开窗位置对室内风环境的影响★

黄琳瑜 廖航進 赵 彬 卓启明

(温州大学建筑与土木工程学院，浙江温州 325005)

1 概述

随着建筑节能以及绿色建筑概念的提出，减少住户在房屋内使用电器的频率，同时保证住户居住的舒适性，发展自然通风越来越受到重视。国家和地方的绿色建筑评价标准及节能标准中都对自然通风提出明确的要求。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［1，2］。

目前，计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，简称CFD)的发展，使现代建筑设计中越来越多的采用CFD模拟来评价建筑节能，本文利用这个软件，对住宅的自然通风情况作模拟。讨论普通单体建筑的房间布置开窗位置与方式高效利用自然通风，望能对建筑通风设计提供一个可视化的应用及结论。

2 研究方法

室内通风的影响因素较多，为了便于本次研究，一律采用简化模型进行相关研究，单一空间在其中加入墙体的可变因素，不同的开窗位置对室内风环境的影响。通过数值模拟法进行实验得出结论应用到本地的实体建筑中，同时进行研究优化。

根据Beaufort风力等级划分标准，当风速低于0.2 m/s时人体基本无感觉，ASHRAE5中也指出，当风速大于0.2 m/s时会提高热舒适的上边界［3］。根据热舒适图，活动量为1 met，内衣热阻为0.6 clo，空气湿度为80%，气温为30℃，室内风速为0.5 m/s以上时，70%的人认为室内比较舒适。因此在自然通风条件下，室内风速0.5 m/s的区域比较舒适。根据以上的研究结果，在这里定义室内风速低于0.2 m/s的区域为静风区即不会对人体热舒适产生影响，定义风速介于0.2 m/s～0.5 m/s为中风区，对人体热舒适有一定影响。在气温不是很高时可满足人体热舒适要求，定义风速大于0.5 m/s的为高风区［4］。

静风区的范围越少，中风区及高风区的范围越大，自然通风情况越好。本次计算分别统计静风区，中风区及高风区的百分比作为评价室内通风效果的标准。本次分析，以坐姿头部位置的风速作为分析标准，即1.1 m 高度处［5］。

3 各参数对室内通风效果的影响

3.1 几何建模及网格划分

根据需要建立尺寸为:长×宽×高=8 m×4 m×3 m的单元空间体作为模拟房间单元对象，并在该房间单元垂直长边对半分设置分隔墙，在分隔墙靠一侧设置有:高×宽=2 m×0.9 m的门洞，房间单元两侧短边墙上离地高H=0.9 m处设置开口作为房间的窗洞口，为方便计算各组模型在相同室外风压条件下的室内各处通风效果，在计算模型中，将室内空间网格尺寸划分为0.1 m×0.1 m的网格，通过专业的STAR-CCM+等软件计算得到室内风速云图。

3.2 边界条件的设定

定义进风口为前窗(右侧)，出风口为后窗(左侧)，窗外两侧设置为1.5 Pa的风压差，在室内划分空间体网格后截取高度Z=1.1 m水平面的高度计算风在室内流通风速(m/s)，计算中忽略窗口处与墙面摩擦对风的影响。

相关参数设定:开窗面积比为S;前窗开窗面积与后窗开窗面积之比为β;窗洞口高度为h;窗口宽度为l;风向与窗洞口法线的夹角为θ。

研究1，窗户可开启面积比对室内通风效果的影响。

第一组模型模拟计算五种不同开窗比例在相同风压下的室内通风情况。

设定不变参数为:前后窗面积比 β=1，窗台高 H=0.9，窗洞口高度h=1.2 m，风向与窗洞口法线的夹角θ=0°，计算平面前后窗处于正对位置，并且位于墙体的中间位置。变量参数为:窗宽l(分别为500 mm，1 050 mm，1 600 mm，2 150 mm，2 700 mm)对应开窗面积比(分别为10%，15%，20%，25%，30%)，计算结果如图1所示。

统计数据见表1。

表1 统计数据(一) %

从图1可以看出，开窗面积由10%开始增大到30%时，室内平均风速逐渐增大，静风区比例逐渐降低，高风区比例逐渐增大，低风区比例略有增加，但变化不明显。同时由图1可以看出，当开窗面积为20%再逐级递升的时候，各通风情况增长不明显，再增大开窗面积，对通风效果意义不大。

研究2，窗户开口相对位置对室内通风效果的影响。

第二组模型模拟计算五种不同开窗相对位置在相同风压下的室内通风情况。

设定不变参数为:前后窗面积比 β=1，窗台高 H=0.9，窗洞口高度h=1.2 m，窗洞口宽度l=2.15 m，风向与窗洞口法线夹角θ=0°。变量参数为:前后窗相对位置分别为左—左、右—左、中—中、左—右、右—右，计算结果如图2所示，统计数据如表2所示。

图1 不同开窗面积时，室内风速分布云图

表2 统计数据(二)

统计数据如表3所示。

表3 统计数据(三) %

进风口与出风口存在风压差，在此情况下，通风效果最好，但为了模拟实际情况，对空间进行一定的划分，由图2可以看出，工况四和工况五的中风区和高风区明显高于其他三个工况。图2风速分布云图同样表明，工况四以及工况五室内的中、高风区所占比例比其他的要低，同时，室内风流动的室内较均匀，有较好的通风效果。

根据以上的数据结合工况四以及工况五的开窗位置可知，如果进风口的窗与门位置处于同侧时，通风效果较好，当进风口与门还有出风口位于同一侧时，效果最佳。

图2 窗户开口相对位置对室内通风的影响

研究3，风的入射角对室内通风效果的影响。

第三组模型模拟计算五种不同开窗相对位置在相同风压下的室内通风情况。

设定不变参数为:前后窗面积比 β=1，窗台高 H=0.9，窗洞口高度h=1.2 m，窗洞口宽度l=2.15 m，风向与窗洞口法线夹角θ=0°。变量参数为:风的入射角分别为 30°，45°，60°，计算结果如图3所示。

由图3可以看出，当风向与窗户法线呈45°时，通风效果较佳，当风向与窗户法线呈20°时，通风效果较差。由此可以判定，当风向与窗户法线夹角为45°时，风向与窗户保持一个夹角，有利于促进室内的自然通风。但夹角超过60°时，该夹角将抑制室内的自然通风。

图3 不同风向情况下室内风区变化

4 结语

本文利用流体力学的软件对4 m×8 m×3 m的房间模型进行了室内通风模拟，并对比分析了进出口面积比例，窗户相对位置以及风向的气流流动对室内风环境影响这些情况，初步得出了以下结论:

1)窗户面积低于20%时，增大开窗比例对通风效果有较大影响，增加高风区和低风区。

2)进风口与门的位置处于同一侧时易获得较好的通风效果，当进风口与出风口都与门位于同侧时，通风效果最好。

3)前后窗开窗面积比一定时，前后窗面积较接近时，通风效果最佳。

4)风向与窗户法线夹角为45°时，风向与窗户法线保持一个夹角有利于促进室内自然通风，但当夹角超过60°时，将抑制室内自然通风。

［1］杨 玲.对建筑物自然通风设计的探讨［J］.建筑与装饰，2008(5):9-10.

［2］朱 唯.室内环境与自然通风［J］.建筑科学与工程学报，2006(7):19-20.

［3］人们居所的自然环境条件［Z］.2004.

［4］黄 晨.建筑环境学［M］.北京:机械工业出版社，2005.

［5］林 晨.自然通风条件下传统民居室内外风环境研究［D］.西安:西安建筑科技大学环境与市政工程学院，2006.