居住建筑室内自然通风效果关键影响因素分析＊——以重庆地区为例

丁勇 胡玉婷

重庆大学土木工程学院

自然通风是指依靠室内外风压或热压进行室内外空气交换，从而稀释室内污染物浓度、消除室内余热余湿的一种通风换气方式，不仅节能，还可以保证室内的空气品质[1]。李芃等通过对上海地区办公楼的模拟计算，得出自然通风可实现45.7%节能率[2]；李百战等对重庆住宅室内热环境状况进行了调查和实测，发现自然通风是改善室内热环境最经济有效的办法[3]。

1 自然通风基本功能

通风对于建筑和人而言，具有以下三种基本功能：

（1）健康通风

室内空气污染物来源多种多样，一般来讲，室内污染物浓度比室外高2～5倍，严重的高达数10倍，如果不对其进行稀释，将严重影响居住者的健康。实验表明，通风30min至少可减少室内96.4%～99.5%的细菌[4]。

（2）热舒适通风

课题组前期在5、6月对重庆居住建筑室内热环境进行了测试，发现在5月份，自然通风状态下室内热环境与无通风状态相比，其不满意率由25%～30%下降到10%～15%，平均相差13.5%，最高达到16.5%。6月的阴雨天气中，自然通风的不满意率不高于20.0%，而无通风的不满意率高达53.0%[5]。

（3）降温通风

以课题组的通风实测数据为例，在5、6月对普通居住建筑进行实测，在8月对临江建筑进行室内通风实测[6]，结果如表1所示。

可以看出，自然通风的降温作用是有一定条件的，当室内气温高于室外，如重庆地区的过渡季节以及夏季的特定时段（清晨、上午），利用自然通风能够达到一定的降温效果；而当室外温度高于室内时（如6月的晴天和8月的下午），自然通风将室外高温空气带入室内，室内温度反而更高。

虽然自然通风可以在不消耗能源的情况下改善室内空气品质，满足人体热舒适的要求，但由于其受到当地气象、地理等多种因素的影响，作用效果有限。调查显示大多数重庆居民有开窗的习惯，但普遍反映室内通风效果较差[7]。因此，需要对影响居住建筑自然通风的关键因素进行分析。

2 室外气象条件对通风的影响

室外气象条件是影响通风效果的重要因素之一，为提高室内通风效果，首先要对室外气象环境进行分析。本文以重庆地区的数据为例，对比说明不同尺度下室外环境气候参数的差异。

2.1 城市气候与微气候对比分析

微气候是指在建筑周围地面、屋面、墙面、窗台等特定地点的气温、湿度、风速等，建筑物本身及其在地面和其他建筑物的投影，也会改变该处的微气候[1]。本文以中国气象科学数据共享服务网中重庆市沙坪坝气象台某一年的气象数据作为重庆市城市气候的分析数据，以重庆某高校内某教学楼屋顶气象站实测多年的逐时气象数据作为微气候的分析数据进行对比（表2）。

通过对比可以看出，最冷月平均气温与平均相对湿度差异较小，说明在冬季，城市气候与微气候具有一致性。但最热月温度和风速相差较大，平均温差为1.9℃，微气候中87.6%的风速在1m/s以下，而城市气候仅有48.7%的风速在1m/s以下，且微气候的静风率约为城市气候的2倍。由此可见，微气候的风力资源相比城市气候更为匮乏。

城市气象台一般以距平坦地面10m高处测得的风向和风速作为当地的观察数据[1]，但当自然风流经建筑时，气流受到阻碍后在建筑的背风向形成风影区，其长度大约为建筑高度的15倍，风影区内气流速度急速减弱，易形成涡流区[8]，不利于建筑的自然通风。因此，在设计自然通风时，如果采用城市气候气象数据进行分析，可能会带来实际通风能力的差异。

表1 居住建筑通风实测结果

表2 城市气候与微气候气象数据对比

1 建筑平面布局示意图

2 板式住宅平面图

3 点式住宅平面图

4 原朝向户型平面图

5 旋转后户型平面图

2.2 建筑室外环境实测

为了进一步分析建筑通风能力的影响因素，课题组对重庆市沙坪坝区的3个局部地点进行了室外气象参数的连续测试，以重庆某高校内某教学楼屋顶气象站为参照点。其余两个测点分别为该高校内某宿舍楼和同区内某住宅楼。宿舍楼测试时间为6月，住宅楼测试时间为同年7—8月，测试周期均为15天，气象站每10min记录一次数据，测点均在各建筑楼顶，测试结果见表3。

由于宿舍楼南向有一栋36m高的建筑物，住宅楼北向有建筑物遮挡，因此测点风向与参照点有所区别。此外，宿舍楼和住宅楼的静风率和高风速段比例与参照点相比均减小，风速集中在0～0.2m/s。由此可以看出，即使是同区内的不同建筑，由于位置布局不同，也会造成风环境的差异。因此，必须结合项目实地情况开展针对性分析，才能实现对气候资源的最大化利用。

2.3 建筑布局

通过对城市气候和微气候的比较以及建筑室外环境实测可以看出，建筑的位置布局是否合理将直接影响建筑所在地局部室外风环境的好坏。

建筑布局主要有平行规整式、平行错列式、垂直式、围合式四种形式（图1）。研究利用Airpak软件分析四种布局形式下建筑周围气流的分布情况，结果显示当采用平行规整式布局时，前排建筑通风效果较好，但后排建筑处于前排建筑的风影区中，通风效果较差；而平行错列式由于建筑间存在相对错列角度，气流可以较顺畅地通过建筑巷道，下风向建筑受风面较大，有利于整个建筑区的自然通风；采用垂直式布局时，室外风环境比平行式复杂，后排建筑产生涡流区；围合式布局围而不合，内部空间通风效果增强，有利于各建筑形成较好的自然通风[6]。从整体上看，平行错列式和围合式更有利于建筑的自然通风。

3 建筑对自然通风的影响

影响建筑室内自然通风效果的因素很多，室外风环境是难以控制的，往往只有通过改变建筑布局以及建筑本身特征这些人为可以改变的因素来改善或利用自然通风。本节将从建筑的形式、朝向、室内布局以及外窗形式四个方面来说明建筑本身对室内自然通风的影响。

3.1 建筑形式

城市居住建筑主要分为板式住宅和点式住宅。板式住宅的建筑平面基本呈矩形，短边与长边的比值≤1/2，短边长度≤20m，其布局通常为一梯两户，由若干个单元连在一起拼成一个楼板。点式住宅的建筑平面近似方形，短边与长边的比值＞1/2，其布局多以共用电梯、楼梯为中心，通常为一梯四户或多户，建筑密度高，节地能力强[9]（图2，3）。

通过平面图的对比可以看出，板式住宅通常有2～3个朝向，可开启外窗较多，且板式住宅便于设置为正南北朝向，在南北开窗的情况下，易形成南北向的穿堂风，便于采光和通风；而点式住宅通常只有1～2个朝向，每层楼中各户型朝向各不相同，可开启外窗数量有限，且房间进深较大，很难形成良好的气流组织，部分住户采光和通风条件相对较差。

重庆的山地面积约占76%，居住建筑需求大，为节约用地，重庆市居住建筑多采用点式住宅。因此，出于自身条件的限制，如何实现自然通风、形成良好的通风效果，需要对建筑其他特征进行分析。

3.2 建筑朝向

为了研究建筑朝向对自然通风效果的影响，课题组以重庆市的建筑特点为例，选取了典型户型进行模拟研究，该户型为三室两厅双阳台，套内面积为83.08m2，对该户型主要活动区域进行编号，如图4所示。

根据《中国建筑热环境分析专用气象数据集》中5—9月的环境参数平均值，以及针对建筑在关闭门窗测试的室内温度平均值，确定模拟工况为：西北风1.5m/s，环境温度27.0℃，相对湿度78%，室内初始温度30.1℃。为了对比分析建筑朝向对室内通风效果的影响，在其他条件不变的情况下，将原户型平面图逆时针旋转90°，再次进行模拟，旋转后的户型平面如图5所示。

将两种朝向下房间进风口、风速、温度、PMV值进行对比，分析建筑朝向对自然通风效果的影响（表4）。对于原户型，建筑的西面和北面均没有开口，气流受到阻碍后，绕过建筑在主卧窗户处形成回流区，使主卧窗户成为唯一的进风口，而阳台处风速几乎为0，此处较大开口形同虚设。当户型朝向改变后，北面开口数增多，阳台和次卧成为主要进风口，风速明显增大，阳台处的较大开口得以利用，室内气流组织明显得到改善。同时由于房间内自然通风效果增强，室内温度分布更加均匀，温度下降速度更快，相比原朝向温度下降0.9℃，且更多房间的PMV趋近于0。

表3 各测点主要风速及风向分布

表4 模拟结果

6 原布局户型平面图

7 调整后户型平面图

8 模拟房间示意图

9 风速变化折线图

由此可见，选择建筑朝向时，要结合当地风向确定不同建筑体型的正压区和负压区，以判断开口处能否产生良好的通风效果，避免开口形同虚设[10]。

3.3 室内布局

选取另一典型户型对建筑室内布局进行分析，该户型为五室两厅双阳卫，套内面积为138.96m2，模拟工况与朝向模拟相同（图6）。为了分析室内布局的影响，在其他工况条件不变的情况下，在书房南外墙添加一面1.2m宽的窗户（此处不考虑其他建筑因素），同时将客厅西外墙的小窗加宽0.3m，改变后的户型如图7所示。通过对比两种布局形式下的室内风速以及PMV值，分析建筑室内布局对室内通风的影响。

对于原户型，北向的主卧、次卧以及客厅窗户为进风口，而南向次卧和南向卫生间窗户为出风口。室内最大风速为0.8m/s，平均风速为0.24m/s，整个户型中PMV值接近0的区域较大，但书房作为人员长时间停留的地方，仅有少量的气流进入，气流组织情况欠佳，热舒适环境较其他区域差。而在书房南向增加一扇窗后，书房窗户也成为了进风口，强化了书房的气流组织；阳台窗户面积增大后，气流在拐角处形成回流，强化了自然通风效果，且改进后房间主要区域的不满意率低于8%。因此，改动建筑的局部开窗位置和大小后，室内气流更加通畅，对热舒适的满意程度也有所提高。

3.4 建筑外窗

建筑自然通风绝大多数是通过可开启的外窗进行的，而外窗的形式决定了窗口的大小，窗墙比以及外窗的形式也会影响室内气流的分布情况。

（1）窗墙比

窗墙比是指单一朝向的外窗面积与外墙面积（含窗面积）之比。选定房间尺寸为4m×8m×3m，前后窗处于正对位置，且位于相应墙体中间，如图8所示。为探讨窗墙面积比对室内通风的影响，利用数值模拟的方法对比不同窗墙比下房间中心点的风速值，进风风速取0.5m/s，对比结果如图9所示。

可以看出，窗墙比越大，中心点风速越大，室内通风效果越好，但考虑到采光、传热等因素，窗墙比不能无限增大，在条件允许的情况下，窗墙比可取20%～50%。

（2）外窗形式

居住建筑常用外窗形式为平开窗、悬窗和推拉窗，研究表明[11]：1）考虑建筑总体自然通风的风量，当建筑朝向与风向的夹角较小时，推拉窗的自然通风量较大，随着夹角逐渐增大，平开窗的优势逐渐凸显；2）当夹角为45°时，平开窗的导流作用较为显著，自然通风量最大，这是由于平开窗对横向风有一定阻挡，使窗口处形成负压，此负压将室内空气抽出，从而增强室内的自然通风效果；3）考虑建筑自然通风的均匀性，不论在哪种风向下，均为平开窗较优，且风向改变时，平开窗对自然通风的均匀性影响较小。因此，同时考虑建筑自然通风量与自然通风均匀性时，平开窗具有更明显的优势。

4 结论

本文从城市气候与微气候的差异性出发，对比分析了建筑位置布局对自然通风的影响，最后通过改变建筑本身特性的数值模拟分析，得出了以下结论：

（1）以城市气候与微气候为边界条件模拟分析自然通风时，其结果存在显著差异，不同局部地区风速差异最大可达51%。因此，分析自然通风时，选择合理的边界条件非常重要，应以城市气候为宏观基础，结合建筑布局形式，分析并确定建筑所在地的微气候，并以此为自然通风设计的边界条件。

（2）建筑外环境、建筑朝向、室内布局、外窗大小及形式等均会对建筑室内的通风效果产生明显影响。根据朝向和窗墙比的不同，该影响的差异可分别达到66%和400%。

（3）不同建筑形式对于通风的影响往往是内外环境的综合反馈，既能反映出对外环境微气候条件的适应性，又能对不同室内环境下的通风效果产生较大的影响。因此，建筑形式对于既定条件下的自然通风，往往会起到一定程度的决定性作用。

图表来源

图2，3来源于网络；其余图表均由作者自绘。