高层住宅中间户型自然通风优化设计研究——以宿迁地区为例＊

段忠诚 刘正伟 蔡蕾蕾 朱冬冬

随着我国城市化进程的推进，高层住宅建设逐年增多，其中一梯四户的户型占比较高。受交通空间阻隔，“穿堂风”无法在此类住宅中有效形成。自然通风是保持室内空气质量最绿色、有效的方式，因此研究中间户型自然通风对提升室内风环境、降低能耗具有一定现实意义。

在建筑自然通风方面，2016年Ardalan Aflaki指出通风效果、空气温度和相对湿度的影响因素[1]；2018年庄涛指出住宅室内风环境的内部外部影响因素[2]；2019年徐子健研究出设立中庭构造能更好地组织内部自然通风[3]；2021年尹东衡指出高层住宅室内平均风速差异的主导影响因子[4]；2021年韩志旭指出一定范围内“井廊空间”长宽比值与中间户型通风效果呈正相关[5]。在细部构造方面，2008年Tine S.Larsen指出通过窗户开口的空气量的影响因素[6]；2014年黄琳瑜指出通风效率在风进出口与门的位置同一侧时最高[7]；2017年Ghada Elshafei指出调整窗户参数（窗户位置和尺寸）能够提高室内热舒适性[8]；2019年Katarina Kosutova指出风速最大的立面开口位置为上部且立面中心有百叶窗开口的空间空气交换率较高[9]。在研究方法方面，2015年Chia Ren Chu等人采用风洞实验[10]；2015年Weihong Guo和Xiao Liu等人运用CFD模拟技术[11]；2017年Zhangping Lei运用问卷调研和实测模拟的方式进行了通风性能的模拟分析[12]；2018年Ebrahim Solgi等人采用文献调查的方式总结出气候、建筑和技术参数三个因素对通风性能的影响[13]。

以上研究多针对基础户型，缺乏对高层住宅中间户型室内风环境的系统分析。本研究针对宿迁市的风环境特征和气候条件分析高层住宅中间户型风环境优劣形式，对其自然通风进行优化设计。

1 研究方法

1.1 评价标准

本文主要采用实地调研和数值模拟软件Airpak进行模拟分析。采用量化指标对不同设计方案比选。1）风速：最大风速应低于1.5m/s，平均风速用以比较不同设计方案；2）空气龄：空气龄是评价室内空气质量的重要因子，平均空气龄用以评价不同户型设计方案；3）室内舒适风速区比率：舒适风速区间0.25～1m/s的面积比率。

1.2 研究模型的设定

根据调研现状（图1,2），模型标准层设置为四户型，18层高且正南布置。两边户型和公共交通空间简化成不通风的实体，中间户忽略内部隔墙和其他结构。开窗面积设定为正常情况下的一半，只有入户门为关闭状态，除客厅门为推拉门外其余为平开门，阳台均在客厅南侧布置。

1.3 参数设置

（1）模拟工况

本模拟工况采用2009—2019年宿迁地区典型气象年数据统计表（表1）。宿迁地区夏季高温多雨，室内需要加强通风，春秋过渡季需适量通风保持室内舒适度，冬季寒冷干燥窗户一般处于关闭状态。因此模拟选取夏季的风向和风速值。

表1 宿迁地区室外风环境模拟工况

（2）计算区域

模拟区域大小设定参考《绿色建筑设计标准》。对于楼层平面形式（内天井、前凹口）的模拟，入口、出口和侧向边界到中心建筑最近表面的距离分别为3H、3～6H和6H，高度为3H。对于户型设计（开窗）的模拟，模拟区域设置为长方形区域，包含了中间户型的整个标准层。

（3）数值设定

采用k—ε湍流方程进行风环境模拟。研究对象为高层住宅，位于城市中心位置，粗糙指数设置为0.3，梯度风按常规取值。

2 天井进深对中间户型风环境的影响

内天井能在很大程度上解决采光和通风问题，后凹口集中对位设计时通风效率最佳，在此基础上探究天井进深对室内风环境的影响，简化后的物理模型如表2所示。天井的进深设置为2.5～5m且间隔0.5m，6种工况的模拟结果如图3和表3所示。

模拟结果表明，室内风速随着天井进深的增加呈现上升趋势，在进深达到4m时呈现停滞状态。这是因为天井上下贯通气流会受到横向与竖向两个方向的影响，随着天井进深加大，贯通气流的主导性由竖向转为横向，在相互作用下会达到一个平衡点。在平衡点出现之前室内平均风速随着天井进深的增加而增大，在平衡点之后天井进深对室内风环境的影响减弱，室内平均风速无明显变化。

综合以上，在夏季主导风情况下，天井与后凹口集中对位布置、内天井进深为4m时，室内风速与通风效率最佳。

3 前凹口布置形式对中间户型风环境的影响

建筑平面的凹凸会产生风压差而影响室内通风效果，根据调研简化出建筑物理模型如表4所示，相关模拟参数条件与上文相同。

模拟结果如图4和表5所示：前凹口增加了中间户型与室外环境接触的面积，但是会形成狭管效应。厨房和卫生间一般设置在凹口位置，但是其洞口风压较大容易造成严重的室内倒灌风，因此要选择适宜的布置形式。

模拟结果表明，E、G户型的室内风速相较于F户型更稳定，且两者风速相差不大，呈现逐步上升趋势。F户型左户室内风速最小处发生了严重的倒灌风，这是因为从中间凹口进入左户的风与进入右户的风叠加，风速增大。E户型的右户风速下降明显，因为其右户有西北两侧墙体阻隔，凹口风速增加引发倒灌风。两侧凹口形式中底部楼层室内风速有下降趋势，到达临界点之后逐步上升且浮动范围大。因为部分流向中间楼层的风被墙体阻隔后上下流动，向上流动的气流增加室内风速并从顶部排除，向下流动的气流到达底部后经过窗户倒灌进入室内，抵消了一部分风速。综合以上，在夏季主导风情况下中间加两侧分开凹口形式的室内风环境最优。

4 开窗对中间户型风环境的影响

根据前文调研的6种典型户型简化后模型如图5所示。

4.1 开窗面积对中间户型风环境的影响

窗户的开启面积可以根据室内需求进行尺寸与角度的调节，一般用窗墙比来进行合理的尺寸界定。因为C户型开间尺寸全面更具代表性，模拟其在窗墙比0.20、0.25、0.30、0.35、0.40几种工况下的室内风环境。

模拟结果表明（表6），所有工况下室内平均风速随着窗墙比的增大而增大，由于南向入口面积远大于北向出口，室内最大气流出现在客厅推拉门附近。窗墙比为0.20时室内静风区面积较大，少部分区域处于舒适区间，室内风速较小。窗墙比为0.35时，63%的区域风速0.25～1m/s，室内舒适度较好，风速平均为0.42m/s，分布较为均匀。当窗墙比增加到0.40时室内空气流动较快，平均风速最大达到0.65m/s，人体吹风感明显。北侧空间如厨房、卫生间的空气龄比南侧空间的客厅和主卧室大很多，所以南向空间空气质量更好。窗墙比为0.20时北向空间卧室空气龄在300s左右，大于其他模拟工况，静风区处于部分房间墙角和储藏室位置，局部区域空气质量较差。当窗墙比为0.40时大部分区域室内空气龄在100s以内，空气质量最好。

综合以上，室内风速与窗墙比呈正相关，空气龄与窗墙比呈现负相关，随着开窗面积的增大其建筑能耗也随之增加，所以窗墙比为0.35时为最优形式。

1 各区域高层住宅楼盘比例

2 每层住户比重图

4 左侧、右侧住户室内风速

5 典型户型简化模型

表2 模拟户型

表3 不同天井进深风速云图

表4 凹口简化模型汇总表

表5 不同凹口形式风速云图

表6 不同开窗面积室内风速分布情况

4.2 开窗位置对中间户型风环境的影响

影响建筑内部风环境的重要因素之一是门窗洞口的相对位置。本次模拟在保证采光面积的情况下，研究C户型南向墙体上开窗位置（墙体西侧、东侧、中间和分开两侧）对于室内通风的影响。

模拟结果表明（表7），各种工况下室内风速分布情况类似，但实际通风效果不一样。窗户集中在西侧时，室内风速分布较不均匀，南向房间静风区范围较广，墙角处风速较大。由于进风口与出风口正对，主卧和次卧有近58%的区域风速小于0.25m/s；通过比较开窗居中集中布置与东侧集中布置发现，东侧集中布置时最大风速可达0.95m/s，但是分布不均匀，多分布于靠近客厅的墙壁处，南向房间空气龄均在100s以内。开窗居中集中布置时最大风速略小于东侧布置，但其气流运动范围更广，分布更加均匀，对次卧室内通风更有利；开窗两侧分开布置时风从两边引入室内，且分布更加均匀，最大风速达到0.82m/s，室内整体舒适度较好，区域风速在0.25～1m/s，空气质量更好。综合以上，开窗两侧分开布置时，室内风环境更优。

表7 不同开窗位置室内风速分布情况

表8 楼层平面优化前后风速云图

5 高层住宅中间户型自然通风优化设计

5.1 建筑平面布局优化设计

平面形式中无天井和两侧凹口的户型，仅靠南向窗口进行单侧通风，室内通风效果较差。增加进深4m天井设计，在建筑平面面宽方向布置中间加两侧前凹口。楼层平面形式改进设计如图6所示。

模拟结果表明（图7,表8），优化前整栋住宅几乎处于无风状态，平均风速均在0.1m/s以内，风环境较差。优化后，底层左右两户室内平均风速从0.01m/s分别增加至0.27m/s和0.26m/s，顶层左右户型平均风速分别增加至0.58m/s和0.41m/s。室内风速舒适区间的面积随楼层高度增加而增加，顶层左右户室内风速低于0.25m/s的面积比分别为9%和13%。针对楼层平面形式的室内风环境优化策略可行。

5.2 典型户型优化设计

针对三类典型户型，窗墙比均设置为0.35，南向开窗均两侧分开布置。

（1）A类户型

A户型为单朝向户型，无北侧通风口，不能形成比较流畅的通风路径，室内静风区较多。在已有策略的基础上，增加北向出口调整通风路径

模拟结果表明（表9），优化后室内通风路径比优化前更连贯，室内风速分布更加均匀，静风区面积减少，室内最大风速达到1.2m/s。客厅、主卧等空间空气得到绕流，室内60%以上区域处于舒适区间，室内整体空气龄下降，主要使用空间均在100s以内。针对A类户型的优化策略可行。

（2）B类户型

B户型为典型两室户型，南北通透，室内风环境较为舒适。但是部分使用房间仅有一个进风口，换气效率不高。为了延长B户型通风路径且减少静风区面积，在主卧增加一个窗口且在外墙对称布置。

6 住宅楼层平面改进设计图

7 左侧、右侧住户室内风速

表9 A 类户型优化前后室内风速分布

表10 B 类户型优化前后室内风速分布

表11 C 类户型优化前后室内风速分布

模拟结果表明（表10），优化后室内最大风速从0.93m/s增加至1.25m/s，室内有65%的区域属于舒适区间。客厅、餐厅部分风速增加、静风区面积减少。主卧增加窗口与出口错位布置，整体空气龄下降50s左右。针对B户型的优化策略可行。

（3）C类户型

C类户型将住宅建筑内部的北侧连廊设计成开敞式以满足南侧户型通风的需求，但是其进深较大导致室内通风效率较低，需要对通风路径进行改善。

模拟结果表明（表11），优化后卧室与书房静风区面积减小，最大风速从0.84m/s增至1.24m/s。阳台与入户门直接形成贯通路径，餐厅部分风速从0.05m/s提高至0.32m/s，客厅推拉门处出现最大风速，室内舒适风速区间面积也相应增加。空气龄下降200s，房间换气效率得到提高。针对C户型的优化策略可行。

6 结语

通过对宿迁地区84栋高层住宅现状调研与分析，占比最高的一梯四户标准层多数南北通风不畅且中间户型风环境普遍不佳。结合既有评价标准和宿迁气候环境，本文以风速、空气龄、室内舒适风占比作为风环境评价标准，采用控制变量方法，运用Airpak模拟分析各种形式不同参数对室内风环境的影响，并且针对楼层平面形式和户型设计总结了相应的优化策略。

针对宿迁地区新建住宅，楼层平面形式上可设置进深4m的内天井以促进中间户型空气流通，优先选择中间加两侧分开的前凹口形式，并且需要采用分户墙，避免布置于前凹口位置的卫生间和厨房等辅助空间发生倒灌风的现象。户型设计上，单侧通风户型为获得相对贯通的通风路径，宜将客厅布置在西北侧与东南侧，综合考虑建筑能耗和通风效率，窗墙比设置为0.35且窗户分开两侧布置时室内风环境最佳。

图片来源

1-7作者自绘

表格来源

1-11作者自绘