徐 俊， 穆正勇， 殷子文， 許江豪

(1.合肥城市學院, 合肥 238076； 2.中國科學技術大學 火災科學國家重點實驗室, 合肥 230031； 3.安徽建筑大學 環(huán)境科學與能源工程學院, 合肥 230601)

0 引 言

高層住宅逐漸成為住宅建筑的主流形式，和低層、多層住宅建筑相比，高層住宅所要考慮的問題更多，其中最為突出的就是風環(huán)境問題，而室外的風環(huán)境問題會進一步影響室內的自然通風、熱舒適[1]和健康問題。2019年末突然爆發(fā)的新冠疫情，舉國上下共同抗擊新冠病毒，清華大學的江億院士指出，我們個人在防疫中要做到經常開窗進行自然通風，使得室內空氣保持清潔等，更突顯了通風的重要性[2]。

Larsen等[3]利用風洞模擬了具有單側開洞的住房的自然通風特性，結果表明，在熱壓和風壓的協(xié)同作用下，除了氣流的方向會對自然通風造成影響外，風壓和熱壓之比更是起到了關鍵作用。成鐳[4]利用CFD軟件對某建筑在受到不同風向的氣流作用下的室內自然通風情況做了模擬研究，結果表明，在改變室內的窗戶開啟面積或其他洞口大小的情況下可以改變室內的自然通風效果。

1 自然通風的分類與熱舒適

1.1 類型與影響因素

自然通風驅動力主要可分為風壓、熱壓、風壓與熱壓共同作用3類。多數情況下，建筑自然通風的驅動力來源同時包含風壓與熱壓[5]。

影響建筑自然通風的因素有很多，如空氣濕度、溫度、太陽輻射、室外風向、風速等氣候因素；如塔式建筑、板式建筑等不同的建筑形式也會對室內自然通風產生影響；還有建筑群不同的布局方式，如行列式、自由式、錯列式布局等都會對室內的自然通風產生影響[6]。

1.2 風速對人體熱舒適性的影響

空氣溫度、空氣濕度、輻射溫度、室內風速、人員衣著及活動量是影響人體熱舒適的主要因素[7]。一方面,空氣流速決定著人體的對流散熱量；另一方面,它還影響著空氣的蒸發(fā)力,從而影響蒸發(fā)散熱。當空氣溫度低于皮膚溫度時,流速增大,產生散熱效果；當空氣溫度高于皮膚溫度時,流速增加不僅造成較高的對流換熱加熱人體,而且提高了蒸發(fā)散熱效率。因此，空氣速度對人體的熱舒適性有著較大的影響[8]。本研究用室內平均風速來衡量熱舒適的好壞，當室內風速在0.25～0.5 m/s時，人是處于自然通風的熱舒適區(qū)。

2 實 驗

使用Fluent模擬不同窗戶開啟面積下的室內風速及空氣齡，以此評價自然通風效果及室內熱舒適。

2.1 房間模型

選取研究對象為一幢板式18層住宅的頂樓主臥,為方便計算研究，對模型進行了一定簡化，如圖1所示。其主臥長3.7 m，寬3.5 m，高3.0 m，外窗為推拉窗如圖2所示，長1.8 m，寬1.8 m，窗戶距地板0.6 m，最大開啟面積為窗戶最大面積的一半，門高2.1 m，寬0.9 m，左右門縫2.0 mm，上門縫2.0 mm，下門縫5.0 mm。

圖1 主臥平面Fig. 1 Master bedroom plan

圖2 推拉窗示意Fig. 2 Schematic of sliding window

2.2 邊界條件

窗戶開啟部分定義為速度進口，進口速度為3 m/s，門縫(門)處為壓力出口，出口靜壓為0，壁面條件為無滑移壁面，選用不可壓縮理想氣體模型與標準k-epsilon湍流模型。

2.3 工況設置

模擬選用合肥市全年主導風向——東風，主臥門關閉并做留縫處理，另有一組主臥門全開為對照組，設置如表1所示不同的外窗開啟比例為不同工況。

表1 不同工況下外窗開啟比例

3 結果與分析

3.1 風速

取主臥1.2 m(呼吸區(qū)高度)高度處進行模擬[9]。圖3為主臥內1.2 m處不同開窗面積下的室內風速云圖。由圖3可知，氣流從外窗射入到對面墻壁的區(qū)域內風速較大，兩邊風速較小，各工況下不同位置風速如表2所示。

表2 各工況下不同位置風速

Table 2 Wind speeds at different positions under

each condition

工況v/m·s-1射入區(qū)域兩邊11.8～2.70～1.821.35～2.70～1.3530.9～2.70～0.940.75～2.70～0.7550.948～3.00～0.948

工況1～3表現出了相似規(guī)律，緊貼墻壁的四周區(qū)域，空氣流速很小，接近0；從外窗到對面墻壁的射流區(qū)因外窗開啟面積不同而有范圍及風速的變化，開啟面積越大，射流區(qū)域越大，門縫區(qū)域內風速較其他非射流區(qū)都有明顯增大，符合預期。

工況4中，因其外窗開啟面積只有1/9，所以射流區(qū)域前半段范圍較小且流速明顯較大，窗口處接近3 m/s，左下角和右下角處有較大的靜風區(qū)，此區(qū)域風速近乎為0；射流區(qū)域后半段較工況1～3有明顯擴散，門縫處風速依然明顯增大。

電-氣互聯綜合能源系統(tǒng)多時間尺度動態(tài)優(yōu)化調度//梅建春,衛(wèi)志農,張勇,馬洲俊,孫國強,臧海祥//(13):36

圖3 風速云圖Fig. 3 Cloud chart of wind speed

工況5中，因為臥室門全開，室內空氣流動區(qū)域分布廣泛，風速分布更為均勻，室內最大風速為3.16 m/s，分布于外窗到對面墻壁的射流區(qū)域及門附近的出口區(qū)域；墻壁四周區(qū)域風速接近于0；雖然臥室內門全開，但并未形成大范圍的氣流通路，來自窗外的氣流依然有很大一部分撞在墻上，回流在室內形成氣流旋渦，所以會在云圖左側形成一大塊藍色的區(qū)域，風速在0.31～0.94 m/s之間。

上述工況模擬風速結果見表3。其中， 大風速區(qū)位于窗口到窗對面的墻和門縫旁的區(qū)域，小風速區(qū)位于緊貼墻壁四周及中心區(qū)左側的區(qū)域內，中心區(qū)中部為窗口到對面墻壁的主要射流區(qū)域。

表3 風速分析

上述模擬結果表明，在工況1～4中，當其他各種條件相同，只有外窗開啟面積不同時，主臥內空氣流速滿足舒適性要求 ，除了房間的4個拐角及墻壁處，其他地方的風速大多大于0.25 m/s。工況5中，由于門是打開的，空氣流動范圍較大，流速更加均勻，整體舒適性更好。

在高層住宅中，由于室外風速較大，即使開窗較小，室內的風速也可以滿足人體的熱舒適需求。

設定外窗到對面墻壁固定區(qū)域為整體射流區(qū)域，根據模擬結果，可得到在臥室內門關閉時不同外窗開啟面積與整體射流區(qū)域平均風速的關系，如表4所示。

表4 不同開窗面積下的平均風速

從表4可以看出，整體射流區(qū)域內平均風速是隨著開窗面積的減小而減小的，由最大的2.5 m/s到最小的0.8 m/s。

3.2 開啟面積

通過室內空氣齡的大小來判斷臥室內自然通風的優(yōu)劣[10]，圖4為臥室內不同的開窗面積下室內的空氣齡云圖。

圖4 空氣齡云圖Fig. 4 Cloud chart of air age

表5 空氣齡

工況1～4空氣齡分布基本符合風速分布規(guī)律。工況1～4空氣齡最大值依次為15.7、33.9、37.7、120 s。整體上，工況1空氣齡情況最優(yōu)，工況4最差。

工況5中，空氣齡最大值為16.6 s，空氣齡最大值位于左下角區(qū)域；射流區(qū)域空氣齡在0～5 s之間；內門區(qū)域處的空氣齡在8.34～12.5 s之間。整體優(yōu)于工況1～4，符合空氣流動規(guī)律。表6為工況1～5空氣齡分析表。其中， 大空氣齡區(qū)位于墻角、墻壁、門和窗旁的區(qū)域，小空氣齡區(qū)位于窗口到窗對面墻的這一區(qū)域內，中心區(qū)中部為窗口到對面墻壁的主要射流區(qū)域。

表6 空氣齡分析

工況1～4情況下，主臥空氣齡都較小，室內的自然通風狀況良好。

工況1與工況5對比分析顯示，在其他條件不變的情況下，當臥室門關閉從門縫出流空氣時，與臥室的門全開，房間內的空氣齡分布及空氣齡最值非常接近。這是因為高層住宅的室外風速較大，當風由窗戶吹進室內時，使得室內壓強變大，且臥室外的大門也是關閉的，所以臥室內壓力減小緩慢，進而導致臥室的門關與開差別很小。

表7為不同外窗開啟面積與整體射流區(qū)域內平均空氣齡的關系。

表7 不同開窗面積下的平均空氣齡

由表7可知，整體射流區(qū)域內平均空氣齡隨著開窗面積的減小而增大。

4 結 論

(1)高層住宅臥室內的平均風速隨著開窗面積的增大而增大，平均空氣齡隨著開窗面積的增大而減小。

(2)因一般高層住宅建筑臥室面積普遍較小，且無遮擋，室外風速相對較高，高層住宅室內窗戶開啟1/9及以上時，射流中心部位風速0.8 m/s以上，平均空氣齡小于42 s，自然通風均滿足室內通風要求。