟方式對應(yīng)的臥室平均空氣齡大小排序為：上懸窗＞平開窗＞推拉窗。故在NNW風向下，采用推拉窗，室內(nèi)通風量最大，其次是平開窗，最后是上懸窗。在WN風向下，不同外窗開啟方式對應(yīng)的臥室平均空氣齡大小排序為：上懸窗＞推拉窗＞平開窗。故在WN風向下，采用平開窗，室內(nèi)通風量最大，其次是推拉窗，最后是上懸窗。

從以上分析可以看出，當建筑朝向與風向的夾角越小且采用推拉窗時，房間自然通風量較其他兩種外窗開啟方式大。當建筑朝向與風向的夾角逐漸增大，平開窗開啟方式對建筑自然通風量的優(yōu)勢在逐漸凸顯，當建筑朝向與風向的夾角為45°時，采用平開窗對建筑的自然通風量提高最大，這主要歸因于平開窗的窗扇可以起到一定的導風作用。

在整體評價居住建筑的自然通風時，除房間平均空氣齡的大小外，還有一個指標對建筑自然通風也尤為重要，即房間的空氣齡標準差。當空氣齡標準差越大，則說明自然通風氣流組織越不均勻，有的房間能獲得較好的通風，有的房間通風量則過小。當空氣齡標準差越小時，則說明自然通風分配更加均勻，對房間的自然通風更加有利。不同外窗開啟方式和不同風向下，臥室空氣齡標準差如表3所示。

表3 臥室空氣齡標準差

由表3可知，在N風向下，不同外窗開啟方式對應(yīng)的空氣齡標準差大小排序為：上懸窗＞推拉窗＞平開窗。故在N風向下，采用平開窗時，建筑整體的自然通風均勻性較優(yōu)，其次是推拉窗，最末是上懸窗。在NNW風向下，不同外窗開啟方式對應(yīng)的空氣齡標準差大小排序為：上懸窗＞推拉窗＞平開窗。故在NNW風向下，采用平開窗時，建筑整體的自然通風均勻性較優(yōu)，其次是推拉窗，最末是上懸窗。在WN風向下，不同外窗開啟方式對應(yīng)的空氣齡標準差大小排序同樣為：上懸窗＞推拉窗＞平開窗。故在N風向下，同樣是采用平開窗時，建筑整體的自然通風均勻性較優(yōu)，其次是推拉窗，最末是上懸窗。

從以上分析可以看出，在三種風向下，對于建筑整體的自然通風均勻性，均是平開窗較優(yōu)，其次是推拉窗，最末是上懸窗。同時還可以發(fā)現(xiàn)，當風向改變時，對采用平開窗的建筑整體的自然通風的均勻性影響較小，其次是推拉窗，最后是上懸窗。在N風向下，上懸窗的空氣齡標準差為39 s，當風向變?yōu)閃N向時，空氣齡標準差增大到102 s，可見對其影響之巨大。

若采用10次/h的通風換氣次數(shù)作為分界時，不同外窗開啟方式和不同風向下，不滿足10次/h的房間個數(shù)統(tǒng)計如表4所示。

表4 自然通風換氣次數(shù)不滿足10次/h的房間數(shù)量統(tǒng)計

通過表4可以發(fā)現(xiàn)，當采用推拉窗時，在WN風向下，有一個房間自然通風換氣次數(shù)小于10次/h。當采用上懸窗時，在NNW、WN風向下，均有1個房間的自然通風換氣次數(shù)小于10次/h。當采用平開窗時，在3種風向下，房間的自然通風換氣次數(shù)均大于10次/h。由此可見，當采用平開窗時，在3種風向下，建筑即能獲得足夠的自然通風量，同時也能或者較好的自然通風均勻性，故平開窗開啟方式較有比較明顯優(yōu)勢。

通過觀察上文中空氣齡云圖，可以發(fā)現(xiàn)，在WN風向下，當采用推拉窗或上懸窗時，臥室16的自然通風效果均不佳，而當采用了平開窗時，則得到了很大改善。在WN風向下，臥室16在三種外窗開啟方式下的風速矢量圖如圖5所示（距樓板1.5 m）。

圖5 WN風向下，自然通風矢量圖對比

由圖5可知，當采用平開窗時，由于窗扇對橫向風的阻擋，使窗口形成負壓，此負壓將室內(nèi)空氣抽出室外，從而增強了室內(nèi)的自然通風?？梢?，當建筑朝向與風向的夾角為45°時，平開窗窗扇的導流作用對于增強室內(nèi)換氣效果較為顯著。

4 結(jié)論

通過對不同外窗開啟方式和不同風向下房間的自然通風進行數(shù)值模擬，并采用臥室平均空氣齡及空氣齡標準差進行統(tǒng)計分析，得到如下結(jié)論：

1）對于建筑總體自然通風的風量而言，在N風向下，推拉窗＞上懸窗＞平開窗。在NNW風向下，推拉窗＞平開窗＞上懸窗。在WN風向下，平開窗＞推拉窗＞上懸窗。隨著建筑朝向與風向的夾角逐漸增大，平開窗窗扇的導風作逐漸增強，從而使平開窗的優(yōu)勢逐漸凸顯。

2）對于建筑自然通風氣流組織的均勻性而言，在N、NNW、WN風向下，均為平開窗較優(yōu)、其次是推拉窗、最后是上懸窗。可見，平開窗窗扇的導風作用有助于建筑自然通風的均勻性。

3）當采用平開窗時，建筑即能獲得足夠的自然通風量，同時也能獲得較好的自然通風均勻性，故平開窗的開啟方式較有比較明顯的優(yōu)勢。

4）由于研究的板式建筑為東西對稱建筑，故當室外風向為N、NNE、EN時，也可以得出類似的結(jié)論：對于建筑總體自然通風的風量而言，在N風向下，推拉窗＞上懸窗＞平開窗。在NNE風向下，推拉窗＞平開窗＞上懸窗。在EN風向下，平開窗＞推拉窗＞上懸窗。對于建筑自然通風氣流組織的均勻性而言，在N、NNE、EN風向下，均為平開窗較優(yōu)、其次是推拉窗、最后是上懸窗。

5）當同時考慮建筑自然通風量與自然通風均勻性時，平開窗開啟方式較上懸窗、推拉窗開啟方式具有明顯的優(yōu)勢。