风向角对住宅室内自然通风效果影响的研究

曹晓贞， 余　燚

（1.悉地（北京）国际建筑设计顾问有限公司，北京100013；2.上海联创建筑设计有限公司北京分公司，北京100013）

风向角对住宅室内自然通风效果影响的研究

曹晓贞1， 余燚2

（1.悉地（北京）国际建筑设计顾问有限公司，北京100013；2.上海联创建筑设计有限公司北京分公司，北京100013）

自然通风作为一种被动式通风降温方法，是降低建筑能耗的有效途径，但如何合理的组织自然通风，最大限度的利用自然资源，却是建筑设计中的难点。本文根据沈阳地区实际风向的变化，对比分析不同风向角对建筑室内流场分布的影响规律，得出沈阳市相对较佳的建筑朝向推荐方案，从而对住宅室内平面布置和建筑物朝向设计提供参考。

风向角； 自然通风； 空气龄

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.02.017

0　引言

自然通风作为被动式通风降温方法，其优越性越来越受到人们的重视，是人类历史上长期赖以调节室内环境的原始手段［1］。它一方面可以降低空调的耗电量，从而降低为了生产这些电能所消耗的煤炭资源，减少温室气体的排放；另一方面可以在一定程度上满足室内的舒适度要求，保持室内空气的清洁卫生，克服由空调的恒温环境所造成的人体抵抗力下降等不利因素，所以人们更喜欢利用自然通风来达到通风降温的目的。据有关研究表明，在夏季，人们即使在皮肤发粘湿润的情况下，有75%的人仍选择保持自然通风状态［2～5］；而在冬季，70%以上居住在新建住宅中的北京居民每天都要开窗通风［6］。但现代人类对自然通风的利用已经不同于以前开窗、开门通风换气，而是综合室内外的环境条件来实现。自然风通过建筑物表面的开口流入或者流出，则室外环境的风向、建筑物的朝向、建筑室内布局、建筑构造（包括门窗构造）、门窗的开启方式等的设计，都直接或间接的影响着建筑物内部的气流流动和通风效果的好坏。因此，住宅中的气流的流场分布与建筑结构要素的关系机理研究，无疑是建筑自然通风设计的重要内容。

风与建筑物表面形成的投射角度是影响建筑室内环境变化的重要因素。在夏季，风向的变化会影响建筑物的通风及室内气流的流动，处理好建筑物与当地室外主导风向之间的夹角问题，可以有效的解决冬、夏季通风问题，在提高住宅人员的舒适度、改善室内空气品质的前提下。本文通过对不同风向角下室内的自然通风效果的分析，得出风向角对自然通风影响的规律，从而对建筑住宅朝向设计提供参考。

1　研究工况

1.1风向角α

风向角α为室外环境的入口风与入口平面（建筑物表面）法线之间的夹角，当来流垂直于建筑物表面时，α为0°，当来流平行于建筑物表面时，α为90°，且规定顺时针方向夹角为正，逆时针方向夹角为负，如图1所示。

1.2模拟工况的设定

在建筑进行自然通风的过程中，室外环境的风向会发生复杂的变化，为了使建筑更好的利用自然通风，住宅建筑在设计的过程中应使当地夏季的主导风向与住宅保持适宜的风向角。

通过对沈阳地区气候的观测可知，沈阳地区夏季的主导风向为西南风，而常规住宅设计朝向多为南北朝向，为了获得具有可比性的数据，在模拟过程中我们以建筑物的主朝向正南为模拟原型，模型的改变因子为风向角为75°、60°、45°、30°、15°、0°进行模拟。

图1　风向角α

图2　风向角α=75°时的风速分布图

图2　风向角α=60°时的风速分布图

在室内通风效果的分析中，我们主要考虑的是人体活动高度处的风速及空气龄分布对人体的影响，所以取室内1.1m高（坐姿人员头部呼吸高度）处的速度场、平均空气龄场作为研究对象。

2　模拟结果及分析

（1）不同风向角下室内的风速分布

当室外气流通过建筑物表面的开口进入室内空间后，会在室内形成一定的速度场。在室外来流风速、风向相同的情况下，不同的室外风向角，形成的室内速度场的分布规律有所差异，图2～图7分别为75°、60°、45°、30°、15°、0°风向角来流下，室内1.1m高处流场的气流速度分布云图。

从建筑物不同风向角下室内速度场的分布状况可以看出：1）当室外空气进入住宅室内空间后，会在室内形成大大小小的漩涡，在漩涡的扰动作用下，室外的新鲜空气进入室内，而室内的污浊空气则随着气流的流动排出室外；2）气流从建筑物的迎风面的开口位置进入室内，从背风面窗户的开口位置流出，气流在室内的流动过程中受室内墙体的导流作用，部分气流的流动方向会发生变化，并且在气流流通的主要路径上，室内气流的速度较大；3）风向角从75°变化到60°，再变化到45°角，随着风向角的减小，各区间角度变化幅度虽然不大，但室内的速度场分布却发生了很大变化，随着风向角的减小，室内形成了明显的漩涡，并涉及到了套室内的大部分空间，这种现象说明，在风向角较大的情况下，即使角度的微小变化，也会对室内的气流流场分布造成较大的影响；4）风向角在0°～30°时，室内能形成明显的穿堂风，房间内风速较大，基本上没有大范围的通风死角，而当风向角大于45°时，室内的风速即迅速下降，房间内部（主卧室、书房）的通风死角范围逐渐增大，这对利用通风来排除室内的污浊空气是不利的，室内的通风效果较差。

（2）不同风向角下室内的空气龄分布

图8～图13给出的是在风向角不同的情况下，室内1.1m高（坐姿人员头部呼吸高度）处的平均空气龄的分布情况。在图中，颜色从冷色调到暖色调，代表室内空气平均空气龄的大小，冷色调表示该处空气的平均空气龄值较小，即此处的空气在自然通风的条件下，完成置换所需要的时间较短，室内空气的新鲜度较好；反之，则暖色调说明该处空气的平均空气龄值较大，在自然通风条件下，完成置换所需要的时间较长，室内空气的新鲜度较差。

图4　风向角α=45°时的风速分布图

图5　风向角α=30°时的风速分布图

图6　风向角α=15°时的风速分布图

图7　风向角α=0°时的风速分布图

图8　风向角α=75°时平均空气龄分布图

图9　风向角α=60°时平均空气龄分布图

从图8～图13显示的不同风向角下，室内平均空气龄的分布情况可以看出：1）在风向角较大的情况下，室内的平均空气龄值普遍偏高，随着风向角的减小，室内相同区域的平均空气龄明显减小，空气新鲜度增强，室内空气品质得到了改善；2）在室内小卫生间，由于没有外窗，空气不能形成有效的对流，室内基本无进风，气流速度很小，故此处的平均空气龄相对其它房间较大，空气的新鲜度较差，需要借助机械方式对该区域进行辅助通风；3）在夏季主导风向下，该住宅的主卧室、书房的部分区域会形成通风死角，且风向角越大（0°除外），通风死角的范围越大。

图10　风向角α=45°时平均空气龄分布图

图11　风向角α=30°时平均空气龄分布图

图12　风向角α=15°时平均空气龄分布图

图13　风向角α=0°时平均空气龄分布图

为了进行对比分析，我们将各风向角下室内1.1m高（坐姿人员头部呼吸高度）处的平均空气龄值列出，结果见表1。

表1　不同工况下室内平均空气龄值

通过表1对不同风向角下，室内的平均空气龄值的对比分析，可以看出，风向角越大，室内平均空气龄值越大，当风向角为0°时，室内空气龄的平均值最小，空气的新鲜度最好，而风向角在15°～45°范围内时，室内空气龄平均值变化不大，基本处于稳定范围内，室内空气品质相对较好。

3　结语

在住宅空间，人们主要关注的是卧室、书房及客厅（人员停留时间较长）的室内环境，因为不管是男性还是女性，在住宅室内的停留时间主要集中在这几个房间中，所以这些功能间室内环境的好坏直接关系着室内人员的健康。通过分析不同风向角对住宅室内自然通风效果的影响，现得出结论如下：

在风向角为0°～45°时，室内能形成明显的穿堂风，房间内风速较大，基本上没有大范围的通风死角，且室内空气龄的平均值较小，空气的新鲜度较好。而当风向角大于45°时，室内的风速即迅速下降，房间内部的通风死角范围逐渐增大，这对利用通风来排除室内的污浊空气是不利的。所以，可以认为在风向角为0°～45°时，室内的通风换气效果较好。

［1］王新华.住宅自然通风的数值模拟及气候效应研究［D］.天津：天津大学，2008.

［2］欧阳沁.自然风的1/f紊动特性的研究现状与展望［A］.2002年全国暖通空调制冷学术年会论文集［C］.2002.

［3］Olesen B W.Guidelines for comfort［J］.ASHRAE Journal，2000，42（8）：41～46.

［4］Oseland N A.Acceptable temperature ranges in naturally ventilated and air conditionedoffices［J］.ASHRAETransactions，1998，104（1）：1018～1030.

［5］王怡.寒冷地区居住建筑夏季室内热环境研究［D］.西安：西安建筑科技大学，2003.

［6］江亿.我国建筑能耗状况及有效的节能途径［J］.暖通空调，2005，35（5）：30～40.

Study on the Effect of Wind Angle on Indoor Natural Ventilation of Residential Building

CAO Xiao-zhen1， YU Yi2
（1.Constrcution（Beijing）International Architectural Design Consulting Co.，Ltd，Beijing 100013，China；
2.Shanghai Lianchuang Architectural Design Co.，Ltd，Beijing 100013，China；）

As a passive ventilation cooling method，natural ventilation is an effective way to reduce building energy consumption.But how reasonable organization of natural ventilation and maximum use of natural resources is a difficult problem in architectural design.In this paper，according to the change of the actual wind direction in Shenyang，analysis the influence rules of different wind direction for interior airflow field.The results obtained relatively better building orientation in Shenyang that provides guidance on the design of residential interior layout and building orientation.

wind direction； natural ventilation； air age

TU831.1

B

2095-3429（2015）02-0064-04

元 曹晓贞（1988-），女，河南洛阳人，硕士研究生，研究方向：建筑自然通风。

2015-02-03

2015-04-03