居住建筑室內自然通風效果關鍵影響因素分析＊
——以重慶地區為例

丁勇 胡玉婷

重慶大學土木工程學院

自然通風是指依靠室內外風壓或熱壓進行室內外空氣交換，從而稀釋室內污染物濃度、消除室內余熱余濕的一種通風換氣方式，不僅節能，還可以保證室內的空氣品質[1]。李芃等通過對上海地區辦公樓的模擬計算，得出自然通風可實現45.7%節能率[2]；李百戰等對重慶住宅室內熱環境狀況進行了調查和實測，發現自然通風是改善室內熱環境最經濟有效的辦法[3]。

1 自然通風基本功能

通風對于建筑和人而言，具有以下三種基本功能：

（1）健康通風

室內空氣污染物來源多種多樣，一般來講，室內污染物濃度比室外高2～5倍，嚴重的高達數10倍，如果不對其進行稀釋，將嚴重影響居住者的健康。實驗表明，通風30min至少可減少室內96.4%～99.5%的細菌[4]。

（2）熱舒適通風

課題組前期在5、6月對重慶居住建筑室內熱環境進行了測試，發現在5月份，自然通風狀態下室內熱環境與無通風狀態相比，其不滿意率由25%～30%下降到10%～15%，平均相差13.5%，最高達到16.5%。6月的陰雨天氣中，自然通風的不滿意率不高于20.0%，而無通風的不滿意率高達53.0%[5]。

（3）降溫通風

以課題組的通風實測數據為例，在5、6月對普通居住建筑進行實測，在8月對臨江建筑進行室內通風實測[6]，結果如表1所示。

可以看出，自然通風的降溫作用是有一定條件的，當室內氣溫高于室外，如重慶地區的過渡季節以及夏季的特定時段（清晨、上午），利用自然通風能夠達到一定的降溫效果；而當室外溫度高于室內時（如6月的晴天和8月的下午），自然通風將室外高溫空氣帶入室內，室內溫度反而更高。

雖然自然通風可以在不消耗能源的情況下改善室內空氣品質，滿足人體熱舒適的要求，但由于其受到當地氣象、地理等多種因素的影響，作用效果有限。調查顯示大多數重慶居民有開窗的習慣，但普遍反映室內通風效果較差[7]。因此，需要對影響居住建筑自然通風的關鍵因素進行分析。

2 室外氣象條件對通風的影響

室外氣象條件是影響通風效果的重要因素之一，為提高室內通風效果，首先要對室外氣象環境進行分析。本文以重慶地區的數據為例，對比說明不同尺度下室外環境氣候參數的差異。

2.1 城市氣候與微氣候對比分析

微氣候是指在建筑周圍地面、屋面、墻面、窗臺等特定地點的氣溫、濕度、風速等，建筑物本身及其在地面和其他建筑物的投影，也會改變該處的微氣候[1]。本文以中國氣象科學數據共享服務網中重慶市沙坪壩氣象臺某一年的氣象數據作為重慶市城市氣候的分析數據，以重慶某高校內某教學樓屋頂氣象站實測多年的逐時氣象數據作為微氣候的分析數據進行對比（表2）。

通過對比可以看出，最冷月平均氣溫與平均相對濕度差異較小，說明在冬季，城市氣候與微氣候具有一致性。但最熱月溫度和風速相差較大，平均溫差為1.9℃，微氣候中87.6%的風速在1m/s以下，而城市氣候僅有48.7%的風速在1m/s以下，且微氣候的靜風率約為城市氣候的2倍。由此可見，微氣候的風力資源相比城市氣候更為匱乏。

城市氣象臺一般以距平坦地面10m高處測得的風向和風速作為當地的觀察數據[1]，但當自然風流經建筑時，氣流受到阻礙后在建筑的背風向形成風影區，其長度大約為建筑高度的15倍，風影區內氣流速度急速減弱，易形成渦流區[8]，不利于建筑的自然通風。因此，在設計自然通風時，如果采用城市氣候氣象數據進行分析，可能會帶來實際通風能力的差異。

表1 居住建筑通風實測結果

表2 城市氣候與微氣候氣象數據對比

1 建筑平面布局示意圖

2 板式住宅平面圖

3 點式住宅平面圖

4 原朝向戶型平面圖

5 旋轉后戶型平面圖

2.2 建筑室外環境實測

為了進一步分析建筑通風能力的影響因素，課題組對重慶市沙坪壩區的3個局部地點進行了室外氣象參數的連續測試，以重慶某高校內某教學樓屋頂氣象站為參照點。其余兩個測點分別為該高校內某宿舍樓和同區內某住宅樓。宿舍樓測試時間為6月，住宅樓測試時間為同年7—8月，測試周期均為15天，氣象站每10min記錄一次數據，測點均在各建筑樓頂，測試結果見表3。

由于宿舍樓南向有一棟36m高的建筑物，住宅樓北向有建筑物遮擋，因此測點風向與參照點有所區別。此外，宿舍樓和住宅樓的靜風率和高風速段比例與參照點相比均減小，風速集中在0～0.2m/s。由此可以看出，即使是同區內的不同建筑，由于位置布局不同，也會造成風環境的差異。因此，必須結合項目實地情況開展針對性分析，才能實現對氣候資源的最大化利用。

2.3 建筑布局

通過對城市氣候和微氣候的比較以及建筑室外環境實測可以看出，建筑的位置布局是否合理將直接影響建筑所在地局部室外風環境的好壞。

建筑布局主要有平行規整式、平行錯列式、垂直式、圍合式四種形式（圖1）。研究利用Airpak軟件分析四種布局形式下建筑周圍氣流的分布情況，結果顯示當采用平行規整式布局時，前排建筑通風效果較好，但后排建筑處于前排建筑的風影區中，通風效果較差；而平行錯列式由于建筑間存在相對錯列角度，氣流可以較順暢地通過建筑巷道，下風向建筑受風面較大，有利于整個建筑區的自然通風；采用垂直式布局時，室外風環境比平行式復雜，后排建筑產生渦流區；圍合式布局圍而不合，內部空間通風效果增強，有利于各建筑形成較好的自然通風[6]。從整體上看，平行錯列式和圍合式更有利于建筑的自然通風。

3 建筑對自然通風的影響

影響建筑室內自然通風效果的因素很多，室外風環境是難以控制的，往往只有通過改變建筑布局以及建筑本身特征這些人為可以改變的因素來改善或利用自然通風。本節將從建筑的形式、朝向、室內布局以及外窗形式四個方面來說明建筑本身對室內自然通風的影響。

3.1 建筑形式

城市居住建筑主要分為板式住宅和點式住宅。板式住宅的建筑平面基本呈矩形，短邊與長邊的比值≤1/2，短邊長度≤20m，其布局通常為一梯兩戶，由若干個單元連在一起拼成一個樓板。點式住宅的建筑平面近似方形，短邊與長邊的比值＞1/2，其布局多以共用電梯、樓梯為中心，通常為一梯四戶或多戶，建筑密度高，節地能力強[9]（圖2，3）。

通過平面圖的對比可以看出，板式住宅通常有2～3個朝向，可開啟外窗較多，且板式住宅便于設置為正南北朝向，在南北開窗的情況下，易形成南北向的穿堂風，便于采光和通風；而點式住宅通常只有1～2個朝向，每層樓中各戶型朝向各不相同，可開啟外窗數量有限，且房間進深較大，很難形成良好的氣流組織，部分住戶采光和通風條件相對較差。

重慶的山地面積約占76%，居住建筑需求大，為節約用地，重慶市居住建筑多采用點式住宅。因此，出于自身條件的限制，如何實現自然通風、形成良好的通風效果，需要對建筑其他特征進行分析。

3.2 建筑朝向

為了研究建筑朝向對自然通風效果的影響，課題組以重慶市的建筑特點為例，選取了典型戶型進行模擬研究，該戶型為三室兩廳雙陽臺，套內面積為83.08m2，對該戶型主要活動區域進行編號，如圖4所示。

根據《中國建筑熱環境分析專用氣象數據集》中5—9月的環境參數平均值，以及針對建筑在關閉門窗測試的室內溫度平均值，確定模擬工況為：西北風1.5m/s，環境溫度27.0℃，相對濕度78%，室內初始溫度30.1℃。為了對比分析建筑朝向對室內通風效果的影響，在其他條件不變的情況下，將原戶型平面圖逆時針旋轉90°，再次進行模擬，旋轉后的戶型平面如圖5所示。

將兩種朝向下房間進風口、風速、溫度、PMV值進行對比，分析建筑朝向對自然通風效果的影響（表4）。對于原戶型，建筑的西面和北面均沒有開口，氣流受到阻礙后，繞過建筑在主臥窗戶處形成回流區，使主臥窗戶成為唯一的進風口，而陽臺處風速幾乎為0，此處較大開口形同虛設。當戶型朝向改變后，北面開口數增多，陽臺和次臥成為主要進風口，風速明顯增大，陽臺處的較大開口得以利用，室內氣流組織明顯得到改善。同時由于房間內自然通風效果增強，室內溫度分布更加均勻，溫度下降速度更快，相比原朝向溫度下降0.9℃，且更多房間的PMV趨近于0。

表3 各測點主要風速及風向分布

表4 模擬結果

6 原布局戶型平面圖

7 調整后戶型平面圖

8 模擬房間示意圖

9 風速變化折線圖

由此可見，選擇建筑朝向時，要結合當地風向確定不同建筑體型的正壓區和負壓區，以判斷開口處能否產生良好的通風效果，避免開口形同虛設[10]。

3.3 室內布局

選取另一典型戶型對建筑室內布局進行分析，該戶型為五室兩廳雙陽衛，套內面積為138.96m2，模擬工況與朝向模擬相同（圖6）。為了分析室內布局的影響，在其他工況條件不變的情況下，在書房南外墻添加一面1.2m寬的窗戶（此處不考慮其他建筑因素），同時將客廳西外墻的小窗加寬0.3m，改變后的戶型如圖7所示。通過對比兩種布局形式下的室內風速以及PMV值，分析建筑室內布局對室內通風的影響。

對于原戶型，北向的主臥、次臥以及客廳窗戶為進風口，而南向次臥和南向衛生間窗戶為出風口。室內最大風速為0.8m/s，平均風速為0.24m/s，整個戶型中PMV值接近0的區域較大，但書房作為人員長時間停留的地方，僅有少量的氣流進入，氣流組織情況欠佳，熱舒適環境較其他區域差。而在書房南向增加一扇窗后，書房窗戶也成為了進風口，強化了書房的氣流組織；陽臺窗戶面積增大后，氣流在拐角處形成回流，強化了自然通風效果，且改進后房間主要區域的不滿意率低于8%。因此，改動建筑的局部開窗位置和大小后，室內氣流更加通暢，對熱舒適的滿意程度也有所提高。

3.4 建筑外窗

建筑自然通風絕大多數是通過可開啟的外窗進行的，而外窗的形式決定了窗口的大小，窗墻比以及外窗的形式也會影響室內氣流的分布情況。

（1）窗墻比

窗墻比是指單一朝向的外窗面積與外墻面積（含窗面積）之比。選定房間尺寸為4m×8m×3m，前后窗處于正對位置，且位于相應墻體中間，如圖8所示。為探討窗墻面積比對室內通風的影響，利用數值模擬的方法對比不同窗墻比下房間中心點的風速值，進風風速取0.5m/s，對比結果如圖9所示。

可以看出，窗墻比越大，中心點風速越大，室內通風效果越好，但考慮到采光、傳熱等因素，窗墻比不能無限增大，在條件允許的情況下，窗墻比可取20%～50%。

（2）外窗形式

居住建筑常用外窗形式為平開窗、懸窗和推拉窗，研究表明[11]：1）考慮建筑總體自然通風的風量，當建筑朝向與風向的夾角較小時，推拉窗的自然通風量較大，隨著夾角逐漸增大，平開窗的優勢逐漸凸顯；2）當夾角為45°時，平開窗的導流作用較為顯著，自然通風量最大，這是由于平開窗對橫向風有一定阻擋，使窗口處形成負壓，此負壓將室內空氣抽出，從而增強室內的自然通風效果；3）考慮建筑自然通風的均勻性，不論在哪種風向下，均為平開窗較優，且風向改變時，平開窗對自然通風的均勻性影響較小。因此，同時考慮建筑自然通風量與自然通風均勻性時，平開窗具有更明顯的優勢。

4 結論

本文從城市氣候與微氣候的差異性出發，對比分析了建筑位置布局對自然通風的影響，最后通過改變建筑本身特性的數值模擬分析，得出了以下結論：

（1）以城市氣候與微氣候為邊界條件模擬分析自然通風時，其結果存在顯著差異，不同局部地區風速差異最大可達51%。因此，分析自然通風時，選擇合理的邊界條件非常重要，應以城市氣候為宏觀基礎，結合建筑布局形式，分析并確定建筑所在地的微氣候，并以此為自然通風設計的邊界條件。

（2）建筑外環境、建筑朝向、室內布局、外窗大小及形式等均會對建筑室內的通風效果產生明顯影響。根據朝向和窗墻比的不同，該影響的差異可分別達到66%和400%。

（3）不同建筑形式對于通風的影響往往是內外環境的綜合反饋，既能反映出對外環境微氣候條件的適應性，又能對不同室內環境下的通風效果產生較大的影響。因此，建筑形式對于既定條件下的自然通風，往往會起到一定程度的決定性作用。

圖表來源

圖2，3來源于網絡；其余圖表均由作者自繪。