開窗位置對室內風環境的影響★

黃琳瑜 廖航進 趙 彬 卓啟明

(溫州大學建筑與土木工程學院，浙江溫州 325005)

1 概述

隨著建筑節能以及綠色建筑概念的提出，減少住戶在房屋內使用電器的頻率，同時保證住戶居住的舒適性，發展自然通風越來越受到重視。國家和地方的綠色建筑評價標準及節能標準中都對自然通風提出明確的要求。自然通風是利用自然資源來改變室內環境狀態的一種純天然的建筑環境調節手段，合理的自然通風組織可有效調節建筑室內的氣流效果、溫度分布，對改變室內熱環境的滿意度可以起到明顯的效果［1，2］。

目前，計算流體力學(Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD)的發展，使現代建筑設計中越來越多的采用CFD模擬來評價建筑節能，本文利用這個軟件，對住宅的自然通風情況作模擬。討論普通單體建筑的房間布置開窗位置與方式高效利用自然通風，望能對建筑通風設計提供一個可視化的應用及結論。

2 研究方法

室內通風的影響因素較多，為了便于本次研究，一律采用簡化模型進行相關研究，單一空間在其中加入墻體的可變因素，不同的開窗位置對室內風環境的影響。通過數值模擬法進行實驗得出結論應用到本地的實體建筑中，同時進行研究優化。

根據Beaufort風力等級劃分標準，當風速低于0.2 m/s時人體基本無感覺，ASHRAE5中也指出，當風速大于0.2 m/s時會提高熱舒適的上邊界［3］。根據熱舒適圖，活動量為1 met，內衣熱阻為0.6 clo，空氣濕度為80%，氣溫為30℃，室內風速為0.5 m/s以上時，70%的人認為室內比較舒適。因此在自然通風條件下，室內風速0.5 m/s的區域比較舒適。根據以上的研究結果，在這里定義室內風速低于0.2 m/s的區域為靜風區即不會對人體熱舒適產生影響，定義風速介于0.2 m/s～0.5 m/s為中風區，對人體熱舒適有一定影響。在氣溫不是很高時可滿足人體熱舒適要求，定義風速大于0.5 m/s的為高風區［4］。

靜風區的范圍越少，中風區及高風區的范圍越大，自然通風情況越好。本次計算分別統計靜風區，中風區及高風區的百分比作為評價室內通風效果的標準。本次分析，以坐姿頭部位置的風速作為分析標準，即1.1 m 高度處［5］。

3 各參數對室內通風效果的影響

3.1 幾何建模及網格劃分

根據需要建立尺寸為:長×寬×高=8 m×4 m×3 m的單元空間體作為模擬房間單元對象，并在該房間單元垂直長邊對半分設置分隔墻，在分隔墻靠一側設置有:高×寬=2 m×0.9 m的門洞，房間單元兩側短邊墻上離地高H=0.9 m處設置開口作為房間的窗洞口，為方便計算各組模型在相同室外風壓條件下的室內各處通風效果，在計算模型中，將室內空間網格尺寸劃分為0.1 m×0.1 m的網格，通過專業的STAR-CCM+等軟件計算得到室內風速云圖。

3.2 邊界條件的設定

定義進風口為前窗(右側)，出風口為后窗(左側)，窗外兩側設置為1.5 Pa的風壓差，在室內劃分空間體網格后截取高度Z=1.1 m水平面的高度計算風在室內流通風速(m/s)，計算中忽略窗口處與墻面摩擦對風的影響。

相關參數設定:開窗面積比為S;前窗開窗面積與后窗開窗面積之比為β;窗洞口高度為h;窗口寬度為l;風向與窗洞口法線的夾角為θ。

研究1，窗戶可開啟面積比對室內通風效果的影響。

第一組模型模擬計算五種不同開窗比例在相同風壓下的室內通風情況。

設定不變參數為:前后窗面積比 β=1，窗臺高 H=0.9，窗洞口高度h=1.2 m，風向與窗洞口法線的夾角θ=0°，計算平面前后窗處于正對位置，并且位于墻體的中間位置。變量參數為:窗寬l(分別為500 mm，1 050 mm，1 600 mm，2 150 mm，2 700 mm)對應開窗面積比(分別為10%，15%，20%，25%，30%)，計算結果如圖1所示。

統計數據見表1。

表1 統計數據(一) %

從圖1可以看出，開窗面積由10%開始增大到30%時，室內平均風速逐漸增大，靜風區比例逐漸降低，高風區比例逐漸增大，低風區比例略有增加，但變化不明顯。同時由圖1可以看出，當開窗面積為20%再逐級遞升的時候，各通風情況增長不明顯，再增大開窗面積，對通風效果意義不大。

研究2，窗戶開口相對位置對室內通風效果的影響。

第二組模型模擬計算五種不同開窗相對位置在相同風壓下的室內通風情況。

設定不變參數為:前后窗面積比 β=1，窗臺高 H=0.9，窗洞口高度h=1.2 m，窗洞口寬度l=2.15 m，風向與窗洞口法線夾角θ=0°。變量參數為:前后窗相對位置分別為左—左、右—左、中—中、左—右、右—右，計算結果如圖2所示，統計數據如表2所示。

圖1 不同開窗面積時，室內風速分布云圖

表2 統計數據(二)

統計數據如表3所示。

表3 統計數據(三) %

進風口與出風口存在風壓差，在此情況下，通風效果最好，但為了模擬實際情況，對空間進行一定的劃分，由圖2可以看出，工況四和工況五的中風區和高風區明顯高于其他三個工況。圖2風速分布云圖同樣表明，工況四以及工況五室內的中、高風區所占比例比其他的要低，同時，室內風流動的室內較均勻，有較好的通風效果。

根據以上的數據結合工況四以及工況五的開窗位置可知，如果進風口的窗與門位置處于同側時，通風效果較好，當進風口與門還有出風口位于同一側時，效果最佳。

圖2 窗戶開口相對位置對室內通風的影響

研究3，風的入射角對室內通風效果的影響。

第三組模型模擬計算五種不同開窗相對位置在相同風壓下的室內通風情況。

設定不變參數為:前后窗面積比 β=1，窗臺高 H=0.9，窗洞口高度h=1.2 m，窗洞口寬度l=2.15 m，風向與窗洞口法線夾角θ=0°。變量參數為:風的入射角分別為 30°，45°，60°，計算結果如圖3所示。

由圖3可以看出，當風向與窗戶法線呈45°時，通風效果較佳，當風向與窗戶法線呈20°時，通風效果較差。由此可以判定，當風向與窗戶法線夾角為45°時，風向與窗戶保持一個夾角，有利于促進室內的自然通風。但夾角超過60°時，該夾角將抑制室內的自然通風。

圖3 不同風向情況下室內風區變化

4 結語

本文利用流體力學的軟件對4 m×8 m×3 m的房間模型進行了室內通風模擬，并對比分析了進出口面積比例，窗戶相對位置以及風向的氣流流動對室內風環境影響這些情況，初步得出了以下結論:

1)窗戶面積低于20%時，增大開窗比例對通風效果有較大影響，增加高風區和低風區。

2)進風口與門的位置處于同一側時易獲得較好的通風效果，當進風口與出風口都與門位于同側時，通風效果最好。

3)前后窗開窗面積比一定時，前后窗面積較接近時，通風效果最佳。

4)風向與窗戶法線夾角為45°時，風向與窗戶法線保持一個夾角有利于促進室內自然通風，但當夾角超過60°時，將抑制室內自然通風。

［1］楊 玲.對建筑物自然通風設計的探討［J］.建筑與裝飾，2008(5):9-10.

［2］朱 唯.室內環境與自然通風［J］.建筑科學與工程學報，2006(7):19-20.

［3］人們居所的自然環境條件［Z］.2004.

［4］黃 晨.建筑環境學［M］.北京:機械工業出版社，2005.

［5］林 晨.自然通風條件下傳統民居室內外風環境研究［D］.西安:西安建筑科技大學環境與市政工程學院，2006.