張曉云 路 軍 王兵兵

(河北建筑工程學(xué)院建筑與藝術(shù)學(xué)院,河北 張家口 075000)

以人為本探討自然通風(fēng)路徑下人居空間的室內(nèi)熱舒適性

張曉云 路 軍 王兵兵

(河北建筑工程學(xué)院建筑與藝術(shù)學(xué)院,河北 張家口 075000)

通過(guò)Airpak軟件模擬單獨(dú)空間通風(fēng)路徑，對(duì)比不同通風(fēng)路徑下的室內(nèi)風(fēng)環(huán)境和熱舒適度.探討哪種通風(fēng)路徑在有效的置換空氣的同時(shí)，能保證使用空間中人體的舒適性和身體機(jī)能的穩(wěn)定.切實(shí)以人為本，而不是單純以空間為研究對(duì)象，以創(chuàng)造健康、舒適的建筑空間，客觀應(yīng)對(duì)自然.

以人為本;自然通風(fēng)路徑;室內(nèi)風(fēng)環(huán)境;熱舒適;健康空間

1 概 述

“以人為本”是建筑設(shè)計(jì)的核心觀念，空間容納人及人類的活動(dòng)，滿足人的使用要求，建筑設(shè)計(jì)以人及活動(dòng)的功能需求、生理心理尺度、視覺(jué)美學(xué)、建造結(jié)構(gòu)、保溫采暖、通風(fēng)采光、水電配置、社會(huì)發(fā)展、經(jīng)濟(jì)供應(yīng)等諸多因素為設(shè)計(jì)依據(jù).但在設(shè)計(jì)中，以人為本更多的定義在具體的實(shí)際物體和功能空間范疇，而忽略了大部分的空間填充是“空氣”，充滿空間中未被占用的任何部分，空氣構(gòu)成了人們生存生產(chǎn)的物理環(huán)境，人坐、臥、行等所有的活動(dòng)都被氣流包圍，與之相互作用，室內(nèi)氣流所構(gòu)成的風(fēng)環(huán)境直接影響滲透著人們的身體健康.

通過(guò)對(duì)住宅空間的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，大部分設(shè)計(jì)者與業(yè)主都認(rèn)為對(duì)流通風(fēng)空間的通風(fēng)質(zhì)量良好而更受歡迎，戶型空間多設(shè)定為對(duì)角對(duì)流，以滿足通風(fēng)的需求.本文從簡(jiǎn)單獨(dú)立空間入手，對(duì)比對(duì)流通風(fēng)、單側(cè)區(qū)域通風(fēng)和單面通風(fēng)條件下的室內(nèi)風(fēng)環(huán)境和熱舒適性，討論何種自然通風(fēng)路徑下室內(nèi)空間物理環(huán)境，對(duì)人生存更為健康適宜，在通風(fēng)的同時(shí)，保證室內(nèi)大比例完整有效的空間具有穩(wěn)定良好的風(fēng)環(huán)境和熱舒適性.

2 獨(dú)立空間通風(fēng)路徑模擬分析

2.1 模型設(shè)定

根據(jù)自然通風(fēng)原理：依靠室外風(fēng)力造成的風(fēng)壓和室內(nèi)外空氣溫度差造成的熱壓，促使空氣流動(dòng)，使得建筑室內(nèi)外空氣交換.通過(guò)Airpak軟件建立模型,進(jìn)行模擬分析.

(1)空間類型及家居布置.

模型空間設(shè)定為住宅坐居空間，以窗所在墻體為外墻，其余為內(nèi)墻，門為戶型內(nèi)部居室門，房間以門窗完成通風(fēng)；室內(nèi)以3個(gè)沙發(fā)形成主要坐居空間并配置人員3位.

人在空間中有領(lǐng)域感和安全感要求，在坐居空間中的日常體現(xiàn)是：人愿意坐居位置身側(cè)與背后有所依托，使自身能掌握空間，少受侵?jǐn)_；不愿意后背、體側(cè)對(duì)門或交通流動(dòng)空間，以保持個(gè)人私密和心理安全，保持精神集中，不受動(dòng)態(tài)因素影響.所以在本次模型中，坐居家具及人都避開門洞交通進(jìn)行設(shè)置.

(2)空間尺寸及物理?xiàng)l件.

房間尺寸、門窗洞口尺寸均為標(biāo)準(zhǔn)日常使用尺寸，且滿足基本通風(fēng)面積要求.

房間尺寸參數(shù)為：開間4.2 m，進(jìn)深4 m，建筑層高為3 m；開窗面積尺寸(寬*高)為：0.6 m*1.5 m，窗臺(tái)高度為0.9 m；門洞口尺寸(寬*高)為：1 m*2 m；室內(nèi)溫度參數(shù)為20 ℃，相對(duì)濕度為30%，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)和空氣密度；湍流模型為零方程模型.

風(fēng)向設(shè)定為垂直窗洞正向南風(fēng)，通過(guò)門窗形成空氣置換，平均風(fēng)速為2 m/s.

(3)各通風(fēng)路徑模型.

在研究中，我們借助CFD軟件對(duì)住宅自然通風(fēng)情況進(jìn)行模擬，各路徑模型如下：

A、全對(duì)流路徑

B、單側(cè)區(qū)域通風(fēng)路徑

C、單面墻體通風(fēng)路徑

2.2 各路徑條件下室內(nèi)空氣新鮮度對(duì)比

對(duì)比指標(biāo)：空氣齡

空氣齡為房間內(nèi)某點(diǎn)處空氣在房間內(nèi)已經(jīng)滯留的時(shí)間，反映了室內(nèi)空氣的新鮮程度，它可以綜合衡量房間的空氣置換效果，是評(píng)價(jià)室內(nèi)空氣品質(zhì)的重要指標(biāo).

根據(jù)軟件分析，對(duì)應(yīng)坐居空間條件下，人體腿部、腰部、肩部、頭部口鼻位置、及至頭部上方30 cm處等各部位(對(duì)應(yīng)高度分別?。?.3 m、0.6 m、0.9 m、1.2 m、1.5 m)空氣齡指標(biāo)進(jìn)行比較，分析各部分空氣新鮮程度.各模型指標(biāo)圖表如下：

圖1 全對(duì)流對(duì)角 通風(fēng)路徑 各水平高度 室內(nèi)空氣齡(30～60 s)圖形

圖2 全對(duì)流同側(cè) 通風(fēng)路徑 各水平高度 室內(nèi)空氣齡(30～60 s)圖形

圖3 單側(cè)區(qū)域?qū)?通風(fēng)路徑 各水平高度 室內(nèi)空氣齡(30～60 s)圖形

圖4 單側(cè)區(qū)域同側(cè) 通風(fēng)路徑 各水平高度 室內(nèi)空氣齡(30～60 s)圖形

圖5 單面單扇 朝向坐居 通風(fēng)路徑 各水平高度 室內(nèi)空氣齡(30～60 s)圖形

圖6 單面單扇 遠(yuǎn)離坐居 通風(fēng)路徑 各水平高度 室內(nèi)空氣齡(30～60 s)圖形

各路徑室內(nèi)空氣齡圖形對(duì)比分析：

A、空間中直接通風(fēng)路徑處空氣齡值最低.

B、三種大分類比較：

ⅰ 單側(cè)區(qū)域兩種通風(fēng)路徑障礙物最少，整體空氣齡指標(biāo)最低(單側(cè)區(qū)域同側(cè)通風(fēng)路徑下，空氣齡高值范圍極小，可忽略不計(jì))，空氣置換速度最快，時(shí)間縮短約20 s左右.

ⅱ 對(duì)流通風(fēng)和單扇窗洞組織通風(fēng)相比，空氣齡總體指標(biāo)一致(0～70 s)，除對(duì)流對(duì)角通風(fēng)相對(duì)較快外，其余相差不大.

C、大分類下比較：

ⅰ 對(duì)流與單側(cè)區(qū)域通風(fēng)條件下，對(duì)角路徑和同側(cè)路徑相比，對(duì)角路徑空氣置換相對(duì)較快，低空氣齡區(qū)域較大；

ⅱ 單面單扇通風(fēng)條件下，朝向坐居與遠(yuǎn)離坐居通風(fēng)路徑下空氣齡值基本一致.

D、各通風(fēng)路徑下，總體空氣齡指標(biāo)一致，無(wú)明顯差別，可見在風(fēng)速相同的前提下，不同通風(fēng)路徑下室內(nèi)空氣置換的速度基本一致，人呼吸感知基本無(wú)差異.

對(duì)比結(jié)論：

總體來(lái)看，各種通風(fēng)路徑下的室內(nèi)空氣新鮮度從室內(nèi)空氣齡指標(biāo)來(lái)看，差別程度不大，可見不同通風(fēng)路徑對(duì)室內(nèi)整體空氣的新鮮度并未造成明顯影響.

2.3 各路徑條件下室內(nèi)空氣流速度矢量對(duì)比

根據(jù)軟件分析，對(duì)應(yīng)坐居空間條件下，人體小腿、腰部、肩部、頭部等各部位(對(duì)應(yīng)高度分別取：0.3 m、0.6 m、0.9 m、1.2 m)進(jìn)行比較，分析各部分室內(nèi)氣流速度矢量.為方便對(duì)比，截取范圍為0～0.5 m/s.各模型指標(biāo)圖表如下：

圖7 全對(duì)流對(duì)角 通風(fēng)路徑 各水平位置 室內(nèi)氣流速度(0～0.5 m/s)矢量圖形

圖8 全對(duì)流同側(cè) 通風(fēng)路徑 各水平位置 室內(nèi)氣流速度(0～0.5 m/s)矢量圖形

圖9 單側(cè)區(qū)域?qū)?通風(fēng)路徑 各水平位置 室內(nèi)氣流速度(0～0.5 m/s)矢量圖形

圖10 單側(cè)區(qū)域同側(cè) 通風(fēng)路徑 各水平位置 室內(nèi)氣流速度(0～0.5 m/s)矢量圖形

圖11 單面單扇 朝向坐居 通風(fēng)路徑 各水平位置 室內(nèi)氣流速度(0～0.5 m/s)矢量圖形

圖12 單面單扇 遠(yuǎn)離坐居 通風(fēng)路徑 各水平位置 室內(nèi)氣流速度(0～0.5 m/s)矢量圖形

室內(nèi)氣流速度矢量圖形對(duì)比分析：

A、六種通風(fēng)路徑下的室內(nèi)氣流速度在全屋范圍基本一致；空間中直接通風(fēng)路徑處速度最大；坐居空間處的氣流速度由于路徑位置的區(qū)別而差異明顯.

B、各通風(fēng)路徑下，氣流速度矢量圖形與空氣齡圖形吻合，速度越大處，空氣齡值越低；其中，單側(cè)區(qū)域兩種通風(fēng)路徑最為順暢，氣流二次回轉(zhuǎn)少，室內(nèi)氣流置換最快，氣流速度相對(duì)最大.

C、三種分類下，對(duì)流通風(fēng)和單扇窗洞組織通風(fēng)相比：

ⅰ 對(duì)角位置(或朝向坐居空間)通風(fēng)路徑下，坐居空間基本處于直接通風(fēng)路徑當(dāng)中，人體成為氣流的障礙，直接受風(fēng)，身體周邊氣流走向較多，整體風(fēng)環(huán)境不穩(wěn)定，氣流體感強(qiáng).

ⅱ 同側(cè)位置(或遠(yuǎn)離坐居空間)通風(fēng)路徑下，坐居空間處，氣流速度明顯小且穩(wěn)定，人處在一個(gè)緩和、相對(duì)低速環(huán)繞的風(fēng)環(huán)境中，與氣流更為融合、協(xié)調(diào)；空間氣流場(chǎng)穩(wěn)定范圍大且完整，可提高空間實(shí)際利用率.

D、六種通風(fēng)路徑下坐居空間氣流場(chǎng)穩(wěn)定范圍順序?yàn)?由大至小排序)：

ⅰ 單面單扇遠(yuǎn)離坐居通風(fēng)路徑

ⅱ 全對(duì)流同側(cè)通風(fēng)路徑

ⅲ 單側(cè)區(qū)域同側(cè)通風(fēng)路徑

ⅳ 單面單扇朝向坐居通風(fēng)路徑

ⅴ 全對(duì)流對(duì)角通風(fēng)路徑

ⅵ 單側(cè)區(qū)域?qū)峭L(fēng)路徑

對(duì)比結(jié)論：

總體來(lái)看，氣流路徑?jīng)Q定了室內(nèi)空間的氣流場(chǎng)的完整和穩(wěn)定.

通過(guò)調(diào)研收集，人在正常狀態(tài)下，室內(nèi)風(fēng)速≤0.1 m/s時(shí)基本無(wú)體感，接近0.2 m/s界值時(shí)受風(fēng)體感逐漸明顯，漸感覺(jué)不適；正面受風(fēng)更容易適應(yīng)，體側(cè)、背后、肩頸、腳踝部位均較為敏感.若人直接處于通風(fēng)路徑中，風(fēng)吹體感明顯，則無(wú)法在開窗通風(fēng)的同時(shí)有舒適體感.

結(jié)合空氣齡對(duì)比結(jié)論，由于各路徑下的室內(nèi)空氣新鮮度并無(wú)明顯差別，所以直接通風(fēng)路徑不貫穿人主要使用空間，則人居部位氣流場(chǎng)更加緩和協(xié)調(diào)，身體周邊氣流速度越小；越可以在人在的同時(shí)，保持更長(zhǎng)時(shí)間通風(fēng)，使室內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間保持接近自然新鮮的空氣，而不是窗開人離.

2.4 房間各水平高度PPD不滿意百分?jǐn)?shù)圖形對(duì)比

PPD參數(shù)為預(yù)測(cè)室內(nèi)熱感覺(jué)不滿意百分?jǐn)?shù)，根據(jù)我國(guó)現(xiàn)有《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱“規(guī)范”)規(guī)定：采暖與空氣調(diào)節(jié)室內(nèi)的熱舒適性應(yīng)按照《中等熱環(huán)境PMV和PPD指數(shù)的測(cè)定及熱舒適條件的規(guī)定》(GB/T 18049-2000)，采用預(yù)計(jì)的平均熱感覺(jué)指數(shù)(PMV)和預(yù)計(jì)不滿意者的百分率(PPD)評(píng)價(jià)，其值宜為：PPD≤27%.

根據(jù)軟件分析，對(duì)應(yīng)坐居空間條件下，人體小腿、腰部、肩部、頭部及站姿頭部及以上等各部位(對(duì)應(yīng)高度分別?。?.3 m、0.6 m、0.9 m、1.2 m、1.8 m)進(jìn)行比較，分析各部位室內(nèi)PPD指標(biāo).為對(duì)比明顯，我們截取不滿意度30%～99%區(qū)間進(jìn)行比較.各模型指標(biāo)圖表如下：

圖13 全對(duì)流對(duì)角 通風(fēng)路徑 各水平位置 PPD(30%～99%)圖形

圖14 全對(duì)流同側(cè) 通風(fēng)路徑 各水平位置 PPD(30%～99%)圖形

圖15 單側(cè)區(qū)域?qū)?通風(fēng)路徑 各水平位置 PPD(30%～99%)圖形

圖16 單側(cè)區(qū)域同側(cè) 通風(fēng)路徑 各水平位置 PPD(30%～99%)圖形

圖17 單面單扇 朝向坐居 通風(fēng)路徑 各水平位置 PPD(30%～99%)圖形

圖18 單面單扇 遠(yuǎn)離坐居 通風(fēng)路徑 各水平位置 PPD(30%～99%)圖形

室內(nèi)PPD熱感覺(jué)不滿意百分?jǐn)?shù)圖形對(duì)比分析：

A、六種通風(fēng)路徑下坐居空間處的室內(nèi)PPD不滿意度范圍差別明顯；

B、三種分類下，同側(cè)位置(或遠(yuǎn)離坐居空間)與對(duì)角位置(或朝向坐居空間)相比，熱舒適度均較好，熱穩(wěn)定范圍大，不滿意值基本處于30%以下；

C、六種通風(fēng)路徑下坐居空間PPD不滿意度范圍順序?yàn)?由小至大排序)：

ⅰ 單面單扇遠(yuǎn)離坐居通風(fēng)路徑

ⅱ 全對(duì)流同側(cè)通風(fēng)路徑

ⅲ 單側(cè)區(qū)域同側(cè)通風(fēng)路徑

ⅳ 單面單扇朝向坐居通風(fēng)路徑

ⅴ 全對(duì)流對(duì)角通風(fēng)路徑

ⅵ 單側(cè)區(qū)域?qū)峭L(fēng)路徑

對(duì)比結(jié)論：

通過(guò)對(duì)比看出，室內(nèi)環(huán)境在通風(fēng)條件下，當(dāng)門窗通風(fēng)路徑偏于空間一側(cè)(不貫穿主要功能空間)，空間熱舒適范圍完整穩(wěn)定、占空間比例大，空間實(shí)際可利用率高.所以在滿足通風(fēng)的前提下，直接通風(fēng)路徑越遠(yuǎn)離主要功能空間，該空間處環(huán)境熱舒適滿意區(qū)域越大，人身體健康指數(shù)越佳.

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)4.2 m×4 m×3 m空間的通風(fēng)模擬，對(duì)比各項(xiàng)參數(shù)初步得出以下結(jié)論：

(1)通風(fēng)路徑對(duì)室內(nèi)空氣新鮮度無(wú)明顯影響，各通風(fēng)路徑都能在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到相同空氣置換要求.通風(fēng)路徑順暢，二次回轉(zhuǎn)少，覆蓋空間范圍越多，室內(nèi)空氣置換越快，通風(fēng)效果越明顯.

(2)通風(fēng)路徑位置直接影響了室內(nèi)風(fēng)環(huán)境及空間的舒適性：

1)直接通風(fēng)路徑貫穿空間主要功能部分，該空間處人體成為氣流阻礙，人體周邊氣流速度大、直接，熱舒適穩(wěn)定范圍小，熱感覺(jué)滿意度低，熱舒適性差；

2)直接通風(fēng)路徑遠(yuǎn)離空間主要功能部分，人體處于直接通風(fēng)路徑一側(cè)或被直接通風(fēng)路徑環(huán)繞，氣流運(yùn)行至該空間處速度、風(fēng)力逐漸消減，人體被氣流緩慢環(huán)繞，與氣流相融合協(xié)調(diào)，身體周邊氣流速度小，熱舒適穩(wěn)定范圍大，熱感覺(jué)滿意度高，熱舒適性好；

3)綜合各項(xiàng)指標(biāo)，六種通風(fēng)路徑相比，同側(cè)通風(fēng)路徑的室內(nèi)環(huán)境均比對(duì)角通風(fēng)穩(wěn)定；其中，對(duì)流同側(cè)通風(fēng)、單面單扇遠(yuǎn)離坐居通風(fēng)條件下，室內(nèi)熱舒適度最佳；單側(cè)區(qū)域同側(cè)通風(fēng)熱舒適度較佳.

(3)單元式住宅空間廳室結(jié)合，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)流同側(cè)通風(fēng)、單面區(qū)域同側(cè)通風(fēng)路徑均較好實(shí)現(xiàn)，門關(guān)閉則可形成單面單扇的通風(fēng)，但是在實(shí)際中，除起居空間開窗數(shù)較多外，臥室、書房等空間大多數(shù)只有一扇窗洞可開，且多為對(duì)流對(duì)角設(shè)置，使人無(wú)法根據(jù)實(shí)際條件及個(gè)人身體情況進(jìn)行選擇窗扇開啟位置，窗開人離，空間無(wú)法在置換新鮮空氣的同時(shí)有舒適的體感.

(4)通風(fēng)時(shí)間的長(zhǎng)短(以室外空氣優(yōu)良為前提)是影響室內(nèi)空氣質(zhì)量的主要因素，新鮮的自然通風(fēng)、采光能不僅能滿足人通風(fēng)換氣的要求，同時(shí)能改善人的其他生理機(jī)能，并滿足人渴求自然的心理需求.選擇適宜的通風(fēng)路徑，在通風(fēng)的同時(shí)，能保證更好的空間熱環(huán)境和風(fēng)環(huán)境，使得通風(fēng)時(shí)間延長(zhǎng)而不影響人體的健康.

(5)通風(fēng)路徑位置直接影響室內(nèi)空間有效利用.直接通風(fēng)路徑將空間內(nèi)區(qū)域進(jìn)行分割，影響了熱舒適性范圍的分布和位置，影響了高環(huán)境質(zhì)量空間的范圍大小；合理設(shè)置通風(fēng)路徑，可以保證更大區(qū)域空間的環(huán)境質(zhì)量，有利于節(jié)能減排，創(chuàng)造更大的優(yōu)勢(shì).

(6)使用者為空間中根本，應(yīng)真正以人為本考量空間質(zhì)量，僅以空間為對(duì)象的設(shè)計(jì)及研究數(shù)據(jù)缺少真正的客觀性、唯物性.人本是自然的產(chǎn)物，人與室內(nèi)外環(huán)境相互融合協(xié)調(diào)才能保證身體機(jī)能的健康.健康是提高人民生活質(zhì)量至關(guān)重要的一環(huán)，是社會(huì)全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)的發(fā)展的有效保障.作為建筑設(shè)計(jì)者我們應(yīng)追尋空間的本質(zhì)，創(chuàng)造健康、舒適的建筑空間，以人為本，客觀應(yīng)對(duì)自然.

[1]黃琳瑜,廖航進(jìn),趙彬,卓啟明.開窗位置對(duì)室內(nèi)風(fēng)環(huán)境的影響.山西建筑，2014，5

[2]譚青.夏季教室通風(fēng)速率對(duì)人體熱舒適影響的研究.重慶大學(xué).2011(學(xué)位年度)

[3]閆鳳英,王新華,吳有聰.基于CFD的室內(nèi)自然通風(fēng)及熱舒適性的模擬.天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，5

[4]王旭,孫炳楠,陳勇.建筑物開孔對(duì)室內(nèi)通風(fēng)的影響.第八屆全國(guó)土木工程研究生學(xué)術(shù)論壇，2010

[5]張惠敏.脈動(dòng)風(fēng)單側(cè)自然通風(fēng)中湍流特征的影響.浙江大學(xué)，2013(學(xué)位年度)

[6]王健,汪小旵,丁為民.風(fēng)壓通風(fēng)的單棟溫室內(nèi)部流場(chǎng)的ANSYS+CFD模擬,農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2007，3

On the Indoor Thermal Comfort of Living Space under Natural
Ventilation Layout with People-oriented Principle

ZHANGXiao-yun,LUJun,WANGBing-bing

(College of Architecture and Art,Hebei Institute of Architecture and Civil Engineering)

Through Airpak software,monomer space is simulated,and the indoor air environment and thermal comfort is compared under different natural ventilation layout,to explore what kind of ventilation path can ensure the human body comfort and the stability of human body function while exchanging the air effectively.The people-oriented principle is really followed rather than simply taking space as the study object,so as to create a healthy and comfortable space,and respond to nature objectively.

People-oriented;natural ventilation path;indoor air environment;thermal comfort;healthy space

2014-12-06

河北省建設(shè)科技研究指導(dǎo)性計(jì)劃項(xiàng)目(2013-219);河北省建設(shè)科技研究指導(dǎo)性計(jì)劃項(xiàng)目(2013-221)

張曉云(1982-)，女,講師,從事建筑設(shè)計(jì)及理論研究 .

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