段忠誠 劉正偉 蔡蕾蕾 朱冬冬

隨著我國城市化進(jìn)程的推進(jìn)，高層住宅建設(shè)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(fēng)”無法在此類住宅中有效形成。自然通風(fēng)是保持室內(nèi)空氣質(zhì)量最綠色、有效的方式，因此研究中間戶型自然通風(fēng)對提升室內(nèi)風(fēng)環(huán)境、降低能耗具有一定現(xiàn)實意義。

在建筑自然通風(fēng)方面，2016年Ardalan Aflaki指出通風(fēng)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(nèi)風(fēng)環(huán)境的內(nèi)部外部影響因素[2]；2019年徐子健研究出設(shè)立中庭構(gòu)造能更好地組織內(nèi)部自然通風(fēng)[3]；2021年尹東衡指出高層住宅室內(nèi)平均風(fēng)速差異的主導(dǎo)影響因子[4]；2021年韓志旭指出一定范圍內(nèi)“井廊空間”長寬比值與中間戶型通風(fēng)效果呈正相關(guān)[5]。在細(xì)部構(gòu)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(fēng)效率在風(fēng)進(jìn)出口與門的位置同一側(cè)時最高[7]；2017年Ghada Elshafei指出調(diào)整窗戶參數(shù)（窗戶位置和尺寸）能夠提高室內(nèi)熱舒適性[8]；2019年Katarina Kosutova指出風(fēng)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(fēng)洞實驗[10]；2015年Weihong Guo和Xiao Liu等人運用CFD模擬技術(shù)[11]；2017年Zhangping Lei運用問卷調(diào)研和實測模擬的方式進(jìn)行了通風(fēng)性能的模擬分析[12]；2018年Ebrahim Solgi等人采用文獻(xiàn)調(diào)查的方式總結(jié)出氣候、建筑和技術(shù)參數(shù)三個因素對通風(fēng)性能的影響[13]。

以上研究多針對基礎(chǔ)戶型，缺乏對高層住宅中間戶型室內(nèi)風(fēng)環(huán)境的系統(tǒng)分析。本研究針對宿遷市的風(fēng)環(huán)境特征和氣候條件分析高層住宅中間戶型風(fēng)環(huán)境優(yōu)劣形式，對其自然通風(fēng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

1 研究方法

1.1 評價標(biāo)準(zhǔn)

本文主要采用實地調(diào)研和數(shù)值模擬軟件Airpak進(jìn)行模擬分析。采用量化指標(biāo)對不同設(shè)計方案比選。1）風(fēng)速：最大風(fēng)速應(yīng)低于1.5m/s，平均風(fēng)速用以比較不同設(shè)計方案；2）空氣齡：空氣齡是評價室內(nèi)空氣質(zhì)量的重要因子，平均空氣齡用以評價不同戶型設(shè)計方案；3）室內(nèi)舒適風(fēng)速區(qū)比率：舒適風(fēng)速區(qū)間0.25～1m/s的面積比率。

1.2 研究模型的設(shè)定

根據(jù)調(diào)研現(xiàn)狀（圖1,2），模型標(biāo)準(zhǔn)層設(shè)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(fēng)的實體，中間戶忽略內(nèi)部隔墻和其他結(jié)構(gòu)。開窗面積設(shè)定為正常情況下的一半，只有入戶門為關(guān)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(cè)布置。

1.3 參數(shù)設(shè)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(shù)據(jù)統(tǒng)計表（表1）。宿遷地區(qū)夏季高溫多雨，室內(nèi)需要加強通風(fēng)，春秋過渡季需適量通風(fēng)保持室內(nèi)舒適度，冬季寒冷干燥窗戶一般處于關(guān)閉狀態(tài)。因此模擬選取夏季的風(fēng)向和風(fēng)速值。

表1 宿遷地區(qū)室外風(fēng)環(huán)境模擬工況

（2）計算區(qū)域

模擬區(qū)域大小設(shè)定參考《綠色建筑設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》。對于樓層平面形式（內(nèi)天井、前凹口）的模擬，入口、出口和側(cè)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(shè)計（開窗）的模擬，模擬區(qū)域設(shè)置為長方形區(qū)域，包含了中間戶型的整個標(biāo)準(zhǔn)層。

（3）數(shù)值設(shè)定

采用k—ε湍流方程進(jìn)行風(fēng)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(shù)設(shè)置為0.3，梯度風(fēng)按常規(guī)取值。

2 天井進(jìn)深對中間戶型風(fēng)環(huán)境的影響

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

模擬結(jié)果表明，室內(nèi)風(fēng)速隨著天井進(jìn)深的增加呈現(xiàn)上升趨勢，在進(jìn)深達(dá)到4m時呈現(xiàn)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(jìn)深加大，貫通氣流的主導(dǎo)性由豎向轉(zhuǎn)為橫向，在相互作用下會達(dá)到一個平衡點。在平衡點出現(xiàn)之前室內(nèi)平均風(fēng)速隨著天井進(jìn)深的增加而增大，在平衡點之后天井進(jìn)深對室內(nèi)風(fēng)環(huán)境的影響減弱，室內(nèi)平均風(fēng)速無明顯變化。

綜合以上，在夏季主導(dǎo)風(fēng)情況下，天井與后凹口集中對位布置、內(nèi)天井進(jìn)深為4m時，室內(nèi)風(fēng)速與通風(fēng)效率最佳。

3 前凹口布置形式對中間戶型風(fēng)環(huán)境的影響

建筑平面的凹凸會產(chǎn)生風(fēng)壓差而影響室內(nèi)通風(fēng)效果，根據(jù)調(diào)研簡化出建筑物理模型如表4所示，相關(guān)模擬參數(shù)條件與上文相同。

模擬結(jié)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(yīng)。廚房和衛(wèi)生間一般設(shè)置在凹口位置，但是其洞口風(fēng)壓較大容易造成嚴(yán)重的室內(nèi)倒灌風(fēng)，因此要選擇適宜的布置形式。

模擬結(jié)果表明，E、G戶型的室內(nèi)風(fēng)速相較于F戶型更穩(wěn)定，且兩者風(fēng)速相差不大，呈現(xiàn)逐步上升趨勢。F戶型左戶室內(nèi)風(fēng)速最小處發(fā)生了嚴(yán)重的倒灌風(fēng)，這是因為從中間凹口進(jìn)入左戶的風(fēng)與進(jìn)入右戶的風(fēng)疊加，風(fēng)速增大。E戶型的右戶風(fēng)速下降明顯，因為其右戶有西北兩側(cè)墻體阻隔，凹口風(fēng)速增加引發(fā)倒灌風(fēng)。兩側(cè)凹口形式中底部樓層室內(nèi)風(fēng)速有下降趨勢，到達(dá)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(fēng)被墻體阻隔后上下流動，向上流動的氣流增加室內(nèi)風(fēng)速并從頂部排除，向下流動的氣流到達(dá)底部后經(jīng)過窗戶倒灌進(jìn)入室內(nèi)，抵消了一部分風(fēng)速。綜合以上，在夏季主導(dǎo)風(fēng)情況下中間加兩側(cè)分開凹口形式的室內(nèi)風(fēng)環(huán)境最優(yōu)。

4 開窗對中間戶型風(fēng)環(huán)境的影響

根據(jù)前文調(diào)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(fēng)環(huán)境的影響

窗戶的開啟面積可以根據(jù)室內(nèi)需求進(jìn)行尺寸與角度的調(diào)節(jié)，一般用窗墻比來進(jìn)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(nèi)風(fēng)環(huán)境。

模擬結(jié)果表明（表6），所有工況下室內(nèi)平均風(fēng)速隨著窗墻比的增大而增大，由于南向入口面積遠(yuǎn)大于北向出口，室內(nèi)最大氣流出現(xiàn)在客廳推拉門附近。窗墻比為0.20時室內(nèi)靜風(fēng)區(qū)面積較大，少部分區(qū)域處于舒適區(qū)間，室內(nèi)風(fēng)速較小。窗墻比為0.35時，63%的區(qū)域風(fēng)速0.25～1m/s，室內(nèi)舒適度較好，風(fēng)速平均為0.42m/s，分布較為均勻。當(dāng)窗墻比增加到0.40時室內(nèi)空氣流動較快，平均風(fēng)速最大達(dá)到0.65m/s，人體吹風(fēng)感明顯。北側(cè)空間如廚房、衛(wèi)生間的空氣齡比南側(cè)空間的客廳和主臥室大很多，所以南向空間空氣質(zhì)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(fēng)區(qū)處于部分房間墻角和儲藏室位置，局部區(qū)域空氣質(zhì)量較差。當(dāng)窗墻比為0.40時大部分區(qū)域室內(nèi)空氣齡在100s以內(nèi)，空氣質(zhì)量最好。

綜合以上，室內(nèi)風(fēng)速與窗墻比呈正相關(guān)，空氣齡與窗墻比呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，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(cè)、右側(cè)住戶室內(nèi)風(fēng)速

5 典型戶型簡化模型

表2 模擬戶型

表3 不同天井進(jìn)深風(fēng)速云圖

表4 凹口簡化模型匯總表

表5 不同凹口形式風(fēng)速云圖

表6 不同開窗面積室內(nèi)風(fēng)速分布情況

4.2 開窗位置對中間戶型風(fēng)環(huán)境的影響

影響建筑內(nèi)部風(fēng)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(cè)、東側(cè)、中間和分開兩側(cè)）對于室內(nèi)通風(fēng)的影響。

模擬結(jié)果表明（表7），各種工況下室內(nèi)風(fēng)速分布情況類似，但實際通風(fēng)效果不一樣。窗戶集中在西側(cè)時，室內(nèi)風(fēng)速分布較不均勻，南向房間靜風(fēng)區(qū)范圍較廣，墻角處風(fēng)速較大。由于進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口正對，主臥和次臥有近58%的區(qū)域風(fēng)速小于0.25m/s；通過比較開窗居中集中布置與東側(cè)集中布置發(fā)現(xiàn)，東側(cè)集中布置時最大風(fēng)速可達(dá)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(nèi)。開窗居中集中布置時最大風(fēng)速略小于東側(cè)布置，但其氣流運動范圍更廣，分布更加均勻，對次臥室內(nèi)通風(fēng)更有利；開窗兩側(cè)分開布置時風(fēng)從兩邊引入室內(nèi)，且分布更加均勻，最大風(fēng)速達(dá)到0.82m/s，室內(nèi)整體舒適度較好，區(qū)域風(fēng)速在0.25～1m/s，空氣質(zhì)量更好。綜合以上，開窗兩側(cè)分開布置時，室內(nèi)風(fēng)環(huán)境更優(yōu)。

表7 不同開窗位置室內(nèi)風(fēng)速分布情況

表8 樓層平面優(yōu)化前后風(fēng)速云圖

5 高層住宅中間戶型自然通風(fēng)優(yōu)化設(shè)計

5.1 建筑平面布局優(yōu)化設(shè)計

平面形式中無天井和兩側(cè)凹口的戶型，僅靠南向窗口進(jìn)行單側(cè)通風(fēng)，室內(nèi)通風(fēng)效果較差。增加進(jìn)深4m天井設(shè)計，在建筑平面面寬方向布置中間加兩側(cè)前凹口。樓層平面形式改進(jìn)設(shè)計如圖6所示。

模擬結(jié)果表明（圖7,表8），優(yōu)化前整棟住宅幾乎處于無風(fēng)狀態(tài)，平均風(fēng)速均在0.1m/s以內(nèi)，風(fēng)環(huán)境較差。優(yōu)化后，底層左右兩戶室內(nèi)平均風(fēng)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(fēng)速分別增加至0.58m/s和0.41m/s。室內(nèi)風(fēng)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(nèi)風(fēng)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(nèi)風(fēng)環(huán)境優(yōu)化策略可行。

5.2 典型戶型優(yōu)化設(shè)計

針對三類典型戶型，窗墻比均設(shè)置為0.35，南向開窗均兩側(cè)分開布置。

（1）A類戶型

A戶型為單朝向戶型，無北側(cè)通風(fēng)口，不能形成比較流暢的通風(fēng)路徑，室內(nèi)靜風(fēng)區(qū)較多。在已有策略的基礎(chǔ)上，增加北向出口調(diào)整通風(fēng)路徑

模擬結(jié)果表明（表9），優(yōu)化后室內(nèi)通風(fēng)路徑比優(yōu)化前更連貫，室內(nèi)風(fēng)速分布更加均勻，靜風(fēng)區(qū)面積減少，室內(nèi)最大風(fēng)速達(dá)到1.2m/s。客廳、主臥等空間空氣得到繞流，室內(nèi)60%以上區(qū)域處于舒適區(qū)間，室內(nèi)整體空氣齡下降，主要使用空間均在100s以內(nèi)。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(nèi)風(fēng)環(huán)境較為舒適。但是部分使用房間僅有一個進(jìn)風(fēng)口，換氣效率不高。為了延長B戶型通風(fēng)路徑且減少靜風(fēng)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(jìn)設(shè)計圖

7 左側(cè)、右側(cè)住戶室內(nèi)風(fēng)速

表9 A 類戶型優(yōu)化前后室內(nèi)風(fēng)速分布

表10 B 類戶型優(yōu)化前后室內(nèi)風(fēng)速分布

表11 C 類戶型優(yōu)化前后室內(nèi)風(fēng)速分布

模擬結(jié)果表明（表10），優(yōu)化后室內(nèi)最大風(fēng)速從0.93m/s增加至1.25m/s，室內(nèi)有65%的區(qū)域?qū)儆谑孢m區(qū)間。客廳、餐廳部分風(fēng)速增加、靜風(fēng)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(nèi)部的北側(cè)連廊設(shè)計成開敞式以滿足南側(cè)戶型通風(fēng)的需求，但是其進(jìn)深較大導(dǎo)致室內(nèi)通風(fēng)效率較低，需要對通風(fēng)路徑進(jìn)行改善。

模擬結(jié)果表明（表11），優(yōu)化后臥室與書房靜風(fēng)區(qū)面積減小，最大風(fēng)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(fēng)速從0.05m/s提高至0.32m/s，客廳推拉門處出現(xiàn)最大風(fēng)速，室內(nèi)舒適風(fēng)速區(qū)間面積也相應(yīng)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(jié)語

通過對宿遷地區(qū)84棟高層住宅現(xiàn)狀調(diào)研與分析，占比最高的一梯四戶標(biāo)準(zhǔn)層多數(shù)南北通風(fēng)不暢且中間戶型風(fēng)環(huán)境普遍不佳。結(jié)合既有評價標(biāo)準(zhǔn)和宿遷氣候環(huán)境，本文以風(fēng)速、空氣齡、室內(nèi)舒適風(fēng)占比作為風(fēng)環(huán)境評價標(biāo)準(zhǔn)，采用控制變量方法，運用Airpak模擬分析各種形式不同參數(shù)對室內(nèi)風(fēng)環(huán)境的影響，并且針對樓層平面形式和戶型設(shè)計總結(jié)了相應(yīng)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(shè)置進(jìn)深4m的內(nèi)天井以促進(jìn)中間戶型空氣流通，優(yōu)先選擇中間加兩側(cè)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(fēng)的現(xiàn)象。戶型設(shè)計上，單側(cè)通風(fēng)戶型為獲得相對貫通的通風(fēng)路徑，宜將客廳布置在西北側(cè)與東南側(cè)，綜合考慮建筑能耗和通風(fēng)效率，窗墻比設(shè)置為0.35且窗戶分開兩側(cè)布置時室內(nèi)風(fēng)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