外窗开启方式对居住建筑自然通风影响研究

杨少刚 杨芳乙 杨文杰 何开远

中机中联工程有限公司

0 前言

随着绿色建筑的大力推广，对房间自然通风的要求也在不断提高。影响建筑自然通风的因素较多，如建筑朝向、通风开口的位置，通风面积的大小等，其研究成果较多，如《城市居住区热环境设计标准》JGJ 286-2013对居住区的夏季平均迎风面积比作了要求[1]。浙江省地方标准《居住建筑风环境和热环境设计标准》DB33/1111-2015对建筑物朝向及平面布局设计、建筑物门窗设计作了相关规定[2]。在众多影响室内自然通风的因素中，外窗的开启方式则是一个较为容易被忽视的因素，国内对其研究较少。文献[3]研究了用不同外窗开启方式的条件下，对居室内部自然通风的影响，但其只研究了单个房间和单个风向[3]。

本文将对板式居住建筑典型楼层在不同风向下和采用不同外窗开启方式的自然通风状况进行分析，为外窗开启方式设计起到一定的指导意义。

1 项目概况

本文研究对象为某板式居住建筑，其建筑平面图如图1所示。项目地点为重庆市市区，楼层高度为3 m，一共7层，每层建筑面积为633 m2，研究的典型楼层为第五层。

图1 建筑平面图

由于重庆地区过渡季节室外风频在N～WN风向范围较高，故研究的室外风向为N、NNW、WN风向，其中，上悬窗开启角度为30°，平开窗开启角度为60°。

根据《中国建筑热环境分析专用气象数据集》，重庆市市区在N、NNW、WN风向下平均风速具体如表1所示[4]。

表1 不同风向下平均风速

在不同高度上的室外风速分布按下式计算[5]：

式中：vz为高度为z处的风速，m/s；v10为离地10 m高处的风速，m/s；α 为地面粗糙度指数，本文取0.22。

2 数值模拟

2.1 模型简化

由于卫生间及楼梯间为非重点关注区域，且卫生间门、入户门经常处于关闭状态，故对卫生间及楼梯间进行填充，减少网格数量，房间内门均按照开启建模。采用k-ε 两方程模型对其进行数值模拟，模拟方式采用室内外耦合模拟。

2.2 推拉窗数值模拟

当外窗开启方式采用推拉窗时，在N、NNW、WN风向下，通过CFD数值模拟，室内0.9 m空气龄云图如图2所示。

图2 采用推拉窗时，N、NNW、WN风向下空气龄云图

2.3 上悬窗数值模拟

当外窗开启方式采用上悬窗且开启角度为30°时，在N、NNW、WN风向下，通过CFD数值模拟，室内0.9 m空气龄云图如图3所示。

图3 采用上悬窗时，N、NNW、WN风向下空气龄云图

2.4 平开窗数值模拟

当外窗开启方式采用平开窗且开启角度为60°时，在N、NNW、WN风向下，通过CFD数值模拟，室内0.9 m空气龄云图如图4所示。

图4 采用平开窗时，N、NNW、WN风向下空气龄云图

3 房间空气龄统计分析

由于不同开窗方式对主要功能房间通风换气的影响较为显著的为卧室，而对客厅通风换气的影响较小，故在分析平均空气龄和自然通风气流组织的均匀性时，研究对象仅为卧室。

不同外窗开启方式和不同风向下，卧室平均空气龄如表2所示。

表2 卧室平均空气龄

由表2可知，在N风向下，不同外窗开启方式对应的卧室平均空气龄大小排序为：平开窗＞上悬窗＞推拉窗。故在N风向下，采用推拉窗，室内通风量最大，其次是上悬窗，最后是平开窗。在NNW风向下，不同外窗开启方式对应的卧室平均空气龄大小排序为：上悬窗＞平开窗＞推拉窗。故在NNW风向下，采用推拉窗，室内通风量最大，其次是平开窗，最后是上悬窗。在WN风向下，不同外窗开启方式对应的卧室平均空气龄大小排序为：上悬窗＞推拉窗＞平开窗。故在WN风向下，采用平开窗，室内通风量最大，其次是推拉窗，最后是上悬窗。

从以上分析可以看出，当建筑朝向与风向的夹角越小且采用推拉窗时，房间自然通风量较其他两种外窗开启方式大。当建筑朝向与风向的夹角逐渐增大，平开窗开启方式对建筑自然通风量的优势在逐渐凸显，当建筑朝向与风向的夹角为45°时，采用平开窗对建筑的自然通风量提高最大，这主要归因于平开窗的窗扇可以起到一定的导风作用。

在整体评价居住建筑的自然通风时，除房间平均空气龄的大小外，还有一个指标对建筑自然通风也尤为重要，即房间的空气龄标准差。当空气龄标准差越大，则说明自然通风气流组织越不均匀，有的房间能获得较好的通风，有的房间通风量则过小。当空气龄标准差越小时，则说明自然通风分配更加均匀，对房间的自然通风更加有利。不同外窗开启方式和不同风向下，卧室空气龄标准差如表3所示。

表3 卧室空气龄标准差

由表3可知，在N风向下，不同外窗开启方式对应的空气龄标准差大小排序为：上悬窗＞推拉窗＞平开窗。故在N风向下，采用平开窗时，建筑整体的自然通风均匀性较优，其次是推拉窗，最末是上悬窗。在NNW风向下，不同外窗开启方式对应的空气龄标准差大小排序为：上悬窗＞推拉窗＞平开窗。故在NNW风向下，采用平开窗时，建筑整体的自然通风均匀性较优，其次是推拉窗，最末是上悬窗。在WN风向下，不同外窗开启方式对应的空气龄标准差大小排序同样为：上悬窗＞推拉窗＞平开窗。故在N风向下，同样是采用平开窗时，建筑整体的自然通风均匀性较优，其次是推拉窗，最末是上悬窗。

从以上分析可以看出，在三种风向下，对于建筑整体的自然通风均匀性，均是平开窗较优，其次是推拉窗，最末是上悬窗。同时还可以发现，当风向改变时，对采用平开窗的建筑整体的自然通风的均匀性影响较小，其次是推拉窗，最后是上悬窗。在N风向下，上悬窗的空气龄标准差为39 s，当风向变为WN向时，空气龄标准差增大到102 s，可见对其影响之巨大。

若采用10次/h的通风换气次数作为分界时，不同外窗开启方式和不同风向下，不满足10次/h的房间个数统计如表4所示。

表4 自然通风换气次数不满足10次/h的房间数量统计

通过表4可以发现，当采用推拉窗时，在WN风向下，有一个房间自然通风换气次数小于10次/h。当采用上悬窗时，在NNW、WN风向下，均有1个房间的自然通风换气次数小于10次/h。当采用平开窗时，在3种风向下，房间的自然通风换气次数均大于10次/h。由此可见，当采用平开窗时，在3种风向下，建筑即能获得足够的自然通风量，同时也能或者较好的自然通风均匀性，故平开窗开启方式较有比较明显优势。

通过观察上文中空气龄云图，可以发现，在WN风向下，当采用推拉窗或上悬窗时，卧室16的自然通风效果均不佳，而当采用了平开窗时，则得到了很大改善。在WN风向下，卧室16在三种外窗开启方式下的风速矢量图如图5所示（距楼板1.5 m）。

图5 WN风向下，自然通风矢量图对比

由图5可知，当采用平开窗时，由于窗扇对横向风的阻挡，使窗口形成负压，此负压将室内空气抽出室外，从而增强了室内的自然通风。可见，当建筑朝向与风向的夹角为45°时，平开窗窗扇的导流作用对于增强室内换气效果较为显著。

4 结论

通过对不同外窗开启方式和不同风向下房间的自然通风进行数值模拟，并采用卧室平均空气龄及空气龄标准差进行统计分析，得到如下结论：

1）对于建筑总体自然通风的风量而言，在N风向下，推拉窗＞上悬窗＞平开窗。在NNW风向下，推拉窗＞平开窗＞上悬窗。在WN风向下，平开窗＞推拉窗＞上悬窗。随着建筑朝向与风向的夹角逐渐增大，平开窗窗扇的导风作逐渐增强，从而使平开窗的优势逐渐凸显。

2）对于建筑自然通风气流组织的均匀性而言，在N、NNW、WN风向下，均为平开窗较优、其次是推拉窗、最后是上悬窗。可见，平开窗窗扇的导风作用有助于建筑自然通风的均匀性。

3）当采用平开窗时，建筑即能获得足够的自然通风量，同时也能获得较好的自然通风均匀性，故平开窗的开启方式较有比较明显的优势。

4）由于研究的板式建筑为东西对称建筑，故当室外风向为N、NNE、EN时，也可以得出类似的结论：对于建筑总体自然通风的风量而言，在N风向下，推拉窗＞上悬窗＞平开窗。在NNE风向下，推拉窗＞平开窗＞上悬窗。在EN风向下，平开窗＞推拉窗＞上悬窗。对于建筑自然通风气流组织的均匀性而言，在N、NNE、EN风向下，均为平开窗较优、其次是推拉窗、最后是上悬窗。

5）当同时考虑建筑自然通风量与自然通风均匀性时，平开窗开启方式较上悬窗、推拉窗开启方式具有明显的优势。