建筑室內自然通風與建筑洞口的關系模擬研究

聶佩珊，饒永 （合肥工業大學建筑與藝術學院，安徽 合肥 230009）

1 研究背景

隨著科技技術的發展，空氣調節系統開始廣泛的被運用，越來越多的建筑都依賴于利用空調系統來滿足使用者在室內環境的舒適性要求，而忽略采用自然通風等主動式手段來調節室內環境質量。而空調系統的運行使得公共建筑能耗難以得到有效控制，室內空氣質量也無法得到保證，影響使用者的身心健康。此外空調系統的運行還加速了城市熱環境和空氣質量的惡化，使得使用者更加不愿意使用自然通風等手段，從而陷入一個惡性循環，對城市環境產生十分不利的影響。

2 室內通風模擬分析

窗戶和門是建筑物構成的重要元素之一，是建筑自然通風組織的通風口，尤其是窗戶的大小、朝向、位置及開啟方式的不同對于室內自然通風的組織有很大的影響。本文中的模擬研究均是基于假定的理想條件下的一層建筑平面的室內風速分布情況，實際運用中條件復雜多變，影響則更加明顯。

2.1 洞口的平面位置

眾所周知，建筑洞口的平面位置對于室內自然通風有很重要的影響作用。為了對建筑洞口的平面位置及其之間的相對位置關系進行研究，筆者選取矩形平面為研究對象，以合肥地區的夏季盛行風速3.2m/s的風場條件為例，假定模擬平面所處位置為建筑的一層，其他條件都相同的情況下，比較不同建筑洞口不同相對位置對室內自然通風組織的影響。利用PHOENICS軟件模擬得到的建筑洞口4種不同相對位置在理想狀態下的人行高度1.5m平面處的室內風速分布云圖及流向情況（見圖1）。

圖1 洞口的平面位置不同對室內氣流的影響

圖2 洞口的平面位置不同對室內氣流的影響

圖3 進出風口面積比對室內氣流的影響

從圖1(a)和圖1(b)中可以看出：相同平面及其他條件下，當洞口位于相對的兩面墻且均垂直于夏季主導風向時，洞口錯開布置時的室內最大風速小于洞口正對布置時的情況，但洞口錯開布置時的室內風速變化更加趨于平穩，風速分布更加均勻，低風速區的面積相對較小，氣流對室內的影響范圍更大，有效的控制了因洞口正對布置時所產生的“穿堂風”而導致局部區域風速過大，更加有利于提高人體的舒適感受。而比較圖(c)和圖(d)，則可以發現：當洞口位于相鄰的兩面墻，且其中一個洞口垂直于夏季主導風向時，洞口之間距離大的情況下，室內風速流線更加順暢，室內低風速區的面積也要小于洞口距離小的情況，特別是在房間內容易形成無風區的西南拐角，洞口距離大的情況下該區域的風速分布要明顯優于洞口距離小的情況。

因此，在實際工程的建筑設計中，當功能區的南北向的兩面墻需開設洞口時，應盡量錯開布置而避免正對布置，以避開因“穿堂風”所造成的室內風速過大的情況，增大室外氣流對室內的影響。而當其南向墻與東或西向墻需開設洞口時，應避免洞口之間的距離過小，或者在墻面上開設多個洞口，以解決因洞口距離過小所導致的室內氣流不暢的問題，同樣也能增大室外氣流對室內的影響。

2.2 洞口的豎向位置

當建筑洞口為立面外窗時，還需要考慮洞口在立面上的豎向高度設置問題，其對于室內自然通風的影響也是十分重要的。筆者同樣采取前述模擬研究方法針對建筑開洞的豎向位置及其之間的相對位置關系進行研究，研究對象和研究條件同前文所述，假定矩形平面的室內高度為3.6m，比較不同豎向位置關系對室內自然通風組織的影響。利用PHOENICS軟件模擬得到的在理想狀態下的洞口的四種不同豎向位置在豎直方向上不同室內風速分布及流向情況（見圖2）。

從圖2中可以看出，洞口大小相等的情況下，采用圖2(d)中的低進風口、高出風口的布置方式，室內最大風速低于其他三種布置方式，室內低風速區的面積最小，且室外氣流對室內的影響范圍最大，在人行1.5高度處，風速基本在0.5m/s~1.5m/s之間，風速大小適宜且有利于人體散熱。而圖2(b)中的高進風口、低出風口和圖2(c)中的進出風口都高的布置方式，雖然和圖2(a)中的進出風口都低的布置方式相比，氣流對室內的影響范圍相差不大，但是圖2(b)和圖2(c)中的風速流線都位于室內較高的位置，不利于人行高度處的室內自然通風和人體散熱。

因此，在實際建筑設計中，建筑面向夏季主導風向的立面開洞的豎向高度應盡量控制在人行高度范圍之內，而位于其對立面的建筑開洞的豎向高度則應盡量大于或等于面向夏季主導風向的立面開洞，以保證室外氣流對室內的影響范圍和人行高度處的風速大小。

2.3 開洞的大小

洞口的開設除了平面和豎向位置之外，還有一個重要的方面即洞口的大小。建筑洞口的進風口與出風口的大小關系，對室內氣流也有不可忽視的影響。筆者也采取上述模擬方法，假定矩形平面的洞口為錯開布置，且豎向高度為圖2(a)所示的位置關系，利用PHOENICS對四種進出風口面積比不同的建筑平面的室內通風情況進行模擬，得到人行高度1.5m平面處的室內風速分布云圖（見圖3）。

統計圖3中所示的左下角Average value即室內平均氣流速度，以及估算的進風口的最大風速，列出進出風口面積比與風速關系見表1。

進出風口面積比與風速關系 表1

從表中統計數據可知，4種不同洞口面積比條件下“室內平均氣流速度”相差不大，但“進風口最大風速”卻相差較明顯。當進風口面積與出風口面積比值越小，進風口最大風速越大，當進風口面積與出風口面積比值越大，進風口風速越小。但比較圖3(c)、圖3(d)可以發現，圖3(c)的模擬結果的風速分布情況更為平穩，風速低的區域面積要明顯小于圖3（d）的模擬結果，且氣流影響范圍更大，而比較圖3(a)與圖3(b)可以發現，其風速分布情況都相對較平穩，氣流影響范圍的細微差距主要是因為進風口風速所導致的。

因此，雖然進風口面積與出風口面積比值越小，即進風口越大出風口越小，進風口的風速越大，但是氣流影響范圍卻是受進風口的面積所決定的，過小的進風口容易產生較強的氣流，對于室內氣流的均勻分布是不利的。實際項目中，進風口的面積需控制在一定的大小范圍之內，不僅要符合建筑設計規范相關規定，還要結合采光設計的計算來決定。

3 結 語

不論是住宅建筑，抑或是公共建筑，建筑設計中的室內自然通風問題開始越來越重要。在建筑設計中，需要通過一定的設計手段，充分利用地域性氣候條件，綜合考慮各方面條件的影響，合理的組織室內自然通風。本文通過以上模擬分析，比較了不同建筑開洞條件下的室內通風效果的差別，希望能為今后自然通風的建筑設計中關于門窗洞口的開設提供一定的依據。

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