以人为本探讨自然通风路径下人居空间的室内热舒适性

张晓云 路 军 王兵兵

(河北建筑工程学院建筑与艺术学院,河北 张家口 075000)

以人为本探讨自然通风路径下人居空间的室内热舒适性

张晓云 路 军 王兵兵

(河北建筑工程学院建筑与艺术学院,河北 张家口 075000)

通过Airpak软件模拟单独空间通风路径，对比不同通风路径下的室内风环境和热舒适度.探讨哪种通风路径在有效的置换空气的同时，能保证使用空间中人体的舒适性和身体机能的稳定.切实以人为本，而不是单纯以空间为研究对象，以创造健康、舒适的建筑空间，客观应对自然.

以人为本;自然通风路径;室内风环境;热舒适;健康空间

1 概 述

“以人为本”是建筑设计的核心观念，空间容纳人及人类的活动，满足人的使用要求，建筑设计以人及活动的功能需求、生理心理尺度、视觉美学、建造结构、保温采暖、通风采光、水电配置、社会发展、经济供应等诸多因素为设计依据.但在设计中，以人为本更多的定义在具体的实际物体和功能空间范畴，而忽略了大部分的空间填充是“空气”，充满空间中未被占用的任何部分，空气构成了人们生存生产的物理环境，人坐、卧、行等所有的活动都被气流包围，与之相互作用，室内气流所构成的风环境直接影响渗透着人们的身体健康.

通过对住宅空间的调研发现，大部分设计者与业主都认为对流通风空间的通风质量良好而更受欢迎，户型空间多设定为对角对流，以满足通风的需求.本文从简单独立空间入手，对比对流通风、单侧区域通风和单面通风条件下的室内风环境和热舒适性，讨论何种自然通风路径下室内空间物理环境，对人生存更为健康适宜，在通风的同时，保证室内大比例完整有效的空间具有稳定良好的风环境和热舒适性.

2 独立空间通风路径模拟分析

2.1 模型设定

根据自然通风原理：依靠室外风力造成的风压和室内外空气温度差造成的热压，促使空气流动，使得建筑室内外空气交换.通过Airpak软件建立模型,进行模拟分析.

(1)空间类型及家居布置.

模型空间设定为住宅坐居空间，以窗所在墙体为外墙，其余为内墙，门为户型内部居室门，房间以门窗完成通风；室内以3个沙发形成主要坐居空间并配置人员3位.

人在空间中有领域感和安全感要求，在坐居空间中的日常体现是：人愿意坐居位置身侧与背后有所依托，使自身能掌握空间，少受侵扰；不愿意后背、体侧对门或交通流动空间，以保持个人私密和心理安全，保持精神集中，不受动态因素影响.所以在本次模型中，坐居家具及人都避开门洞交通进行设置.

(2)空间尺寸及物理条件.

房间尺寸、门窗洞口尺寸均为标准日常使用尺寸，且满足基本通风面积要求.

房间尺寸参数为：开间4.2 m，进深4 m，建筑层高为3 m；开窗面积尺寸(宽*高)为：0.6 m*1.5 m，窗台高度为0.9 m；门洞口尺寸(宽*高)为：1 m*2 m；室内温度参数为20 ℃，相对湿度为30%，标准大气压强和空气密度；湍流模型为零方程模型.

风向设定为垂直窗洞正向南风，通过门窗形成空气置换，平均风速为2 m/s.

(3)各通风路径模型.

在研究中，我们借助CFD软件对住宅自然通风情况进行模拟，各路径模型如下：

A、全对流路径

B、单侧区域通风路径

C、单面墙体通风路径

2.2 各路径条件下室内空气新鲜度对比

对比指标：空气龄

空气龄为房间内某点处空气在房间内已经滞留的时间，反映了室内空气的新鲜程度，它可以综合衡量房间的空气置换效果，是评价室内空气品质的重要指标.

根据软件分析，对应坐居空间条件下，人体腿部、腰部、肩部、头部口鼻位置、及至头部上方30 cm处等各部位(对应高度分别取：0.3 m、0.6 m、0.9 m、1.2 m、1.5 m)空气龄指标进行比较，分析各部分空气新鲜程度.各模型指标图表如下：

图1 全对流对角 通风路径 各水平高度 室内空气龄(30～60 s)图形

图2 全对流同侧 通风路径 各水平高度 室内空气龄(30～60 s)图形

图3 单侧区域对角 通风路径 各水平高度 室内空气龄(30～60 s)图形

图4 单侧区域同侧 通风路径 各水平高度 室内空气龄(30～60 s)图形

图5 单面单扇 朝向坐居 通风路径 各水平高度 室内空气龄(30～60 s)图形

图6 单面单扇 远离坐居 通风路径 各水平高度 室内空气龄(30～60 s)图形

各路径室内空气龄图形对比分析：

A、空间中直接通风路径处空气龄值最低.

B、三种大分类比较：

ⅰ 单侧区域两种通风路径障碍物最少，整体空气龄指标最低(单侧区域同侧通风路径下，空气龄高值范围极小，可忽略不计)，空气置换速度最快，时间缩短约20 s左右.

ⅱ 对流通风和单扇窗洞组织通风相比，空气龄总体指标一致(0～70 s)，除对流对角通风相对较快外，其余相差不大.

C、大分类下比较：

ⅰ 对流与单侧区域通风条件下，对角路径和同侧路径相比，对角路径空气置换相对较快，低空气龄区域较大；

ⅱ 单面单扇通风条件下，朝向坐居与远离坐居通风路径下空气龄值基本一致.

D、各通风路径下，总体空气龄指标一致，无明显差别，可见在风速相同的前提下，不同通风路径下室内空气置换的速度基本一致，人呼吸感知基本无差异.

对比结论：

总体来看，各种通风路径下的室内空气新鲜度从室内空气龄指标来看，差别程度不大，可见不同通风路径对室内整体空气的新鲜度并未造成明显影响.

2.3 各路径条件下室内空气流速度矢量对比

根据软件分析，对应坐居空间条件下，人体小腿、腰部、肩部、头部等各部位(对应高度分别取：0.3 m、0.6 m、0.9 m、1.2 m)进行比较，分析各部分室内气流速度矢量.为方便对比，截取范围为0～0.5 m/s.各模型指标图表如下：

图7 全对流对角 通风路径 各水平位置 室内气流速度(0～0.5 m/s)矢量图形

图8 全对流同侧 通风路径 各水平位置 室内气流速度(0～0.5 m/s)矢量图形

图9 单侧区域对角 通风路径 各水平位置 室内气流速度(0～0.5 m/s)矢量图形

图10 单侧区域同侧 通风路径 各水平位置 室内气流速度(0～0.5 m/s)矢量图形

图11 单面单扇 朝向坐居 通风路径 各水平位置 室内气流速度(0～0.5 m/s)矢量图形

图12 单面单扇 远离坐居 通风路径 各水平位置 室内气流速度(0～0.5 m/s)矢量图形

室内气流速度矢量图形对比分析：

A、六种通风路径下的室内气流速度在全屋范围基本一致；空间中直接通风路径处速度最大；坐居空间处的气流速度由于路径位置的区别而差异明显.

B、各通风路径下，气流速度矢量图形与空气龄图形吻合，速度越大处，空气龄值越低；其中，单侧区域两种通风路径最为顺畅，气流二次回转少，室内气流置换最快，气流速度相对最大.

C、三种分类下，对流通风和单扇窗洞组织通风相比：

ⅰ 对角位置(或朝向坐居空间)通风路径下，坐居空间基本处于直接通风路径当中，人体成为气流的障碍，直接受风，身体周边气流走向较多，整体风环境不稳定，气流体感强.

ⅱ 同侧位置(或远离坐居空间)通风路径下，坐居空间处，气流速度明显小且稳定，人处在一个缓和、相对低速环绕的风环境中，与气流更为融合、协调；空间气流场稳定范围大且完整，可提高空间实际利用率.

D、六种通风路径下坐居空间气流场稳定范围顺序为(由大至小排序)：

ⅰ 单面单扇远离坐居通风路径

ⅱ 全对流同侧通风路径

ⅲ 单侧区域同侧通风路径

ⅳ 单面单扇朝向坐居通风路径

ⅴ 全对流对角通风路径

ⅵ 单侧区域对角通风路径

对比结论：

总体来看，气流路径决定了室内空间的气流场的完整和稳定.

通过调研收集，人在正常状态下，室内风速≤0.1 m/s时基本无体感，接近0.2 m/s界值时受风体感逐渐明显，渐感觉不适；正面受风更容易适应，体侧、背后、肩颈、脚踝部位均较为敏感.若人直接处于通风路径中，风吹体感明显，则无法在开窗通风的同时有舒适体感.

结合空气龄对比结论，由于各路径下的室内空气新鲜度并无明显差别，所以直接通风路径不贯穿人主要使用空间，则人居部位气流场更加缓和协调，身体周边气流速度越小；越可以在人在的同时，保持更长时间通风，使室内长时间保持接近自然新鲜的空气，而不是窗开人离.

2.4 房间各水平高度PPD不满意百分数图形对比

PPD参数为预测室内热感觉不满意百分数，根据我国现有《采暖通风与空气调节设计规范》(以下简称“规范”)规定：采暖与空气调节室内的热舒适性应按照《中等热环境PMV和PPD指数的测定及热舒适条件的规定》(GB/T 18049-2000)，采用预计的平均热感觉指数(PMV)和预计不满意者的百分率(PPD)评价，其值宜为：PPD≤27%.

根据软件分析，对应坐居空间条件下，人体小腿、腰部、肩部、头部及站姿头部及以上等各部位(对应高度分别取：0.3 m、0.6 m、0.9 m、1.2 m、1.8 m)进行比较，分析各部位室内PPD指标.为对比明显，我们截取不满意度30%～99%区间进行比较.各模型指标图表如下：

图13 全对流对角 通风路径 各水平位置 PPD(30%～99%)图形

图14 全对流同侧 通风路径 各水平位置 PPD(30%～99%)图形

图15 单侧区域对角 通风路径 各水平位置 PPD(30%～99%)图形

图16 单侧区域同侧 通风路径 各水平位置 PPD(30%～99%)图形

图17 单面单扇 朝向坐居 通风路径 各水平位置 PPD(30%～99%)图形

图18 单面单扇 远离坐居 通风路径 各水平位置 PPD(30%～99%)图形

室内PPD热感觉不满意百分数图形对比分析：

A、六种通风路径下坐居空间处的室内PPD不满意度范围差别明显；

B、三种分类下，同侧位置(或远离坐居空间)与对角位置(或朝向坐居空间)相比，热舒适度均较好，热稳定范围大，不满意值基本处于30%以下；

C、六种通风路径下坐居空间PPD不满意度范围顺序为(由小至大排序)：

ⅰ 单面单扇远离坐居通风路径

ⅱ 全对流同侧通风路径

ⅲ 单侧区域同侧通风路径

ⅳ 单面单扇朝向坐居通风路径

ⅴ 全对流对角通风路径

ⅵ 单侧区域对角通风路径

对比结论：

通过对比看出，室内环境在通风条件下，当门窗通风路径偏于空间一侧(不贯穿主要功能空间)，空间热舒适范围完整稳定、占空间比例大，空间实际可利用率高.所以在满足通风的前提下，直接通风路径越远离主要功能空间，该空间处环境热舒适满意区域越大，人身体健康指数越佳.

3 结 论

通过对4.2 m×4 m×3 m空间的通风模拟，对比各项参数初步得出以下结论：

(1)通风路径对室内空气新鲜度无明显影响，各通风路径都能在短时间内达到相同空气置换要求.通风路径顺畅，二次回转少，覆盖空间范围越多，室内空气置换越快，通风效果越明显.

(2)通风路径位置直接影响了室内风环境及空间的舒适性：

1)直接通风路径贯穿空间主要功能部分，该空间处人体成为气流阻碍，人体周边气流速度大、直接，热舒适稳定范围小，热感觉满意度低，热舒适性差；

2)直接通风路径远离空间主要功能部分，人体处于直接通风路径一侧或被直接通风路径环绕，气流运行至该空间处速度、风力逐渐消减，人体被气流缓慢环绕，与气流相融合协调，身体周边气流速度小，热舒适稳定范围大，热感觉满意度高，热舒适性好；

3)综合各项指标，六种通风路径相比，同侧通风路径的室内环境均比对角通风稳定；其中，对流同侧通风、单面单扇远离坐居通风条件下，室内热舒适度最佳；单侧区域同侧通风热舒适度较佳.

(3)单元式住宅空间厅室结合，在进行设计时，对流同侧通风、单面区域同侧通风路径均较好实现，门关闭则可形成单面单扇的通风，但是在实际中，除起居空间开窗数较多外，卧室、书房等空间大多数只有一扇窗洞可开，且多为对流对角设置，使人无法根据实际条件及个人身体情况进行选择窗扇开启位置，窗开人离，空间无法在置换新鲜空气的同时有舒适的体感.

(4)通风时间的长短(以室外空气优良为前提)是影响室内空气质量的主要因素，新鲜的自然通风、采光能不仅能满足人通风换气的要求，同时能改善人的其他生理机能，并满足人渴求自然的心理需求.选择适宜的通风路径，在通风的同时，能保证更好的空间热环境和风环境，使得通风时间延长而不影响人体的健康.

(5)通风路径位置直接影响室内空间有效利用.直接通风路径将空间内区域进行分割，影响了热舒适性范围的分布和位置，影响了高环境质量空间的范围大小；合理设置通风路径，可以保证更大区域空间的环境质量，有利于节能减排，创造更大的优势.

(6)使用者为空间中根本，应真正以人为本考量空间质量，仅以空间为对象的设计及研究数据缺少真正的客观性、唯物性.人本是自然的产物，人与室内外环境相互融合协调才能保证身体机能的健康.健康是提高人民生活质量至关重要的一环，是社会全面、协调、可持续的发展的有效保障.作为建筑设计者我们应追寻空间的本质，创造健康、舒适的建筑空间，以人为本，客观应对自然.

[1]黄琳瑜,廖航進,赵彬,卓启明.开窗位置对室内风环境的影响.山西建筑，2014，5

[2]谭青.夏季教室通风速率对人体热舒适影响的研究.重庆大学.2011(学位年度)

[3]闫凤英,王新华,吴有聪.基于CFD的室内自然通风及热舒适性的模拟.天津大学学报，2009，5

[4]王旭,孙炳楠,陈勇.建筑物开孔对室内通风的影响.第八届全国土木工程研究生学术论坛，2010

[5]张惠敏.脉动风单侧自然通风中湍流特征的影响.浙江大学，2013(学位年度)

[6]王健,汪小旵,丁为民.风压通风的单栋温室内部流场的ANSYS+CFD模拟,农业机械学报,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

河北省建设科技研究指导性计划项目(2013-219);河北省建设科技研究指导性计划项目(2013-221)

张晓云(1982-)，女,讲师,从事建筑设计及理论研究 .

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