自然通风模拟在某板式建筑户型设计中的应用

关键词：建筑设计，自然通风，户型设计，户型分析，数值分析 

　　1 引言 

　　自然通风是利用自然资源来改变室内环境状态的一种纯“天然”的建筑环境调节手段，合理的自然通风组织可有效调节建筑室内的气流效果、温度分布，对改变室内热环境的满意度可以起到明显的效果[1]。 

　　良好的自然通风设计，即可以达到节能的目的，又有助于改善室内的空气品质。对建筑师提出的建筑方案进行自然通风和室内污染物状况预测和评价，可以促进建成后，建筑物室内获得良好的空气质量。在建筑设计阶段我们通常用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics， CFD）软件预测和评价室内通风状况。 

　　本文通过一个案例分享自然通风模拟技术在某板式建筑户型设计时的应用。 

　　2 建筑自然通风设计思路 

　　设计一种板式建筑，由两个单元拼接而成，一梯四户。在进行平面布局和外窗设计时考虑其自然通风，引用CFD技术验证户型自然通风设计的合理性并调整和优化户型设计。最终方案如图1所示。 

　　2.1 户内贯穿式通风设计 

　　该高层建筑为两个单元，每单元四户，A户型为端头户型，B（C）户型为南面户型，互为镜像，D户型为中间户型。对于A、D户型有在南、北外墙分别开口即可在户内行成南北通透的通风模式。对于现有大部分建筑的南向户型，由于无北外墙，户内不能直接利用建筑前后的风压差，若要形成南北通透的格局一般利用北面楼梯间的外窗出的负压，需要连续打开前室的两道门，B（C）户型的户门也需开启或安装通风窗。对于B（C）户型的设计有意将南向拉长，使得户内自然通风可利用南面与西面（东面）的风压。这样可不依赖与开启入户门的条件下，亦可获得良好的通风条件，使用户的私密型性得到更好的保障。 

　　2.2 房间内贯穿式通风设计 

　　对于具有两面外墙的拐角位置，可以在两面墙分别设置外窗，这样的设计即使关闭房间门，也可利用两个窗口的风压差通风，能最大限度的保证使用的私密性。从功能考虑优先将拐角位置划分为卧室，例如A户型西南角为主卧、西北角为次卧、B户型西南角为主卧，C户型东南角为主卧。 

　　2.3 外窗设计 

　　起居室外是开敞阳台设计，阳台门为推拉玻璃门YTM1824，尺寸为1.8m×2.4m，可开启最大面积为0.9m×2.4m。卧室和书房的外窗C0724为0.7m×2.4m，可开启扇面积为0.7m×1.5m。通常起居室的阳台门为起居室和来自其余南向房间的气流出口，开口面积不宜过小，TYM1824的可开启面积约为C0724的两倍。阳台门设置为推拉式也便于根据南面房间（例如A户型书房）是否处于需要增加自然通风的使用状态，调节开口面积。D户型厨房通往阳台为门联窗形式，通往客厅为推拉玻璃门，在使用时门联窗的窗和推拉门可以常开，这样就使客厅通过与厨房于连通，获得南北通透条件。 

　　设计建筑体形系数和窗墙比均满足《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》，如表1。 

　　3 自然通风模拟分析 

　　3.1 模型建立 

　　由于两个单元互为镜像，为了简化计算将标准层的西侧作为研究对象，模拟A、B、C、D四种户型室内风速、空气龄的分布情况。为了简化模拟分析的复杂程度，文中假定在设定的条件下，室外环境状态恒定，并且忽略周围环境对该户型环境的影响。 

　　假设建筑正南北朝向，主导风向为南风，建筑南墙迎风侧和北墙背风侧压差为2pa，该条件说明室外风场有利于室内自然通风。东西侧外墙与相邻的南外墙压差假设为0.5pa。不考虑卫生间和厨房的通风。利用AirPak3.0建立通风模拟模型如图2所示。 

　　3.2 单元整体自然通风评价 

　　户门关闭，模拟时不考虑卫生间和厨房的通风，其他居室的门均为开启状态，并将外窗可开启扇全部打开。这种最有利于穿堂风形成的策略下，流场模拟结果如图3、图4所示。 

　　室外风场满足自然通风条件时，各户型均能形成较为良好的贯穿式自然通风。A、D户型内部整体上均形成了较良好的贯穿式自然通风，没有明显的漩涡和死角。B、C户型书房内气流组织略差。 

　　从整体而言，各户型平面布局和窗口位置的安排较为合理，可以较好地利用自然通风改善室内环境。 

　　3.3 各户型通风策略研究 

　　（1） A户型通风策略研究

　　各房间门关闭时，主卧、起居室、次卧大部分区域空气龄均小于200S，玄关和走廊空气龄空气龄略大，也未超过400S。书房为单侧通风，自然通风条件差。如图6所示。 

　　将书房门打开，在书房南外窗和起居室北外窗之间的风压促使了穿堂风的形成。如图7所示。 

　　起居室迎风面和北风面均有通风开口，能够获得穿堂风。主卧室和次卧室的侧面开窗，也能在房间内形成贯穿式通风。书房为单侧通风房间，需开启其他居室的北向外窗促进书房的通风（表2）。 

　　（2） B户型通风策略研究 

　　B户型如图8所示，仅主卧和次卧具有两面外墙，具备房间内两侧开口，形成穿堂风的条件。主卧的西墙北端和和南墙东端设置外窗，使通风路径长度最大化，避免了气流短路。 

　　次卧若在东墙开口，将与C户型的次卧外窗相对，虽利于自然通风从私密性考虑不采纳。次卧仅南面设置外窗，关闭时为单侧通风房间，不能形成贯穿通风，与北面书房或起居室连通能获得穿堂风，如图9、图10所示。 

　　同样西向的起居室和书房也为单侧通风房间，需与南侧房间的外窗连通，形成通风路径。起居室西侧设置通往阳台的推拉式玻璃门，大小为1.8m×2.4m，可开启最大面积为0.9m×2.4m。图11、图12为主卧门关闭，次卧门打开，起居室和书房门打开时B户型在起居室阳台门不同开度时的自然通风状况。以1.7m以下人员活动区的参数平均值作为评价指标，图13比较了不同开度对书房、起居室流速和空气龄的影响，随着开度的增加，起居室和书房的平均流速均增加，但书房的流速变化曲线较平缓，说明起居室外门开度对书房影响较小。空气龄变化曲线可看出，1/3开度、2/3开度、和全开对书房及起居室空气龄的影响均较微弱，平均空气龄均小于200S，通风状况良好。 　　（3） D户型通风策略研究（图14 ） 

　　D户型如图14所示，其主卧、起居室、书房为南向，次卧为北向，对外只有一侧开口，所有房间自身均为单侧通风的房间，房门关闭时不能形成贯穿式自然通风。需打开房间门，同时打开对侧的房间门和外窗，利用建筑迎风侧和背风侧前后压差促进自然通风（表4）。 

　　3.4 各户型通风设计比较 

　　A户型为南北通透户型，主卧、次卧、起居室都为双侧开窗户型，即使关闭房间门时，自身的通风条件也良好。书房只有一侧开窗，关门时，室内流速低，通风差，室内空气龄大，若打开书房门使起与北向房间相通，则可形成穿堂风。 

　　B户型为西南向户型，户门关闭时不具备形成南北穿堂风的条件，但是在进行建筑设计时，西向设置了可开启外窗，为利用建筑相两侧外墙的风压差形成贯穿式通风提供了条件，住户通过开启各房间的门，使房间之间形成良好的风通道，能改善室内环境。C户型与B户型类似，在此不赘述（表5）。 

　　D户型所有房间均只有一面外墙开窗，为单侧通风房间，关闭房间门时不可形成贯穿式通风；若开启各房间门，则户型整体可形成有效的穿堂风。推荐在不使用厨房时，让厨房与起居室之间的推拉门处于敞开状态，其他房间门若打开都能获得穿堂风。 

　　4 结语 

　　综上所述，在建筑设计的方案阶段由于引入了CFD手段辅助预测和评价户型设计，使得在建筑建成前就能够对各户型的通风有个定量的预估和判断并反过来优化设计，通过对模拟结果的分析可以提出一些利于自然通风的调节策略，供用户入住后参考。 

　　通常出于节能的考虑，建筑设计时都尽量避免或减小东西两侧的开窗，本次户型设计在具有东、西外墙的房间都设置高度为1.5m的纵向窗，且拐角房间外窗的设置都放在相邻两面墙的远端，这样使两扇窗的位置尽量隔远，可以避免气流短路现象，延长了通风路径，便于贯穿式气流顺利穿过房间中央部位。经过计算，这种外窗设计，东西窗墙比满足夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准的要求。模拟结果显示，从整体而言各户型平面布局和窗口位置的安排较为合理，可以较好地利用自然通风改善室内环境。 

　　四个户型相比较，A户型为端头户型，三个居室具有两面外墙，均设计了两个方向的开口，这种双侧通风设计，使房间本身易形成贯穿式通风，不依赖于其他房间连通，私密性与空气品质能同时兼顾。B户型在户型平面设计时，朝南纵向拉长，有利于增加南外墙和西外墙的风压差。除西南侧主卧有条件设置为相邻外墙开窗的双侧通风方式而外，其余房间的通风依赖西侧和南侧房间之间的连通，建议起居室外阳台门24小时常开。D户型为中间的户型，所有房间只有一面外墙，房间自身不具备获得贯穿式通风的条件。建议在不使用厨房时，让厨房与起居室之间的推拉门处于敞开状态，这样其他房间门若打开都能获得穿堂风。