过渡季室内自然通风模拟分析与评价——以合肥地区高层住宅为例

黄小萍，柯瑞 （安徽省城建设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230051）

1 引言

近年来，随着我国城镇化步伐不断加快，城市中高层住宅成为人们居住的主要场所。高层住宅室内热湿环境及舒适度的优劣直接影响到人们的居住体验。夏热冬冷地区主要包含长江下游及其周边地区，该区域人口密度大，经济发达，人们对居住环境的要求也相对较高[1]。夏热冬冷地区夏季高温高湿，冬季低温干燥，大部分住宅安装了分体式空调夏季防暑降温，冬季抗寒取暖；而过渡季温湿度适宜，安装了分体式空调的住宅在过渡季普遍采用开窗通风的方式来调节室内环境[2]。自然通风是利用建筑物的门、窗处存在的空气压力差，引入室外新鲜空气，改善室内热湿环境，提高室内舒适度，减少住宅空调的使用[3]。本文以合肥地区为例，通过PHOENICS软件，对过渡季主导风向下不同高层住宅室内自然通风情况进行数值模拟，分析比较了不同住宅户型室内自然通风情况。

2 研究对象

本文研究对象为合肥某小区高层住宅的标准层，包含A、B、C三个户型，如图1所示。各户型正南朝向，为市面上常见的高层户型。其中边户A、C户型南北外墙均有开窗，室内可形成贯穿南北的空气通路；中间户B户型，仅南侧外墙有开窗，无法形成贯穿建筑室内的空气通路。

图1 某高层住宅的标准层

3 数值模拟

自然通风的研究方法主要有风洞试验、现场实测和计算流体力学(CFD)模拟方法[4]。CFD方法以其方便操作、结果准确、成本低廉等优点，得到了广泛的应用，本文采用PHOENICS软件推出的FLAIR模块用于高层住宅室内自然通风的数值模拟分析。

3.1 物理模型及边界条件

物理模型处理成室外和室内两部分，如图1、图2所示。室内模型建立时对楼梯间、前室等公共部位进行填充，各户型入户门关闭。室外模型建立时将所研究建筑处理成楼体含室内模型，室内模型位于楼体的首层，再将该建筑置于住区模型中。数值模拟计算过程中，室外气流通过窗户进入室内，可以较为准确地模拟实际建筑自然通风时进出口状况。

入口边界条件采用速度入口边界条件，出口边界条件定义为自由出流，其他边界条件均定义为无滑移的壁面条件。采用标准的K～ε湍流模型进行模拟[5]。

图2 室内模型

图3 室外模型

3.2 模拟参数

合肥市风环境条件

合肥市位于夏热冬冷地区，常年盛行风为东北到南向风，其年平均风速为2.35m/s。由于合肥地区过渡季节室外风频在南到东风向范围较高，故研究的室外风向为S、E风向，具体参数详见上表。

4 结果分析

本文以合肥地区为例，模拟分析春季和秋季主导风向下不同高层住宅户型室内自然通风情况。距地面1.0m是考虑人在室内静坐状态下所对应的呼吸高度，本文选取室内1.0m高度处的气流速度和空气龄两个指标，分析在风压作用下，住宅各户型室内各房间的通风换气情况，以及整体的通风效果[6]。

4.1 不同住宅户型室内气流速度分析

如图4、图5所示分别为过渡S风向和E风向条件下A、B、C三个户型室内1.0m高度处风速分布矢量图、云图。风速矢量图和云图可展示气流组织的走向和流场中的风速分布情况。S风向条件下，A、C户型阳台、客厅、餐厅呈南北直线布置，且南北外墙均有外窗，可形成一个空气通路，部分气流可直接穿过，另一部分气流遇到墙体改变方向进入卧室，A户型三个卧室呈南北直线布置，C户型主卧朝南，两个次卧朝北，各房间之间均有隔墙，空气通路相对不畅，卧室内风速相对较小；B户型仅南侧外墙开有外窗，气流无法在室内形成贯穿风，从南侧窗口上部流入的风随进深的增加速度逐渐降低，气流遇到墙体会形成涡流现象，最终从南侧窗口下部流出。E风向条件下，A户型为东边户，其中有个卧室在东侧外墙有开窗，气流可从外窗进入室内，而B、C户型在迎风侧外墙没有外墙，室内气流流速较小。

图4 室内1.0m高度处风速矢量图

图5 室内1.0m高度处风速云图

4.2 不同住宅户型室内空气龄分析

如图6所示为过渡季S风向和E风向条件下A、B、C三个户型室内1.0m 高度处空气龄分布云图。空气龄云图可展示室内空气新鲜程度。S风向条件下，由于A、C户型南北通透，呈现迎风侧房间空气龄较小，空气新鲜，处于背风位置的房间空气龄较大，新鲜空气分布不如迎风侧房间均匀；B户型由于仅南侧开窗，室内气流容易形成涡流，室内空气新鲜度明显不如A、C户型。E风向条件下，A户型由于东侧外墙有开窗，迎风侧气流可从外窗直接进入室内，而B、C户型在迎风侧外墙未设置外窗，南北侧外窗进入室内的气流流速较小，室内空气龄较大。

图6 室内1.0m高度处空气龄云图

5 结语

本文通过对合肥地区过渡季主导风向下不同高层住宅室内自然通风情况进行数值模拟，分析比较了不同住宅户型室内自然通风情况，总结出同一楼层三种户型各自的自然通风特点。

对比结果表明，S风向下，边户A、C户型南北通透，有利于室内自然通风，室内通风效果明显优于南北不通透的中间户B户型。在E风向下，东边户A户型迎风侧墙面有开窗，有利于室内自然通风，室内通风效果明显优于背风侧的B、C户型。利用CFD计算手段可以对高层住宅室内的通风环境有较为直观的了解，有助于进一步提高户型适应性改造和节能设计。