建筑戶型對自然通風效果的影響

董成杰 劉 鵬

室內空氣環境質量的優劣直接影響人體的健康，室內熱濕環境同樣影響人的舒適性。近年來，人們對舒適性要求的提高，節能環保意識的增強，使得自然通風這種傳統的通風手段在建筑中得到廣泛的應用。自然通風是依靠風壓或熱壓為動力的，是人們廣泛應用的一種通風方式。一般的居住建筑的室內空氣品質主要依靠自然通風來保證[1]。文中從自然通風的基本原理入手，采用計算流體力學方法對典型居住建筑的自然通風效果進行模擬，并以此來分析建筑戶型對戶內自然通風效果的影響，以期建筑戶型更加合理，最大限度地利用自然通風來改善室內空氣品質。在我國的氣候條件下，自然通風可以有效地為建筑的使用者提供健康和舒適的環境，是可持續發展必須采用的一種節能方式[2]。

1 自然通風的工作原理

在具有良好的外部風環境的地區，風壓是實現自然通風的主要手段。當風吹向建筑時，因受到建筑的阻擋，會在建筑的迎風面產生正壓力，同時，氣流繞過建筑的各個側面及背面，會在相應位置產生負壓力，風壓通風就是利用建筑的迎風面和背風面之間的壓差實現空氣的流通。壓差的大小與建筑的形式、建筑與風的夾角以及建筑周圍的環境有關。在建筑四周由風力產生附加壓力值按下式計算[1]:

在此風壓的作用下，具有正壓的一側進風，具有負壓的一側排風，在建筑內部形成“穿堂風”，有利于增強室內的自然通風效果。

2 數學模型及計算方法

采用計算流體力學方法(CFD)進行模擬分析室內自然通風效果。分析軟件采用Phoenics3.5。該軟件是世界上第一套計算流體動力學與傳熱學的商用軟件[3]。CFD方法是針對流體流動的質量守恒、動量守恒和能量守恒建立數學控制方程，其通用的控制方程為[4]:

其中，ρ為密度;Γφ為廣義擴散系數;Sφ為廣義源項;U為速度矢量;φ為通用因變量，代表速度 u，運動粘性系數 v，湍流粘度w，溫度 t，湍流動能 k，湍流動能耗散率 ε，特征尺寸 l。本項目只是計算室內速度場和壓力場，故不計算能量方程。

3 物理模型

選擇兩個典型戶型進行模擬，見圖1。在模擬室內自然通風效果時，房間的洞口尺寸參照實際情況做了如下設定:

1)戶內各房間的門均按照實際尺寸，同時開啟率為100%，考慮到室內空氣環境質量，衛生間的門認為全年關閉;2)外墻上的門和窗戶按照實際尺寸建模，可開啟面積按照建筑施工圖所示來確定實際的開啟面積;考慮戶主的隱私，戶門認為全年關閉;3)戶型前后壓差從小區室外風環境分析中取得，重點根據石家莊市主導風向和主導風速下建筑風場確定模擬所需的邊界條件。

4 結果及分析

從圖2所示結果可以看出該戶型通風效果良好。西側墻開的外窗很好地改善了起居室的氣流組織，廚房空氣速度大，便于排除油煙，且煙氣幾乎不會蔓延到室內;氣流進入西北角次臥房間的路徑比較曲折，且在房間門口形成氣流漩渦;南向大房間有一大的漩渦存在，但側墻的開啟很好的改善了此處的局部氣流。門窗洞口的位置最好可以對著，這樣可以使氣流暢通。

從如圖3所示結果可以看出該戶型主要房間位于“穿堂風”的風路上，通風效果較好。但是在南向主臥，主臥更衣間以及北向廚房內有大的漩渦，容易積灰;北向書房由于無南向內墻窗戶，氣流尤其不好。應該增加衣帽間可開啟面積以利于通風。

5 結語

從理論分析和實際計算可知，當室外環境，小區建筑布局確定的前提下，若想室內獲得很好的氣流組織效果，必須組織好有效的“穿堂風”，因此可以從各方面改進戶內布局以改進自然通風效果，最大限度的實現節能。

1)為了不影響南向采光，南向的窗口面積不變，可以通過增加北向窗口的開啟面積來增加自然通風量，提高其通風效果;

2)建筑內衣帽間多為小直角或者死角，氣流不順暢，對衣物的收藏不利，應該增加衣帽間可開啟面積以利于通風;

3)主要房間要位于“穿堂風”的風路上，房間內盡量減少突出的隔墻和拐角，避免氣流穿行不暢;

4)為了減小大開間房間的通風效果，盡量將可開啟的窗口位于房間墻體中間位置，以減小由于氣流不均勻產生的漩渦所帶來的影響。

自然通風是無動力的空調方式，是廉價的節能技術，因此應當從多方面改進其影響因素，最大限度的利用自然通風改變室內空氣品質。

[1] 陸亞俊，馬最良，鄒平華.暖通空調[M].北京:中國建筑工業出版社，2002:196-199.

[2] 張金萍，李安桂.自然通風的研究應用現狀與問題探討[J].暖通空調 ，2005 ，35(8):32-38.

[3] 龍天渝，蘇亞欣.計算流體力學[M].重慶:重慶大學出版社，2007:7-8.

[4] 帕坦卡SV.傳熱與流體流動的數值計算[M].北京:科學出版社，1984:206-247.

[5] 吳志勇，王智超.住宅房間通風氣流模型試驗相似理論研究[J].山西建 筑 ，2009 ，35(10):180-181.