段忠誠(chéng) 劉正偉 蔡蕾蕾 朱冬冬

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的推進(jìn)，高層住宅建設(shè)逐年增多，其中一梯四戶的戶型占比較高。受交通空間阻隔，“穿堂風(fēng)”無(wú)法在此類住宅中有效形成。自然通風(fēng)是保持室內(nèi)空氣質(zhì)量最綠色、有效的方式，因此研究中間戶型自然通風(fēng)對(duì)提升室內(nèi)風(fēng)環(huán)境、降低能耗具有一定現(xiàn)實(shí)意義。

在建筑自然通風(fēng)方面，2016年Ardalan Aflaki指出通風(fēng)效果、空氣溫度和相對(duì)濕度的影響因素[1]；2018年莊濤指出住宅室內(nèi)風(fēng)環(huán)境的內(nèi)部外部影響因素[2]；2019年徐子健研究出設(shè)立中庭構(gòu)造能更好地組織內(nèi)部自然通風(fēng)[3]；2021年尹東衡指出高層住宅室內(nèi)平均風(fēng)速差異的主導(dǎo)影響因子[4]；2021年韓志旭指出一定范圍內(nèi)“井廊空間”長(zhǎng)寬比值與中間戶型通風(fēng)效果呈正相關(guān)[5]。在細(xì)部構(gòu)造方面，2008年Tine S.Larsen指出通過(guò)窗戶開(kāi)口的空氣量的影響因素[6]；2014年黃琳瑜指出通風(fēng)效率在風(fēng)進(jìn)出口與門的位置同一側(cè)時(shí)最高[7]；2017年Ghada Elshafei指出調(diào)整窗戶參數(shù)（窗戶位置和尺寸）能夠提高室內(nèi)熱舒適性[8]；2019年Katarina Kosutova指出風(fēng)速最大的立面開(kāi)口位置為上部且立面中心有百葉窗開(kāi)口的空間空氣交換率較高[9]。在研究方法方面，2015年Chia Ren Chu等人采用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)[10]；2015年Weihong Guo和Xiao Liu等人運(yùn)用CFD模擬技術(shù)[11]；2017年Zhangping Lei運(yùn)用問(wèn)卷調(diào)研和實(shí)測(cè)模擬的方式進(jìn)行了通風(fēng)性能的模擬分析[12]；2018年Ebrahim Solgi等人采用文獻(xiàn)調(diào)查的方式總結(jié)出氣候、建筑和技術(shù)參數(shù)三個(gè)因素對(duì)通風(fēng)性能的影響[13]。

以上研究多針對(duì)基礎(chǔ)戶型，缺乏對(duì)高層住宅中間戶型室內(nèi)風(fēng)環(huán)境的系統(tǒng)分析。本研究針對(duì)宿遷市的風(fēng)環(huán)境特征和氣候條件分析高層住宅中間戶型風(fēng)環(huán)境優(yōu)劣形式，對(duì)其自然通風(fēng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 研究方法

1.1 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

本文主要采用實(shí)地調(diào)研和數(shù)值模擬軟件Airpak進(jìn)行模擬分析。采用量化指標(biāo)對(duì)不同設(shè)計(jì)方案比選。1）風(fēng)速：最大風(fēng)速應(yīng)低于1.5m/s，平均風(fēng)速用以比較不同設(shè)計(jì)方案；2）空氣齡：空氣齡是評(píng)價(jià)室內(nèi)空氣質(zhì)量的重要因子，平均空氣齡用以評(píng)價(jià)不同戶型設(shè)計(jì)方案；3）室內(nèi)舒適風(fēng)速區(qū)比率：舒適風(fēng)速區(qū)間0.25～1m/s的面積比率。

1.2 研究模型的設(shè)定

根據(jù)調(diào)研現(xiàn)狀（圖1,2），模型標(biāo)準(zhǔn)層設(shè)置為四戶型，18層高且正南布置。兩邊戶型和公共交通空間簡(jiǎn)化成不通風(fēng)的實(shí)體，中間戶忽略內(nèi)部隔墻和其他結(jié)構(gòu)。開(kāi)窗面積設(shè)定為正常情況下的一半，只有入戶門為關(guān)閉狀態(tài)，除客廳門為推拉門外其余為平開(kāi)門，陽(yáng)臺(tái)均在客廳南側(cè)布置。

1.3 參數(shù)設(shè)置

（1）模擬工況

本模擬工況采用2009—2019年宿遷地區(qū)典型氣象年數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表（表1）。宿遷地區(qū)夏季高溫多雨，室內(nèi)需要加強(qiáng)通風(fēng)，春秋過(guò)渡季需適量通風(fēng)保持室內(nèi)舒適度，冬季寒冷干燥窗戶一般處于關(guān)閉狀態(tài)。因此模擬選取夏季的風(fēng)向和風(fēng)速值。

表1 宿遷地區(qū)室外風(fēng)環(huán)境模擬工況

（2）計(jì)算區(qū)域

模擬區(qū)域大小設(shè)定參考《綠色建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》。對(duì)于樓層平面形式（內(nèi)天井、前凹口）的模擬，入口、出口和側(cè)向邊界到中心建筑最近表面的距離分別為3H、3～6H和6H，高度為3H。對(duì)于戶型設(shè)計(jì)（開(kāi)窗）的模擬，模擬區(qū)域設(shè)置為長(zhǎng)方形區(qū)域，包含了中間戶型的整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層。

（3）數(shù)值設(shè)定

采用k—ε湍流方程進(jìn)行風(fēng)環(huán)境模擬。研究對(duì)象為高層住宅，位于城市中心位置，粗糙指數(shù)設(shè)置為0.3，梯度風(fēng)按常規(guī)取值。

2 天井進(jìn)深對(duì)中間戶型風(fēng)環(huán)境的影響

內(nèi)天井能在很大程度上解決采光和通風(fēng)問(wèn)題，后凹口集中對(duì)位設(shè)計(jì)時(shí)通風(fēng)效率最佳，在此基礎(chǔ)上探究天井進(jìn)深對(duì)室內(nèi)風(fēng)環(huán)境的影響，簡(jiǎn)化后的物理模型如表2所示。天井的進(jìn)深設(shè)置為2.5～5m且間隔0.5m，6種工況的模擬結(jié)果如圖3和表3所示。

模擬結(jié)果表明，室內(nèi)風(fēng)速隨著天井進(jìn)深的增加呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，在進(jìn)深達(dá)到4m時(shí)呈現(xiàn)停滯狀態(tài)。這是因?yàn)樘炀舷仑炌饬鲿?huì)受到橫向與豎向兩個(gè)方向的影響，隨著天井進(jìn)深加大，貫通氣流的主導(dǎo)性由豎向轉(zhuǎn)為橫向，在相互作用下會(huì)達(dá)到一個(gè)平衡點(diǎn)。在平衡點(diǎn)出現(xiàn)之前室內(nèi)平均風(fēng)速隨著天井進(jìn)深的增加而增大，在平衡點(diǎn)之后天井進(jìn)深對(duì)室內(nèi)風(fēng)環(huán)境的影響減弱，室內(nèi)平均風(fēng)速無(wú)明顯變化。

綜合以上，在夏季主導(dǎo)風(fēng)情況下，天井與后凹口集中對(duì)位布置、內(nèi)天井進(jìn)深為4m時(shí)，室內(nèi)風(fēng)速與通風(fēng)效率最佳。

3 前凹口布置形式對(duì)中間戶型風(fēng)環(huán)境的影響

建筑平面的凹凸會(huì)產(chǎn)生風(fēng)壓差而影響室內(nèi)通風(fēng)效果，根據(jù)調(diào)研簡(jiǎn)化出建筑物理模型如表4所示，相關(guān)模擬參數(shù)條件與上文相同。

模擬結(jié)果如圖4和表5所示：前凹口增加了中間戶型與室外環(huán)境接觸的面積，但是會(huì)形成狹管效應(yīng)。廚房和衛(wèi)生間一般設(shè)置在凹口位置，但是其洞口風(fēng)壓較大容易造成嚴(yán)重的室內(nèi)倒灌風(fēng)，因此要選擇適宜的布置形式。

模擬結(jié)果表明，E、G戶型的室內(nèi)風(fēng)速相較于F戶型更穩(wěn)定，且兩者風(fēng)速相差不大，呈現(xiàn)逐步上升趨勢(shì)。F戶型左戶室內(nèi)風(fēng)速最小處發(fā)生了嚴(yán)重的倒灌風(fēng)，這是因?yàn)閺闹虚g凹口進(jìn)入左戶的風(fēng)與進(jìn)入右戶的風(fēng)疊加，風(fēng)速增大。E戶型的右戶風(fēng)速下降明顯，因?yàn)槠溆覒粲形鞅眱蓚?cè)墻體阻隔，凹口風(fēng)速增加引發(fā)倒灌風(fēng)。兩側(cè)凹口形式中底部樓層室內(nèi)風(fēng)速有下降趨勢(shì)，到達(dá)臨界點(diǎn)之后逐步上升且浮動(dòng)范圍大。因?yàn)椴糠至飨蛑虚g樓層的風(fēng)被墻體阻隔后上下流動(dòng)，向上流動(dòng)的氣流增加室內(nèi)風(fēng)速并從頂部排除，向下流動(dòng)的氣流到達(dá)底部后經(jīng)過(guò)窗戶倒灌進(jìn)入室內(nèi)，抵消了一部分風(fēng)速。綜合以上，在夏季主導(dǎo)風(fēng)情況下中間加兩側(cè)分開(kāi)凹口形式的室內(nèi)風(fēng)環(huán)境最優(yōu)。

4 開(kāi)窗對(duì)中間戶型風(fēng)環(huán)境的影響

根據(jù)前文調(diào)研的6種典型戶型簡(jiǎn)化后模型如圖5所示。

4.1 開(kāi)窗面積對(duì)中間戶型風(fēng)環(huán)境的影響

窗戶的開(kāi)啟面積可以根據(jù)室內(nèi)需求進(jìn)行尺寸與角度的調(diào)節(jié)，一般用窗墻比來(lái)進(jìn)行合理的尺寸界定。因?yàn)镃戶型開(kāi)間尺寸全面更具代表性，模擬其在窗墻比0.20、0.25、0.30、0.35、0.40幾種工況下的室內(nèi)風(fēng)環(huán)境。

模擬結(jié)果表明（表6），所有工況下室內(nèi)平均風(fēng)速隨著窗墻比的增大而增大，由于南向入口面積遠(yuǎn)大于北向出口，室內(nèi)最大氣流出現(xiàn)在客廳推拉門附近。窗墻比為0.20時(shí)室內(nèi)靜風(fēng)區(qū)面積較大，少部分區(qū)域處于舒適區(qū)間，室內(nèi)風(fēng)速較小。窗墻比為0.35時(shí)，63%的區(qū)域風(fēng)速0.25～1m/s，室內(nèi)舒適度較好，風(fēng)速平均為0.42m/s，分布較為均勻。當(dāng)窗墻比增加到0.40時(shí)室內(nèi)空氣流動(dòng)較快，平均風(fēng)速最大達(dá)到0.65m/s，人體吹風(fēng)感明顯。北側(cè)空間如廚房、衛(wèi)生間的空氣齡比南側(cè)空間的客廳和主臥室大很多，所以南向空間空氣質(zhì)量更好。窗墻比為0.20時(shí)北向空間臥室空氣齡在300s左右，大于其他模擬工況，靜風(fēng)區(qū)處于部分房間墻角和儲(chǔ)藏室位置，局部區(qū)域空氣質(zhì)量較差。當(dāng)窗墻比為0.40時(shí)大部分區(qū)域室內(nèi)空氣齡在100s以內(nèi)，空氣質(zhì)量最好。

綜合以上，室內(nèi)風(fēng)速與窗墻比呈正相關(guān)，空氣齡與窗墻比呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，隨著開(kāi)窗面積的增大其建筑能耗也隨之增加，所以窗墻比為0.35時(shí)為最優(yōu)形式。

1 各區(qū)域高層住宅樓盤(pán)比例

2 每層住戶比重圖

4 左側(cè)、右側(cè)住戶室內(nèi)風(fēng)速

5 典型戶型簡(jiǎn)化模型

表2 模擬戶型

表3 不同天井進(jìn)深風(fēng)速云圖

表4 凹口簡(jiǎn)化模型匯總表

表5 不同凹口形式風(fēng)速云圖

表6 不同開(kāi)窗面積室內(nèi)風(fēng)速分布情況

4.2 開(kāi)窗位置對(duì)中間戶型風(fēng)環(huán)境的影響

影響建筑內(nèi)部風(fēng)環(huán)境的重要因素之一是門窗洞口的相對(duì)位置。本次模擬在保證采光面積的情況下，研究C戶型南向墻體上開(kāi)窗位置（墻體西側(cè)、東側(cè)、中間和分開(kāi)兩側(cè)）對(duì)于室內(nèi)通風(fēng)的影響。

模擬結(jié)果表明（表7），各種工況下室內(nèi)風(fēng)速分布情況類似，但實(shí)際通風(fēng)效果不一樣。窗戶集中在西側(cè)時(shí)，室內(nèi)風(fēng)速分布較不均勻，南向房間靜風(fēng)區(qū)范圍較廣，墻角處風(fēng)速較大。由于進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口正對(duì)，主臥和次臥有近58%的區(qū)域風(fēng)速小于0.25m/s；通過(guò)比較開(kāi)窗居中集中布置與東側(cè)集中布置發(fā)現(xiàn)，東側(cè)集中布置時(shí)最大風(fēng)速可達(dá)0.95m/s，但是分布不均勻，多分布于靠近客廳的墻壁處，南向房間空氣齡均在100s以內(nèi)。開(kāi)窗居中集中布置時(shí)最大風(fēng)速略小于東側(cè)布置，但其氣流運(yùn)動(dòng)范圍更廣，分布更加均勻，對(duì)次臥室內(nèi)通風(fēng)更有利；開(kāi)窗兩側(cè)分開(kāi)布置時(shí)風(fēng)從兩邊引入室內(nèi)，且分布更加均勻，最大風(fēng)速達(dá)到0.82m/s，室內(nèi)整體舒適度較好，區(qū)域風(fēng)速在0.25～1m/s，空氣質(zhì)量更好。綜合以上，開(kāi)窗兩側(cè)分開(kāi)布置時(shí)，室內(nèi)風(fēng)環(huán)境更優(yōu)。

表7 不同開(kāi)窗位置室內(nèi)風(fēng)速分布情況

表8 樓層平面優(yōu)化前后風(fēng)速云圖

5 高層住宅中間戶型自然通風(fēng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

5.1 建筑平面布局優(yōu)化設(shè)計(jì)

平面形式中無(wú)天井和兩側(cè)凹口的戶型，僅靠南向窗口進(jìn)行單側(cè)通風(fēng)，室內(nèi)通風(fēng)效果較差。增加進(jìn)深4m天井設(shè)計(jì)，在建筑平面面寬方向布置中間加兩側(cè)前凹口。樓層平面形式改進(jìn)設(shè)計(jì)如圖6所示。

模擬結(jié)果表明（圖7,表8），優(yōu)化前整棟住宅幾乎處于無(wú)風(fēng)狀態(tài)，平均風(fēng)速均在0.1m/s以內(nèi)，風(fēng)環(huán)境較差。優(yōu)化后，底層左右兩戶室內(nèi)平均風(fēng)速?gòu)?.01m/s分別增加至0.27m/s和0.26m/s，頂層左右戶型平均風(fēng)速分別增加至0.58m/s和0.41m/s。室內(nèi)風(fēng)速舒適區(qū)間的面積隨樓層高度增加而增加，頂層左右戶室內(nèi)風(fēng)速低于0.25m/s的面積比分別為9%和13%。針對(duì)樓層平面形式的室內(nèi)風(fēng)環(huán)境優(yōu)化策略可行。

5.2 典型戶型優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)三類典型戶型，窗墻比均設(shè)置為0.35，南向開(kāi)窗均兩側(cè)分開(kāi)布置。

（1）A類戶型

A戶型為單朝向戶型，無(wú)北側(cè)通風(fēng)口，不能形成比較流暢的通風(fēng)路徑，室內(nèi)靜風(fēng)區(qū)較多。在已有策略的基礎(chǔ)上，增加北向出口調(diào)整通風(fēng)路徑

模擬結(jié)果表明（表9），優(yōu)化后室內(nèi)通風(fēng)路徑比優(yōu)化前更連貫，室內(nèi)風(fēng)速分布更加均勻，靜風(fēng)區(qū)面積減少，室內(nèi)最大風(fēng)速達(dá)到1.2m/s。客廳、主臥等空間空氣得到繞流，室內(nèi)60%以上區(qū)域處于舒適區(qū)間，室內(nèi)整體空氣齡下降，主要使用空間均在100s以內(nèi)。針對(duì)A類戶型的優(yōu)化策略可行。

（2）B類戶型

B戶型為典型兩室戶型，南北通透，室內(nèi)風(fēng)環(huán)境較為舒適。但是部分使用房間僅有一個(gè)進(jìn)風(fēng)口，換氣效率不高。為了延長(zhǎng)B戶型通風(fēng)路徑且減少靜風(fēng)區(qū)面積，在主臥增加一個(gè)窗口且在外墻對(duì)稱布置。

6 住宅樓層平面改進(jìn)設(shè)計(jì)圖

7 左側(cè)、右側(cè)住戶室內(nèi)風(fēng)速

表9 A 類戶型優(yōu)化前后室內(nèi)風(fēng)速分布

表10 B 類戶型優(yōu)化前后室內(nèi)風(fēng)速分布

表11 C 類戶型優(yōu)化前后室內(nèi)風(fēng)速分布

模擬結(jié)果表明（表10），優(yōu)化后室內(nèi)最大風(fēng)速?gòu)?.93m/s增加至1.25m/s，室內(nèi)有65%的區(qū)域?qū)儆谑孢m區(qū)間。客廳、餐廳部分風(fēng)速增加、靜風(fēng)區(qū)面積減少。主臥增加窗口與出口錯(cuò)位布置，整體空氣齡下降50s左右。針對(duì)B戶型的優(yōu)化策略可行。

（3）C類戶型

C類戶型將住宅建筑內(nèi)部的北側(cè)連廊設(shè)計(jì)成開(kāi)敞式以滿足南側(cè)戶型通風(fēng)的需求，但是其進(jìn)深較大導(dǎo)致室內(nèi)通風(fēng)效率較低，需要對(duì)通風(fēng)路徑進(jìn)行改善。

模擬結(jié)果表明（表11），優(yōu)化后臥室與書(shū)房靜風(fēng)區(qū)面積減小，最大風(fēng)速?gòu)?.84m/s增至1.24m/s。陽(yáng)臺(tái)與入戶門直接形成貫通路徑，餐廳部分風(fēng)速?gòu)?.05m/s提高至0.32m/s，客廳推拉門處出現(xiàn)最大風(fēng)速，室內(nèi)舒適風(fēng)速區(qū)間面積也相應(yīng)增加。空氣齡下降200s，房間換氣效率得到提高。針對(duì)C戶型的優(yōu)化策略可行。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)宿遷地區(qū)84棟高層住宅現(xiàn)狀調(diào)研與分析，占比最高的一梯四戶標(biāo)準(zhǔn)層多數(shù)南北通風(fēng)不暢且中間戶型風(fēng)環(huán)境普遍不佳。結(jié)合既有評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和宿遷氣候環(huán)境，本文以風(fēng)速、空氣齡、室內(nèi)舒適風(fēng)占比作為風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，采用控制變量方法，運(yùn)用Airpak模擬分析各種形式不同參數(shù)對(duì)室內(nèi)風(fēng)環(huán)境的影響，并且針對(duì)樓層平面形式和戶型設(shè)計(jì)總結(jié)了相應(yīng)的優(yōu)化策略。

針對(duì)宿遷地區(qū)新建住宅，樓層平面形式上可設(shè)置進(jìn)深4m的內(nèi)天井以促進(jìn)中間戶型空氣流通，優(yōu)先選擇中間加兩側(cè)分開(kāi)的前凹口形式，并且需要采用分戶墻，避免布置于前凹口位置的衛(wèi)生間和廚房等輔助空間發(fā)生倒灌風(fēng)的現(xiàn)象。戶型設(shè)計(jì)上，單側(cè)通風(fēng)戶型為獲得相對(duì)貫通的通風(fēng)路徑，宜將客廳布置在西北側(cè)與東南側(cè)，綜合考慮建筑能耗和通風(fēng)效率，窗墻比設(shè)置為0.35且窗戶分開(kāi)兩側(cè)布置時(shí)室內(nèi)風(fēng)環(huán)境最佳。

圖片來(lái)源

1-7作者自繪

表格來(lái)源

1-11作者自繪