外窗開啟方式對居住建筑自然通風(fēng)影響研究

楊少剛 楊芳乙 楊文杰 何開遠(yuǎn)

中機(jī)中聯(lián)工程有限公司

0 前言

隨著綠色建筑的大力推廣，對房間自然通風(fēng)的要求也在不斷提高。影響建筑自然通風(fēng)的因素較多，如建筑朝向、通風(fēng)開口的位置，通風(fēng)面積的大小等，其研究成果較多，如《城市居住區(qū)熱環(huán)境設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》JGJ 286-2013對居住區(qū)的夏季平均迎風(fēng)面積比作了要求[1]。浙江省地方標(biāo)準(zhǔn)《居住建筑風(fēng)環(huán)境和熱環(huán)境設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》DB33/1111-2015對建筑物朝向及平面布局設(shè)計(jì)、建筑物門窗設(shè)計(jì)作了相關(guān)規(guī)定[2]。在眾多影響室內(nèi)自然通風(fēng)的因素中，外窗的開啟方式則是一個(gè)較為容易被忽視的因素，國內(nèi)對其研究較少。文獻(xiàn)[3]研究了用不同外窗開啟方式的條件下，對居室內(nèi)部自然通風(fēng)的影響，但其只研究了單個(gè)房間和單個(gè)風(fēng)向[3]。

本文將對板式居住建筑典型樓層在不同風(fēng)向下和采用不同外窗開啟方式的自然通風(fēng)狀況進(jìn)行分析，為外窗開啟方式設(shè)計(jì)起到一定的指導(dǎo)意義。

1 項(xiàng)目概況

本文研究對象為某板式居住建筑，其建筑平面圖如圖1所示。項(xiàng)目地點(diǎn)為重慶市市區(qū)，樓層高度為3 m，一共7層，每層建筑面積為633 m2，研究的典型樓層為第五層。

圖1 建筑平面圖

由于重慶地區(qū)過渡季節(jié)室外風(fēng)頻在N～WN風(fēng)向范圍較高，故研究的室外風(fēng)向?yàn)镹、NNW、WN風(fēng)向，其中，上懸窗開啟角度為30°，平開窗開啟角度為60°。

根據(jù)《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》，重慶市市區(qū)在N、NNW、WN風(fēng)向下平均風(fēng)速具體如表1所示[4]。

表1 不同風(fēng)向下平均風(fēng)速

在不同高度上的室外風(fēng)速分布按下式計(jì)算[5]：

式中：vz為高度為z處的風(fēng)速，m/s；v10為離地10 m高處的風(fēng)速，m/s；α 為地面粗糙度指數(shù)，本文取0.22。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型簡化

由于衛(wèi)生間及樓梯間為非重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域，且衛(wèi)生間門、入戶門經(jīng)常處于關(guān)閉狀態(tài)，故對衛(wèi)生間及樓梯間進(jìn)行填充，減少網(wǎng)格數(shù)量，房間內(nèi)門均按照開啟建模。采用k-ε 兩方程模型對其進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬方式采用室內(nèi)外耦合模擬。

2.2 推拉窗數(shù)值模擬

當(dāng)外窗開啟方式采用推拉窗時(shí)，在N、NNW、WN風(fēng)向下，通過CFD數(shù)值模擬，室內(nèi)0.9 m空氣齡云圖如圖2所示。

圖2 采用推拉窗時(shí)，N、NNW、WN風(fēng)向下空氣齡云圖

2.3 上懸窗數(shù)值模擬

當(dāng)外窗開啟方式采用上懸窗且開啟角度為30°時(shí)，在N、NNW、WN風(fēng)向下，通過CFD數(shù)值模擬，室內(nèi)0.9 m空氣齡云圖如圖3所示。

圖3 采用上懸窗時(shí)，N、NNW、WN風(fēng)向下空氣齡云圖

2.4 平開窗數(shù)值模擬

當(dāng)外窗開啟方式采用平開窗且開啟角度為60°時(shí)，在N、NNW、WN風(fēng)向下，通過CFD數(shù)值模擬，室內(nèi)0.9 m空氣齡云圖如圖4所示。

圖4 采用平開窗時(shí)，N、NNW、WN風(fēng)向下空氣齡云圖

3 房間空氣齡統(tǒng)計(jì)分析

由于不同開窗方式對主要功能房間通風(fēng)換氣的影響較為顯著的為臥室，而對客廳通風(fēng)換氣的影響較小，故在分析平均空氣齡和自然通風(fēng)氣流組織的均勻性時(shí)，研究對象僅為臥室。

不同外窗開啟方式和不同風(fēng)向下，臥室平均空氣齡如表2所示。

表2 臥室平均空氣齡

由表2可知，在N風(fēng)向下，不同外窗開啟方式對應(yīng)的臥室平均空氣齡大小排序?yàn)椋浩介_窗＞上懸窗＞推拉窗。故在N風(fēng)向下，采用推拉窗，室內(nèi)通風(fēng)量最大，其次是上懸窗，最后是平開窗。在NNW風(fēng)向下，不同外窗開啟方式對應(yīng)的臥室平均空氣齡大小排序?yàn)椋荷蠎掖埃酒介_窗＞推拉窗。故在NNW風(fēng)向下，采用推拉窗，室內(nèi)通風(fēng)量最大，其次是平開窗，最后是上懸窗。在WN風(fēng)向下，不同外窗開啟方式對應(yīng)的臥室平均空氣齡大小排序?yàn)椋荷蠎掖埃就评埃酒介_窗。故在WN風(fēng)向下，采用平開窗，室內(nèi)通風(fēng)量最大，其次是推拉窗，最后是上懸窗。

從以上分析可以看出，當(dāng)建筑朝向與風(fēng)向的夾角越小且采用推拉窗時(shí)，房間自然通風(fēng)量較其他兩種外窗開啟方式大。當(dāng)建筑朝向與風(fēng)向的夾角逐漸增大，平開窗開啟方式對建筑自然通風(fēng)量的優(yōu)勢在逐漸凸顯，當(dāng)建筑朝向與風(fēng)向的夾角為45°時(shí)，采用平開窗對建筑的自然通風(fēng)量提高最大，這主要?dú)w因于平開窗的窗扇可以起到一定的導(dǎo)風(fēng)作用。

在整體評價(jià)居住建筑的自然通風(fēng)時(shí)，除房間平均空氣齡的大小外，還有一個(gè)指標(biāo)對建筑自然通風(fēng)也尤為重要，即房間的空氣齡標(biāo)準(zhǔn)差。當(dāng)空氣齡標(biāo)準(zhǔn)差越大，則說明自然通風(fēng)氣流組織越不均勻，有的房間能獲得較好的通風(fēng)，有的房間通風(fēng)量則過小。當(dāng)空氣齡標(biāo)準(zhǔn)差越小時(shí)，則說明自然通風(fēng)分配更加均勻，對房間的自然通風(fēng)更加有利。不同外窗開啟方式和不同風(fēng)向下，臥室空氣齡標(biāo)準(zhǔn)差如表3所示。

表3 臥室空氣齡標(biāo)準(zhǔn)差

由表3可知，在N風(fēng)向下，不同外窗開啟方式對應(yīng)的空氣齡標(biāo)準(zhǔn)差大小排序?yàn)椋荷蠎掖埃就评埃酒介_窗。故在N風(fēng)向下，采用平開窗時(shí)，建筑整體的自然通風(fēng)均勻性較優(yōu)，其次是推拉窗，最末是上懸窗。在NNW風(fēng)向下，不同外窗開啟方式對應(yīng)的空氣齡標(biāo)準(zhǔn)差大小排序?yàn)椋荷蠎掖埃就评埃酒介_窗。故在NNW風(fēng)向下，采用平開窗時(shí)，建筑整體的自然通風(fēng)均勻性較優(yōu)，其次是推拉窗，最末是上懸窗。在WN風(fēng)向下，不同外窗開啟方式對應(yīng)的空氣齡標(biāo)準(zhǔn)差大小排序同樣為：上懸窗＞推拉窗＞平開窗。故在N風(fēng)向下，同樣是采用平開窗時(shí)，建筑整體的自然通風(fēng)均勻性較優(yōu)，其次是推拉窗，最末是上懸窗。

從以上分析可以看出，在三種風(fēng)向下，對于建筑整體的自然通風(fēng)均勻性，均是平開窗較優(yōu)，其次是推拉窗，最末是上懸窗。同時(shí)還可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)風(fēng)向改變時(shí)，對采用平開窗的建筑整體的自然通風(fēng)的均勻性影響較小，其次是推拉窗，最后是上懸窗。在N風(fēng)向下，上懸窗的空氣齡標(biāo)準(zhǔn)差為39 s，當(dāng)風(fēng)向變?yōu)閃N向時(shí)，空氣齡標(biāo)準(zhǔn)差增大到102 s，可見對其影響之巨大。

若采用10次/h的通風(fēng)換氣次數(shù)作為分界時(shí)，不同外窗開啟方式和不同風(fēng)向下，不滿足10次/h的房間個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)如表4所示。

表4 自然通風(fēng)換氣次數(shù)不滿足10次/h的房間數(shù)量統(tǒng)計(jì)

通過表4可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用推拉窗時(shí)，在WN風(fēng)向下，有一個(gè)房間自然通風(fēng)換氣次數(shù)小于10次/h。當(dāng)采用上懸窗時(shí)，在NNW、WN風(fēng)向下，均有1個(gè)房間的自然通風(fēng)換氣次數(shù)小于10次/h。當(dāng)采用平開窗時(shí)，在3種風(fēng)向下，房間的自然通風(fēng)換氣次數(shù)均大于10次/h。由此可見，當(dāng)采用平開窗時(shí)，在3種風(fēng)向下，建筑即能獲得足夠的自然通風(fēng)量，同時(shí)也能或者較好的自然通風(fēng)均勻性，故平開窗開啟方式較有比較明顯優(yōu)勢。

通過觀察上文中空氣齡云圖，可以發(fā)現(xiàn)，在WN風(fēng)向下，當(dāng)采用推拉窗或上懸窗時(shí)，臥室16的自然通風(fēng)效果均不佳，而當(dāng)采用了平開窗時(shí)，則得到了很大改善。在WN風(fēng)向下，臥室16在三種外窗開啟方式下的風(fēng)速矢量圖如圖5所示（距樓板1.5 m）。

圖5 WN風(fēng)向下，自然通風(fēng)矢量圖對比

由圖5可知，當(dāng)采用平開窗時(shí)，由于窗扇對橫向風(fēng)的阻擋，使窗口形成負(fù)壓，此負(fù)壓將室內(nèi)空氣抽出室外，從而增強(qiáng)了室內(nèi)的自然通風(fēng)?？梢姡?dāng)建筑朝向與風(fēng)向的夾角為45°時(shí)，平開窗窗扇的導(dǎo)流作用對于增強(qiáng)室內(nèi)換氣效果較為顯著。

4 結(jié)論

通過對不同外窗開啟方式和不同風(fēng)向下房間的自然通風(fēng)進(jìn)行數(shù)值模擬，并采用臥室平均空氣齡及空氣齡標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到如下結(jié)論：

1）對于建筑總體自然通風(fēng)的風(fēng)量而言，在N風(fēng)向下，推拉窗＞上懸窗＞平開窗。在NNW風(fēng)向下，推拉窗＞平開窗＞上懸窗。在WN風(fēng)向下，平開窗＞推拉窗＞上懸窗。隨著建筑朝向與風(fēng)向的夾角逐漸增大，平開窗窗扇的導(dǎo)風(fēng)作逐漸增強(qiáng)，從而使平開窗的優(yōu)勢逐漸凸顯。

2）對于建筑自然通風(fēng)氣流組織的均勻性而言，在N、NNW、WN風(fēng)向下，均為平開窗較優(yōu)、其次是推拉窗、最后是上懸窗?？梢姡介_窗窗扇的導(dǎo)風(fēng)作用有助于建筑自然通風(fēng)的均勻性。

3）當(dāng)采用平開窗時(shí)，建筑即能獲得足夠的自然通風(fēng)量，同時(shí)也能獲得較好的自然通風(fēng)均勻性，故平開窗的開啟方式較有比較明顯的優(yōu)勢。

4）由于研究的板式建筑為東西對稱建筑，故當(dāng)室外風(fēng)向?yàn)镹、NNE、EN時(shí)，也可以得出類似的結(jié)論：對于建筑總體自然通風(fēng)的風(fēng)量而言，在N風(fēng)向下，推拉窗＞上懸窗＞平開窗。在NNE風(fēng)向下，推拉窗＞平開窗＞上懸窗。在EN風(fēng)向下，平開窗＞推拉窗＞上懸窗。對于建筑自然通風(fēng)氣流組織的均勻性而言，在N、NNE、EN風(fēng)向下，均為平開窗較優(yōu)、其次是推拉窗、最后是上懸窗。

5）當(dāng)同時(shí)考慮建筑自然通風(fēng)量與自然通風(fēng)均勻性時(shí)，平開窗開啟方式較上懸窗、推拉窗開啟方式具有明顯的優(yōu)勢。