風(fēng)向角對(duì)住宅室內(nèi)自然通風(fēng)效果影響的研究

曹曉貞， 余　燚

（1.悉地（北京）國(guó)際建筑設(shè)計(jì)顧問(wèn)有限公司，北京100013；2.上海聯(lián)創(chuàng)建筑設(shè)計(jì)有限公司北京分公司，北京100013）

風(fēng)向角對(duì)住宅室內(nèi)自然通風(fēng)效果影響的研究

曹曉貞1， 余燚2

（1.悉地（北京）國(guó)際建筑設(shè)計(jì)顧問(wèn)有限公司，北京100013；2.上海聯(lián)創(chuàng)建筑設(shè)計(jì)有限公司北京分公司，北京100013）

自然通風(fēng)作為一種被動(dòng)式通風(fēng)降溫方法，是降低建筑能耗的有效途徑，但如何合理的組織自然通風(fēng)，最大限度的利用自然資源，卻是建筑設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)。本文根據(jù)沈陽(yáng)地區(qū)實(shí)際風(fēng)向的變化，對(duì)比分析不同風(fēng)向角對(duì)建筑室內(nèi)流場(chǎng)分布的影響規(guī)律，得出沈陽(yáng)市相對(duì)較佳的建筑朝向推薦方案，從而對(duì)住宅室內(nèi)平面布置和建筑物朝向設(shè)計(jì)提供參考。

風(fēng)向角； 自然通風(fēng)； 空氣齡

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.02.017

0　引言

自然通風(fēng)作為被動(dòng)式通風(fēng)降溫方法，其優(yōu)越性越來(lái)越受到人們的重視，是人類(lèi)歷史上長(zhǎng)期賴以調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境的原始手段［1］。它一方面可以降低空調(diào)的耗電量，從而降低為了生產(chǎn)這些電能所消耗的煤炭資源，減少溫室氣體的排放；另一方面可以在一定程度上滿足室內(nèi)的舒適度要求，保持室內(nèi)空氣的清潔衛(wèi)生，克服由空調(diào)的恒溫環(huán)境所造成的人體抵抗力下降等不利因素，所以人們更喜歡利用自然通風(fēng)來(lái)達(dá)到通風(fēng)降溫的目的。據(jù)有關(guān)研究表明，在夏季，人們即使在皮膚發(fā)粘濕潤(rùn)的情況下，有75%的人仍選擇保持自然通風(fēng)狀態(tài)［2～5］；而在冬季，70%以上居住在新建住宅中的北京居民每天都要開(kāi)窗通風(fēng)［6］。但現(xiàn)代人類(lèi)對(duì)自然通風(fēng)的利用已經(jīng)不同于以前開(kāi)窗、開(kāi)門(mén)通風(fēng)換氣，而是綜合室內(nèi)外的環(huán)境條件來(lái)實(shí)現(xiàn)。自然風(fēng)通過(guò)建筑物表面的開(kāi)口流入或者流出，則室外環(huán)境的風(fēng)向、建筑物的朝向、建筑室內(nèi)布局、建筑構(gòu)造（包括門(mén)窗構(gòu)造）、門(mén)窗的開(kāi)啟方式等的設(shè)計(jì)，都直接或間接的影響著建筑物內(nèi)部的氣流流動(dòng)和通風(fēng)效果的好壞。因此，住宅中的氣流的流場(chǎng)分布與建筑結(jié)構(gòu)要素的關(guān)系機(jī)理研究，無(wú)疑是建筑自然通風(fēng)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。

風(fēng)與建筑物表面形成的投射角度是影響建筑室內(nèi)環(huán)境變化的重要因素。在夏季，風(fēng)向的變化會(huì)影響建筑物的通風(fēng)及室內(nèi)氣流的流動(dòng)，處理好建筑物與當(dāng)?shù)厥彝庵鲗?dǎo)風(fēng)向之間的夾角問(wèn)題，可以有效的解決冬、夏季通風(fēng)問(wèn)題，在提高住宅人員的舒適度、改善室內(nèi)空氣品質(zhì)的前提下。本文通過(guò)對(duì)不同風(fēng)向角下室內(nèi)的自然通風(fēng)效果的分析，得出風(fēng)向角對(duì)自然通風(fēng)影響的規(guī)律，從而對(duì)建筑住宅朝向設(shè)計(jì)提供參考。

1　研究工況

1.1風(fēng)向角α

風(fēng)向角α為室外環(huán)境的入口風(fēng)與入口平面（建筑物表面）法線之間的夾角，當(dāng)來(lái)流垂直于建筑物表面時(shí)，α為0°，當(dāng)來(lái)流平行于建筑物表面時(shí)，α為90°，且規(guī)定順時(shí)針?lè)较驃A角為正，逆時(shí)針?lè)较驃A角為負(fù)，如圖1所示。

1.2模擬工況的設(shè)定

在建筑進(jìn)行自然通風(fēng)的過(guò)程中，室外環(huán)境的風(fēng)向會(huì)發(fā)生復(fù)雜的變化，為了使建筑更好的利用自然通風(fēng)，住宅建筑在設(shè)計(jì)的過(guò)程中應(yīng)使當(dāng)?shù)叵募镜闹鲗?dǎo)風(fēng)向與住宅保持適宜的風(fēng)向角。

通過(guò)對(duì)沈陽(yáng)地區(qū)氣候的觀測(cè)可知，沈陽(yáng)地區(qū)夏季的主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)，而常規(guī)住宅設(shè)計(jì)朝向多為南北朝向，為了獲得具有可比性的數(shù)據(jù)，在模擬過(guò)程中我們以建筑物的主朝向正南為模擬原型，模型的改變因子為風(fēng)向角為75°、60°、45°、30°、15°、0°進(jìn)行模擬。

圖1　風(fēng)向角α

圖2　風(fēng)向角α=75°時(shí)的風(fēng)速分布圖

圖2　風(fēng)向角α=60°時(shí)的風(fēng)速分布圖

在室內(nèi)通風(fēng)效果的分析中，我們主要考慮的是人體活動(dòng)高度處的風(fēng)速及空氣齡分布對(duì)人體的影響，所以取室內(nèi)1.1m高（坐姿人員頭部呼吸高度）處的速度場(chǎng)、平均空氣齡場(chǎng)作為研究對(duì)象。

2　模擬結(jié)果及分析

（1）不同風(fēng)向角下室內(nèi)的風(fēng)速分布

當(dāng)室外氣流通過(guò)建筑物表面的開(kāi)口進(jìn)入室內(nèi)空間后，會(huì)在室內(nèi)形成一定的速度場(chǎng)。在室外來(lái)流風(fēng)速、風(fēng)向相同的情況下，不同的室外風(fēng)向角，形成的室內(nèi)速度場(chǎng)的分布規(guī)律有所差異，圖2～圖7分別為75°、60°、45°、30°、15°、0°風(fēng)向角來(lái)流下，室內(nèi)1.1m高處流場(chǎng)的氣流速度分布云圖。

從建筑物不同風(fēng)向角下室內(nèi)速度場(chǎng)的分布狀況可以看出：1）當(dāng)室外空氣進(jìn)入住宅室內(nèi)空間后，會(huì)在室內(nèi)形成大大小小的漩渦，在漩渦的擾動(dòng)作用下，室外的新鮮空氣進(jìn)入室內(nèi)，而室內(nèi)的污濁空氣則隨著氣流的流動(dòng)排出室外；2）氣流從建筑物的迎風(fēng)面的開(kāi)口位置進(jìn)入室內(nèi)，從背風(fēng)面窗戶的開(kāi)口位置流出，氣流在室內(nèi)的流動(dòng)過(guò)程中受室內(nèi)墻體的導(dǎo)流作用，部分氣流的流動(dòng)方向會(huì)發(fā)生變化，并且在氣流流通的主要路徑上，室內(nèi)氣流的速度較大；3）風(fēng)向角從75°變化到60°，再變化到45°角，隨著風(fēng)向角的減小，各區(qū)間角度變化幅度雖然不大，但室內(nèi)的速度場(chǎng)分布卻發(fā)生了很大變化，隨著風(fēng)向角的減小，室內(nèi)形成了明顯的漩渦，并涉及到了套室內(nèi)的大部分空間，這種現(xiàn)象說(shuō)明，在風(fēng)向角較大的情況下，即使角度的微小變化，也會(huì)對(duì)室內(nèi)的氣流流場(chǎng)分布造成較大的影響；4）風(fēng)向角在0°～30°時(shí)，室內(nèi)能形成明顯的穿堂風(fēng)，房間內(nèi)風(fēng)速較大，基本上沒(méi)有大范圍的通風(fēng)死角，而當(dāng)風(fēng)向角大于45°時(shí)，室內(nèi)的風(fēng)速即迅速下降，房間內(nèi)部（主臥室、書(shū)房）的通風(fēng)死角范圍逐漸增大，這對(duì)利用通風(fēng)來(lái)排除室內(nèi)的污濁空氣是不利的，室內(nèi)的通風(fēng)效果較差。

（2）不同風(fēng)向角下室內(nèi)的空氣齡分布

圖8～圖13給出的是在風(fēng)向角不同的情況下，室內(nèi)1.1m高（坐姿人員頭部呼吸高度）處的平均空氣齡的分布情況。在圖中，顏色從冷色調(diào)到暖色調(diào)，代表室內(nèi)空氣平均空氣齡的大小，冷色調(diào)表示該處空氣的平均空氣齡值較小，即此處的空氣在自然通風(fēng)的條件下，完成置換所需要的時(shí)間較短，室內(nèi)空氣的新鮮度較好；反之，則暖色調(diào)說(shuō)明該處空氣的平均空氣齡值較大，在自然通風(fēng)條件下，完成置換所需要的時(shí)間較長(zhǎng)，室內(nèi)空氣的新鮮度較差。

圖4　風(fēng)向角α=45°時(shí)的風(fēng)速分布圖

圖5　風(fēng)向角α=30°時(shí)的風(fēng)速分布圖

圖6　風(fēng)向角α=15°時(shí)的風(fēng)速分布圖

圖7　風(fēng)向角α=0°時(shí)的風(fēng)速分布圖

圖8　風(fēng)向角α=75°時(shí)平均空氣齡分布圖

圖9　風(fēng)向角α=60°時(shí)平均空氣齡分布圖

從圖8～圖13顯示的不同風(fēng)向角下，室內(nèi)平均空氣齡的分布情況可以看出：1）在風(fēng)向角較大的情況下，室內(nèi)的平均空氣齡值普遍偏高，隨著風(fēng)向角的減小，室內(nèi)相同區(qū)域的平均空氣齡明顯減小，空氣新鮮度增強(qiáng)，室內(nèi)空氣品質(zhì)得到了改善；2）在室內(nèi)小衛(wèi)生間，由于沒(méi)有外窗，空氣不能形成有效的對(duì)流，室內(nèi)基本無(wú)進(jìn)風(fēng)，氣流速度很小，故此處的平均空氣齡相對(duì)其它房間較大，空氣的新鮮度較差，需要借助機(jī)械方式對(duì)該區(qū)域進(jìn)行輔助通風(fēng)；3）在夏季主導(dǎo)風(fēng)向下，該住宅的主臥室、書(shū)房的部分區(qū)域會(huì)形成通風(fēng)死角，且風(fēng)向角越大（0°除外），通風(fēng)死角的范圍越大。

圖10　風(fēng)向角α=45°時(shí)平均空氣齡分布圖

圖11　風(fēng)向角α=30°時(shí)平均空氣齡分布圖

圖12　風(fēng)向角α=15°時(shí)平均空氣齡分布圖

圖13　風(fēng)向角α=0°時(shí)平均空氣齡分布圖

為了進(jìn)行對(duì)比分析，我們將各風(fēng)向角下室內(nèi)1.1m高（坐姿人員頭部呼吸高度）處的平均空氣齡值列出，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　不同工況下室內(nèi)平均空氣齡值

通過(guò)表1對(duì)不同風(fēng)向角下，室內(nèi)的平均空氣齡值的對(duì)比分析，可以看出，風(fēng)向角越大，室內(nèi)平均空氣齡值越大，當(dāng)風(fēng)向角為0°時(shí)，室內(nèi)空氣齡的平均值最小，空氣的新鮮度最好，而風(fēng)向角在15°～45°范圍內(nèi)時(shí)，室內(nèi)空氣齡平均值變化不大，基本處于穩(wěn)定范圍內(nèi)，室內(nèi)空氣品質(zhì)相對(duì)較好。

3　結(jié)語(yǔ)

在住宅空間，人們主要關(guān)注的是臥室、書(shū)房及客廳（人員停留時(shí)間較長(zhǎng)）的室內(nèi)環(huán)境，因?yàn)椴还苁悄行赃€是女性，在住宅室內(nèi)的停留時(shí)間主要集中在這幾個(gè)房間中，所以這些功能間室內(nèi)環(huán)境的好壞直接關(guān)系著室內(nèi)人員的健康。通過(guò)分析不同風(fēng)向角對(duì)住宅室內(nèi)自然通風(fēng)效果的影響，現(xiàn)得出結(jié)論如下：

在風(fēng)向角為0°～45°時(shí)，室內(nèi)能形成明顯的穿堂風(fēng)，房間內(nèi)風(fēng)速較大，基本上沒(méi)有大范圍的通風(fēng)死角，且室內(nèi)空氣齡的平均值較小，空氣的新鮮度較好。而當(dāng)風(fēng)向角大于45°時(shí)，室內(nèi)的風(fēng)速即迅速下降，房間內(nèi)部的通風(fēng)死角范圍逐漸增大，這對(duì)利用通風(fēng)來(lái)排除室內(nèi)的污濁空氣是不利的。所以，可以認(rèn)為在風(fēng)向角為0°～45°時(shí)，室內(nèi)的通風(fēng)換氣效果較好。

［1］王新華.住宅自然通風(fēng)的數(shù)值模擬及氣候效應(yīng)研究［D］.天津：天津大學(xué)，2008.

［2］歐陽(yáng)沁.自然風(fēng)的1/f紊動(dòng)特性的研究現(xiàn)狀與展望［A］.2002年全國(guó)暖通空調(diào)制冷學(xué)術(shù)年會(huì)論文集［C］.2002.

［3］Olesen B W.Guidelines for comfort［J］.ASHRAE Journal，2000，42（8）：41～46.

［4］Oseland N A.Acceptable temperature ranges in naturally ventilated and air conditionedoffices［J］.ASHRAETransactions，1998，104（1）：1018～1030.

［5］王怡.寒冷地區(qū)居住建筑夏季室內(nèi)熱環(huán)境研究［D］.西安：西安建筑科技大學(xué)，2003.

［6］江億.我國(guó)建筑能耗狀況及有效的節(jié)能途徑［J］.暖通空調(diào)，2005，35（5）：30～40.

Study on the Effect of Wind Angle on Indoor Natural Ventilation of Residential Building

CAO Xiao-zhen1， YU Yi2
（1.Constrcution（Beijing）International Architectural Design Consulting Co.，Ltd，Beijing 100013，China；
2.Shanghai Lianchuang Architectural Design Co.，Ltd，Beijing 100013，China；）

As a passive ventilation cooling method，natural ventilation is an effective way to reduce building energy consumption.But how reasonable organization of natural ventilation and maximum use of natural resources is a difficult problem in architectural design.In this paper，according to the change of the actual wind direction in Shenyang，analysis the influence rules of different wind direction for interior airflow field.The results obtained relatively better building orientation in Shenyang that provides guidance on the design of residential interior layout and building orientation.

wind direction； natural ventilation； air age

TU831.1

B

2095-3429（2015）02-0064-04

元 曹曉貞（1988-），女，河南洛陽(yáng)人，碩士研究生，研究方向：建筑自然通風(fēng)。

2015-02-03

2015-04-03