丁勇 胡玉婷

重慶大學(xué)土木工程學(xué)院

自然通風(fēng)是指依靠室內(nèi)外風(fēng)壓或熱壓進(jìn)行室內(nèi)外空氣交換，從而稀釋室內(nèi)污染物濃度、消除室內(nèi)余熱余濕的一種通風(fēng)換氣方式，不僅節(jié)能，還可以保證室內(nèi)的空氣品質(zhì)[1]。李芃等通過對上海地區(qū)辦公樓的模擬計算，得出自然通風(fēng)可實現(xiàn)45.7%節(jié)能率[2]；李百戰(zhàn)等對重慶住宅室內(nèi)熱環(huán)境狀況進(jìn)行了調(diào)查和實測，發(fā)現(xiàn)自然通風(fēng)是改善室內(nèi)熱環(huán)境最經(jīng)濟(jì)有效的辦法[3]。

1 自然通風(fēng)基本功能

通風(fēng)對于建筑和人而言，具有以下三種基本功能：

（1）健康通風(fēng)

室內(nèi)空氣污染物來源多種多樣，一般來講，室內(nèi)污染物濃度比室外高2～5倍，嚴(yán)重的高達(dá)數(shù)10倍，如果不對其進(jìn)行稀釋，將嚴(yán)重影響居住者的健康。實驗表明，通風(fēng)30min至少可減少室內(nèi)96.4%～99.5%的細(xì)菌[4]。

（2）熱舒適通風(fēng)

課題組前期在5、6月對重慶居住建筑室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行了測試，發(fā)現(xiàn)在5月份，自然通風(fēng)狀態(tài)下室內(nèi)熱環(huán)境與無通風(fēng)狀態(tài)相比，其不滿意率由25%～30%下降到10%～15%，平均相差13.5%，最高達(dá)到16.5%。6月的陰雨天氣中，自然通風(fēng)的不滿意率不高于20.0%，而無通風(fēng)的不滿意率高達(dá)53.0%[5]。

（3）降溫通風(fēng)

以課題組的通風(fēng)實測數(shù)據(jù)為例，在5、6月對普通居住建筑進(jìn)行實測，在8月對臨江建筑進(jìn)行室內(nèi)通風(fēng)實測[6]，結(jié)果如表1所示。

可以看出，自然通風(fēng)的降溫作用是有一定條件的，當(dāng)室內(nèi)氣溫高于室外，如重慶地區(qū)的過渡季節(jié)以及夏季的特定時段（清晨、上午），利用自然通風(fēng)能夠達(dá)到一定的降溫效果；而當(dāng)室外溫度高于室內(nèi)時（如6月的晴天和8月的下午），自然通風(fēng)將室外高溫空氣帶入室內(nèi)，室內(nèi)溫度反而更高。

雖然自然通風(fēng)可以在不消耗能源的情況下改善室內(nèi)空氣品質(zhì)，滿足人體熱舒適的要求，但由于其受到當(dāng)?shù)貧庀?、地理等多種因素的影響，作用效果有限。調(diào)查顯示大多數(shù)重慶居民有開窗的習(xí)慣，但普遍反映室內(nèi)通風(fēng)效果較差[7]。因此，需要對影響居住建筑自然通風(fēng)的關(guān)鍵因素進(jìn)行分析。

2 室外氣象條件對通風(fēng)的影響

室外氣象條件是影響通風(fēng)效果的重要因素之一，為提高室內(nèi)通風(fēng)效果，首先要對室外氣象環(huán)境進(jìn)行分析。本文以重慶地區(qū)的數(shù)據(jù)為例，對比說明不同尺度下室外環(huán)境氣候參數(shù)的差異。

2.1 城市氣候與微氣候?qū)Ρ确治?/h3>

微氣候是指在建筑周圍地面、屋面、墻面、窗臺等特定地點的氣溫、濕度、風(fēng)速等，建筑物本身及其在地面和其他建筑物的投影，也會改變該處的微氣候[1]。本文以中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)中重慶市沙坪壩氣象臺某一年的氣象數(shù)據(jù)作為重慶市城市氣候的分析數(shù)據(jù)，以重慶某高校內(nèi)某教學(xué)樓屋頂氣象站實測多年的逐時氣象數(shù)據(jù)作為微氣候的分析數(shù)據(jù)進(jìn)行對比（表2）。

通過對比可以看出，最冷月平均氣溫與平均相對濕度差異較小，說明在冬季，城市氣候與微氣候具有一致性。但最熱月溫度和風(fēng)速相差較大，平均溫差為1.9℃，微氣候中87.6%的風(fēng)速在1m/s以下，而城市氣候僅有48.7%的風(fēng)速在1m/s以下，且微氣候的靜風(fēng)率約為城市氣候的2倍。由此可見，微氣候的風(fēng)力資源相比城市氣候更為匱乏。

城市氣象臺一般以距平坦地面10m高處測得的風(fēng)向和風(fēng)速作為當(dāng)?shù)氐挠^察數(shù)據(jù)[1]，但當(dāng)自然風(fēng)流經(jīng)建筑時，氣流受到阻礙后在建筑的背風(fēng)向形成風(fēng)影區(qū)，其長度大約為建筑高度的15倍，風(fēng)影區(qū)內(nèi)氣流速度急速減弱，易形成渦流區(qū)[8]，不利于建筑的自然通風(fēng)。因此，在設(shè)計自然通風(fēng)時，如果采用城市氣候氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可能會帶來實際通風(fēng)能力的差異。

表1 居住建筑通風(fēng)實測結(jié)果

表2 城市氣候與微氣候氣象數(shù)據(jù)對比

1 建筑平面布局示意圖

2 板式住宅平面圖

3 點式住宅平面圖

4 原朝向戶型平面圖

5 旋轉(zhuǎn)后戶型平面圖

2.2 建筑室外環(huán)境實測

為了進(jìn)一步分析建筑通風(fēng)能力的影響因素，課題組對重慶市沙坪壩區(qū)的3個局部地點進(jìn)行了室外氣象參數(shù)的連續(xù)測試，以重慶某高校內(nèi)某教學(xué)樓屋頂氣象站為參照點。其余兩個測點分別為該高校內(nèi)某宿舍樓和同區(qū)內(nèi)某住宅樓。宿舍樓測試時間為6月，住宅樓測試時間為同年7—8月，測試周期均為15天，氣象站每10min記錄一次數(shù)據(jù)，測點均在各建筑樓頂，測試結(jié)果見表3。

由于宿舍樓南向有一棟36m高的建筑物，住宅樓北向有建筑物遮擋，因此測點風(fēng)向與參照點有所區(qū)別。此外，宿舍樓和住宅樓的靜風(fēng)率和高風(fēng)速段比例與參照點相比均減小，風(fēng)速集中在0～0.2m/s。由此可以看出，即使是同區(qū)內(nèi)的不同建筑，由于位置布局不同，也會造成風(fēng)環(huán)境的差異。因此，必須結(jié)合項目實地情況開展針對性分析，才能實現(xiàn)對氣候資源的最大化利用。

2.3 建筑布局

通過對城市氣候和微氣候的比較以及建筑室外環(huán)境實測可以看出，建筑的位置布局是否合理將直接影響建筑所在地局部室外風(fēng)環(huán)境的好壞。

建筑布局主要有平行規(guī)整式、平行錯列式、垂直式、圍合式四種形式（圖1）。研究利用Airpak軟件分析四種布局形式下建筑周圍氣流的分布情況，結(jié)果顯示當(dāng)采用平行規(guī)整式布局時，前排建筑通風(fēng)效果較好，但后排建筑處于前排建筑的風(fēng)影區(qū)中，通風(fēng)效果較差；而平行錯列式由于建筑間存在相對錯列角度，氣流可以較順暢地通過建筑巷道，下風(fēng)向建筑受風(fēng)面較大，有利于整個建筑區(qū)的自然通風(fēng)；采用垂直式布局時，室外風(fēng)環(huán)境比平行式復(fù)雜，后排建筑產(chǎn)生渦流區(qū)；圍合式布局圍而不合，內(nèi)部空間通風(fēng)效果增強(qiáng)，有利于各建筑形成較好的自然通風(fēng)[6]。從整體上看，平行錯列式和圍合式更有利于建筑的自然通風(fēng)。

3 建筑對自然通風(fēng)的影響

影響建筑室內(nèi)自然通風(fēng)效果的因素很多，室外風(fēng)環(huán)境是難以控制的，往往只有通過改變建筑布局以及建筑本身特征這些人為可以改變的因素來改善或利用自然通風(fēng)。本節(jié)將從建筑的形式、朝向、室內(nèi)布局以及外窗形式四個方面來說明建筑本身對室內(nèi)自然通風(fēng)的影響。

3.1 建筑形式

城市居住建筑主要分為板式住宅和點式住宅。板式住宅的建筑平面基本呈矩形，短邊與長邊的比值≤1/2，短邊長度≤20m，其布局通常為一梯兩戶，由若干個單元連在一起拼成一個樓板。點式住宅的建筑平面近似方形，短邊與長邊的比值＞1/2，其布局多以共用電梯、樓梯為中心，通常為一梯四戶或多戶，建筑密度高，節(jié)地能力強(qiáng)[9]（圖2，3）。

通過平面圖的對比可以看出，板式住宅通常有2～3個朝向，可開啟外窗較多，且板式住宅便于設(shè)置為正南北朝向，在南北開窗的情況下，易形成南北向的穿堂風(fēng)，便于采光和通風(fēng)；而點式住宅通常只有1～2個朝向，每層樓中各戶型朝向各不相同，可開啟外窗數(shù)量有限，且房間進(jìn)深較大，很難形成良好的氣流組織，部分住戶采光和通風(fēng)條件相對較差。

重慶的山地面積約占76%，居住建筑需求大，為節(jié)約用地，重慶市居住建筑多采用點式住宅。因此，出于自身條件的限制，如何實現(xiàn)自然通風(fēng)、形成良好的通風(fēng)效果，需要對建筑其他特征進(jìn)行分析。

3.2 建筑朝向

為了研究建筑朝向?qū)ψ匀煌L(fēng)效果的影響，課題組以重慶市的建筑特點為例，選取了典型戶型進(jìn)行模擬研究，該戶型為三室兩廳雙陽臺，套內(nèi)面積為83.08m2，對該戶型主要活動區(qū)域進(jìn)行編號，如圖4所示。

根據(jù)《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》中5—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，確定模擬工況為：西北風(fēng)1.5m/s，環(huán)境溫度27.0℃，相對濕度78%，室內(nèi)初始溫度30.1℃。為了對比分析建筑朝向?qū)κ覂?nèi)通風(fēng)效果的影響，在其他條件不變的情況下，將原戶型平面圖逆時針旋轉(zhuǎn)90°，再次進(jìn)行模擬，旋轉(zhuǎn)后的戶型平面如圖5所示。

將兩種朝向下房間進(jìn)風(fēng)口、風(fēng)速、溫度、PMV值進(jìn)行對比，分析建筑朝向?qū)ψ匀煌L(fēng)效果的影響（表4）。對于原戶型，建筑的西面和北面均沒有開口，氣流受到阻礙后，繞過建筑在主臥窗戶處形成回流區(qū)，使主臥窗戶成為唯一的進(jìn)風(fēng)口，而陽臺處風(fēng)速幾乎為0，此處較大開口形同虛設(shè)。當(dāng)戶型朝向改變后，北面開口數(shù)增多，陽臺和次臥成為主要進(jìn)風(fēng)口，風(fēng)速明顯增大，陽臺處的較大開口得以利用，室內(nèi)氣流組織明顯得到改善。同時由于房間內(nèi)自然通風(fēng)效果增強(qiáng)，室內(nèi)溫度分布更加均勻，溫度下降速度更快，相比原朝向溫度下降0.9℃，且更多房間的PMV趨近于0。

表3 各測點主要風(fēng)速及風(fēng)向分布

表4 模擬結(jié)果

6 原布局戶型平面圖

7 調(diào)整后戶型平面圖

8 模擬房間示意圖

9 風(fēng)速變化折線圖

由此可見，選擇建筑朝向時，要結(jié)合當(dāng)?shù)仫L(fēng)向確定不同建筑體型的正壓區(qū)和負(fù)壓區(qū)，以判斷開口處能否產(chǎn)生良好的通風(fēng)效果，避免開口形同虛設(shè)[10]。

3.3 室內(nèi)布局

選取另一典型戶型對建筑室內(nèi)布局進(jìn)行分析，該戶型為五室兩廳雙陽衛(wèi)，套內(nèi)面積為138.96m2，模擬工況與朝向模擬相同（圖6）。為了分析室內(nèi)布局的影響，在其他工況條件不變的情況下，在書房南外墻添加一面1.2m寬的窗戶（此處不考慮其他建筑因素），同時將客廳西外墻的小窗加寬0.3m，改變后的戶型如圖7所示。通過對比兩種布局形式下的室內(nèi)風(fēng)速以及PMV值，分析建筑室內(nèi)布局對室內(nèi)通風(fēng)的影響。

對于原戶型，北向的主臥、次臥以及客廳窗戶為進(jìn)風(fēng)口，而南向次臥和南向衛(wèi)生間窗戶為出風(fēng)口。室內(nèi)最大風(fēng)速為0.8m/s，平均風(fēng)速為0.24m/s，整個戶型中PMV值接近0的區(qū)域較大，但書房作為人員長時間停留的地方，僅有少量的氣流進(jìn)入，氣流組織情況欠佳，熱舒適環(huán)境較其他區(qū)域差。而在書房南向增加一扇窗后，書房窗戶也成為了進(jìn)風(fēng)口，強(qiáng)化了書房的氣流組織；陽臺窗戶面積增大后，氣流在拐角處形成回流，強(qiáng)化了自然通風(fēng)效果，且改進(jìn)后房間主要區(qū)域的不滿意率低于8%。因此，改動建筑的局部開窗位置和大小后，室內(nèi)氣流更加通暢，對熱舒適的滿意程度也有所提高。

3.4 建筑外窗

建筑自然通風(fēng)絕大多數(shù)是通過可開啟的外窗進(jìn)行的，而外窗的形式?jīng)Q定了窗口的大小，窗墻比以及外窗的形式也會影響室內(nèi)氣流的分布情況。

（1）窗墻比

窗墻比是指單一朝向的外窗面積與外墻面積（含窗面積）之比。選定房間尺寸為4m×8m×3m，前后窗處于正對位置，且位于相應(yīng)墻體中間，如圖8所示。為探討窗墻面積比對室內(nèi)通風(fēng)的影響，利用數(shù)值模擬的方法對比不同窗墻比下房間中心點的風(fēng)速值，進(jìn)風(fēng)風(fēng)速取0.5m/s，對比結(jié)果如圖9所示。

可以看出，窗墻比越大，中心點風(fēng)速越大，室內(nèi)通風(fēng)效果越好，但考慮到采光、傳熱等因素，窗墻比不能無限增大，在條件允許的情況下，窗墻比可取20%～50%。

（2）外窗形式

居住建筑常用外窗形式為平開窗、懸窗和推拉窗，研究表明[11]：1）考慮建筑總體自然通風(fēng)的風(fēng)量，當(dāng)建筑朝向與風(fēng)向的夾角較小時，推拉窗的自然通風(fēng)量較大，隨著夾角逐漸增大，平開窗的優(yōu)勢逐漸凸顯；2）當(dāng)夾角為45°時，平開窗的導(dǎo)流作用較為顯著，自然通風(fēng)量最大，這是由于平開窗對橫向風(fēng)有一定阻擋，使窗口處形成負(fù)壓，此負(fù)壓將室內(nèi)空氣抽出，從而增強(qiáng)室內(nèi)的自然通風(fēng)效果；3）考慮建筑自然通風(fēng)的均勻性，不論在哪種風(fēng)向下，均為平開窗較優(yōu)，且風(fēng)向改變時，平開窗對自然通風(fēng)的均勻性影響較小。因此，同時考慮建筑自然通風(fēng)量與自然通風(fēng)均勻性時，平開窗具有更明顯的優(yōu)勢。

4 結(jié)論

本文從城市氣候與微氣候的差異性出發(fā)，對比分析了建筑位置布局對自然通風(fēng)的影響，最后通過改變建筑本身特性的數(shù)值模擬分析，得出了以下結(jié)論：

（1）以城市氣候與微氣候為邊界條件模擬分析自然通風(fēng)時，其結(jié)果存在顯著差異，不同局部地區(qū)風(fēng)速差異最大可達(dá)51%。因此，分析自然通風(fēng)時，選擇合理的邊界條件非常重要，應(yīng)以城市氣候為宏觀基礎(chǔ)，結(jié)合建筑布局形式，分析并確定建筑所在地的微氣候，并以此為自然通風(fēng)設(shè)計的邊界條件。

（2）建筑外環(huán)境、建筑朝向、室內(nèi)布局、外窗大小及形式等均會對建筑室內(nèi)的通風(fēng)效果產(chǎn)生明顯影響。根據(jù)朝向和窗墻比的不同，該影響的差異可分別達(dá)到66%和400%。

（3）不同建筑形式對于通風(fēng)的影響往往是內(nèi)外環(huán)境的綜合反饋，既能反映出對外環(huán)境微氣候條件的適應(yīng)性，又能對不同室內(nèi)環(huán)境下的通風(fēng)效果產(chǎn)生較大的影響。因此，建筑形式對于既定條件下的自然通風(fēng)，往往會起到一定程度的決定性作用。

圖表來源

圖2，3來源于網(wǎng)絡(luò)；其余圖表均由作者自繪。