風向角對住宅室內(nèi)自然通風效果影響的研究

曹曉貞， 余　燚

（1.悉地（北京）國際建筑設計顧問有限公司，北京100013；2.上海聯(lián)創(chuàng)建筑設計有限公司北京分公司，北京100013）

風向角對住宅室內(nèi)自然通風效果影響的研究

曹曉貞1， 余燚2

（1.悉地（北京）國際建筑設計顧問有限公司，北京100013；2.上海聯(lián)創(chuàng)建筑設計有限公司北京分公司，北京100013）

自然通風作為一種被動式通風降溫方法，是降低建筑能耗的有效途徑，但如何合理的組織自然通風，最大限度的利用自然資源，卻是建筑設計中的難點。本文根據(jù)沈陽地區(qū)實際風向的變化，對比分析不同風向角對建筑室內(nèi)流場分布的影響規(guī)律，得出沈陽市相對較佳的建筑朝向推薦方案，從而對住宅室內(nèi)平面布置和建筑物朝向設計提供參考。

風向角； 自然通風； 空氣齡

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.02.017

0　引言

自然通風作為被動式通風降溫方法，其優(yōu)越性越來越受到人們的重視，是人類歷史上長期賴以調(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來達到通風降溫的目的。據(jù)有關研究表明，在夏季，人們即使在皮膚發(fā)粘濕潤的情況下，有75%的人仍選擇保持自然通風狀態(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窗通風［6］。但現(xiàn)代人類對自然通風的利用已經(jīng)不同于以前開窗、開門通風換氣，而是綜合室內(nèi)外的環(huán)境條件來實現(xiàn)。自然風通過建筑物表面的開口流入或者流出，則室外環(huán)境的風向、建筑物的朝向、建筑室內(nèi)布局、建筑構造（包括門窗構造）、門窗的開啟方式等的設計，都直接或間接的影響著建筑物內(nèi)部的氣流流動和通風效果的好壞。因此，住宅中的氣流的流場分布與建筑結構要素的關系機理研究，無疑是建筑自然通風設計的重要內(nèi)容。

風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，風向的變化會影響建筑物的通風及室內(nèi)氣流的流動，處理好建筑物與當?shù)厥彝庵鲗эL向之間的夾角問題，可以有效的解決冬、夏季通風問題，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。本文通過對不同風向角下室內(nèi)的自然通風效果的分析，得出風向角對自然通風影響的規(guī)律，從而對建筑住宅朝向設計提供參考。

1　研究工況

1.1風向角α

風向角α為室外環(huán)境的入口風與入口平面（建筑物表面）法線之間的夾角，當來流垂直于建筑物表面時，α為0°，當來流平行于建筑物表面時，α為90°，且規(guī)定順時針方向夾角為正，逆時針方向夾角為負，如圖1所示。

1.2模擬工況的設定

在建筑進行自然通風的過程中，室外環(huán)境的風向會發(fā)生復雜的變化，為了使建筑更好的利用自然通風，住宅建筑在設計的過程中應使當?shù)叵募镜闹鲗эL向與住宅保持適宜的風向角。

通過對沈陽地區(qū)氣候的觀測可知，沈陽地區(qū)夏季的主導風向為西南風，而常規(guī)住宅設計朝向多為南北朝向，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向角為75°、60°、45°、30°、15°、0°進行模擬。

圖1　風向角α

圖2　風向角α=75°時的風速分布圖

圖2　風向角α=60°時的風速分布圖

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

2　模擬結果及分析

（1）不同風向角下室內(nèi)的風速分布

當室外氣流通過建筑物表面的開口進入室內(nèi)空間后，會在室內(nèi)形成一定的速度場。在室外來流風速、風向相同的情況下，不同的室外風向角，形成的室內(nèi)速度場的分布規(guī)律有所差異，圖2～圖7分別為75°、60°、45°、30°、15°、0°風向角來流下，室內(nèi)1.1m高處流場的氣流速度分布云圖。

從建筑物不同風向角下室內(nèi)速度場的分布狀況可以看出：1）當室外空氣進入住宅室內(nèi)空間后，會在室內(nèi)形成大大小小的漩渦，在漩渦的擾動作用下，室外的新鮮空氣進入室內(nèi)，而室內(nèi)的污濁空氣則隨著氣流的流動排出室外；2）氣流從建筑物的迎風面的開口位置進入室內(nèi)，從背風面窗戶的開口位置流出，氣流在室內(nèi)的流動過程中受室內(nèi)墻體的導流作用，部分氣流的流動方向會發(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）風向角從75°變化到60°，再變化到45°角，隨著風向角的減小，各區(qū)間角度變化幅度雖然不大，但室內(nèi)的速度場分布卻發(fā)生了很大變化，隨著風向角的減小，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)象說明，在風向角較大的情況下，即使角度的微小變化，也會對室內(nèi)的氣流流場分布造成較大的影響；4）風向角在0°～30°時，室內(nèi)能形成明顯的穿堂風，房間內(nèi)風速較大，基本上沒有大范圍的通風死角，而當風向角大于45°時，室內(nèi)的風速即迅速下降，房間內(nèi)部（主臥室、書房）的通風死角范圍逐漸增大，這對利用通風來排除室內(nèi)的污濁空氣是不利的，室內(nèi)的通風效果較差。

（2）不同風向角下室內(nèi)的空氣齡分布

圖8～圖13給出的是在風向角不同的情況下，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的條件下，完成置換所需要的時間較短，室內(nèi)空氣的新鮮度較好；反之，則暖色調(diào)說明該處空氣的平均空氣齡值較大，在自然通風條件下，完成置換所需要的時間較長，室內(nèi)空氣的新鮮度較差。

圖4　風向角α=45°時的風速分布圖

圖5　風向角α=30°時的風速分布圖

圖6　風向角α=15°時的風速分布圖

圖7　風向角α=0°時的風速分布圖

圖8　風向角α=75°時平均空氣齡分布圖

圖9　風向角α=60°時平均空氣齡分布圖

從圖8～圖13顯示的不同風向角下，室內(nèi)平均空氣齡的分布情況可以看出：1）在風向角較大的情況下，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，室內(nèi)空氣品質(zhì)得到了改善；2）在室內(nèi)小衛(wèi)生間，由于沒有外窗，空氣不能形成有效的對流，室內(nèi)基本無進風，氣流速度很小，故此處的平均空氣齡相對其它房間較大，空氣的新鮮度較差，需要借助機械方式對該區(qū)域進行輔助通風；3）在夏季主導風向下，該住宅的主臥室、書房的部分區(qū)域會形成通風死角，且風向角越大（0°除外），通風死角的范圍越大。

圖10　風向角α=45°時平均空氣齡分布圖

圖11　風向角α=30°時平均空氣齡分布圖

圖12　風向角α=15°時平均空氣齡分布圖

圖13　風向角α=0°時平均空氣齡分布圖

為了進行對比分析，我們將各風向角下室內(nèi)1.1m高（坐姿人員頭部呼吸高度）處的平均空氣齡值列出，結果見表1。

表1　不同工況下室內(nèi)平均空氣齡值

通過表1對不同風向角下，室內(nèi)的平均空氣齡值的對比分析，可以看出，風向角越大，室內(nèi)平均空氣齡值越大，當風向角為0°時，室內(nèi)空氣齡的平均值最小，空氣的新鮮度最好，而風向角在15°～45°范圍內(nèi)時，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)相對較好。

3　結語

在住宅空間，人們主要關注的是臥室、書房及客廳（人員停留時間較長）的室內(nèi)環(huán)境，因為不管是男性還是女性，在住宅室內(nèi)的停留時間主要集中在這幾個房間中，所以這些功能間室內(nèi)環(huán)境的好壞直接關系著室內(nèi)人員的健康。通過分析不同風向角對住宅室內(nèi)自然通風效果的影響，現(xiàn)得出結論如下：

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

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

［2］歐陽沁.自然風的1/f紊動特性的研究現(xiàn)狀與展望［A］.2002年全國暖通空調(diào)制冷學術年會論文集［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，2003.

［6］江億.我國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，河南洛陽人，碩士研究生，研究方向：建筑自然通風。

2015-02-03

2015-04-03