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外窗設計形態對建筑室內自然通風的影響的論文
前言
隨著全球資源的日益匱乏，綠色節能理念越來越受到人們的關注。自然通風作為一種傳統的調節建筑室內環境的手段之一，也越來越得到人們的重視。相比于機械通風，自然通風有其特有的優點，尤其在資源的節約、室內環境的優化以及人體舒適度的提高等方面。室內自然通風的形成，主要是通過風壓或熱壓的作用，將室外空氣引入室內并在形成流動[1]，所以影響建筑室內自然通風的形成及其通風效果的因素主要有建筑物外部風壓、建筑物內外熱壓差以及建筑物內外門窗開孔的位置、大小和形式等[2]。通過對眾多研究成果的總結，本文采用數值模擬法中的計算流體動力學，針對影響室內自然通風的主要因素之一——窗口，進行對室內風環境影響的模擬分析，根據控制變量法分別對外窗洞口開孔的位置、大小、形式這三個因素進行分析研究。
1模擬分析
1.1軟件簡介
針對本文的研究目的和研究邏輯，本文中的模擬運用了流體通用軟件中的PHOENICS軟件，并選用其眾多模塊中的FLAIR模塊。
1.2模型介紹
本文中研究對象為一個單體房間，設置其進深為6m，開間為3.6m，層高為3m，房間朝向為正南北，并有一窗一門。通過將窗口的大小、形狀和相對位置這三個因素中兩個因素設置為定量，剩余一個因素作為變量，進行模擬并分析這三種因素在現實情況中對室內風環境的影響。模擬對象房間的門窗洞的大小、形狀和相對位置這三種因素是按照《建筑門窗洞口尺寸系列》GB/T5824-2008進行選取并設置的。
1.3工況設置
本文首先確定門的寬度為0.9m，高度為2.1m，其位置固定位于房間的一角，窗臺高度統一為0.9m。本文采用用控制變量法來研究窗對室內風環境的影響，通過對模擬對象房間的外窗洞口開孔的尺寸、形狀以及與室內門的相對位置，這三種影響因素的設定來設置模擬工況。并在不同的工況下，設定兩個不變因素和一個變量因素。根據控制變量法分析原則，此次模擬分析的工況分為以下幾種：（1）窗口的大小作為變量，窗口的形狀為正方形，開窗位置為等分于墻，選擇窗的尺寸分別為1.2m×1.2m，1.5m×1.5m，1.8m×1.8m；（2）窗口大小固定為2.4m2，開窗位置為等分于墻，選擇窗的尺寸分別為1.2m×2m，1.6m×1.5m，2m×1.2m；（3）窗口大小固定為2.4m2，選擇窗的尺寸為1.2m×2m，設置門窗的相對位置分別為完全直接對流、非完全直接對流和非直接對流。各工況如表1所示。本文模擬中的9種工況設置的邊界條件為：本文中的模擬使用室內外風壓差作為自然通風的來源，設置各工況室內外風壓差均為3.0Pa，其中靠窗側外墻表面風壓為2.0Pa，靠門側外墻表面風壓為-1.0Pa。模擬過程中，每個工況均在房間幾何中心位置模布置測點，以便收集各工況最后的模擬結果數據，并進行對比分析。
1.4數值模擬與分析
本文中室內自然通風狀況以空氣齡作為評價指標，空氣齡是指空氣在室內某點處所停留的時間，能夠反映室內空氣的新鮮程度，是評價室內空氣品質的重要指標。本次模擬中所得出的結果平面圖均截取的0.8m工作面高度。根據模擬整理所得的具體數據如表2所示。
（1）窗口大小對室內風環境影響模擬分析在工況1即外窗洞口開孔尺寸為1.2m×1.2m時，模擬對象房間室內各部分區域風速分布較為均勻，未出現無風區，在外窗與門相連的直線范圍內，風速較房間其他區域更大。在工況2即外窗洞口開孔尺寸為1.5m×1.5m時，模擬對象房間室內各部分區域風速分布較為均勻，未出現無風區，在外窗與門相連的直線范圍內，風速較房間其他區域更大。在工況3即外窗洞口開孔尺寸為1.2m×1.2m時，模擬對象房間室內各部分區域風速分布較為均勻，未出現無風區，在外窗與門相連的直線范圍內，風速較房間其他區域更大。通過對以上三個工況模擬結果數據的對比分析，當控制窗口形狀和門窗相對位置這兩個影響因素為不變量時，隨著開窗洞口尺寸的增大，室內大部分區域風速也隨之增加，空氣齡也會相應減小。說明房間室內空氣停留時間隨著開窗洞口面積增大而縮短，換氣次數增加，室內得到的新風量就會增加。
（2）窗口形狀對室內風環境影響模擬分析在工況4即外窗洞口開孔尺寸為1.2m×2m時，模擬對象房間室內各部分區域風速分布較為均勻，未出現無風區，在外窗與門相連的直線范圍內，風速較房間其他區域更大。在工況5即外窗洞口開孔尺寸為1.6m×1.5m時，模擬對象房間室內各部分區域風速分布較為均勻，未出現無風區，在外窗與門相連的直線范圍內，風速較房間其他區域更大。在工況6即外窗洞口開孔尺寸為2m×1.2m時，模擬對象房間室內各部分區域風速分布較為均勻，未出現無風區，在外窗與門相連的直線范圍內，風速較房間其他區域更大。通過對以上三個工況模擬結果數據的對比分析，當控制外窗洞口開孔大小和門窗相對位置這兩個影響因素為不變量時，隨著開窗洞口寬高比的增大，室內大部分區域風速也隨之增加，空氣齡也會相應減小，并且室內風速分布也更加均勻。說明房間室內空氣滯留時間隨著開窗洞口寬高比的增大而縮短，換氣次數增加，室內得到的新風量就會增加。
（3）開窗位置對室內風環境影響模擬分析在工況7即開窗位置為門窗完全直接對流時，模擬對象房間室內各部分區域風速分布較為均勻，未出現無風區，在外窗與門相連的直線范圍內，風速較房間其他區域更大。在工況8即開窗位置為門窗非完全直接對流時，模擬對象房間室內各部分區域風速分布較為均勻，未出現無風區，在外窗與門相連的直線范圍內，風速較房間其他區域更大。在工況9即開窗位置為門窗非直接對流時，模擬對象房間室內各部分區域風速分布較為均勻，未出現無風區，在外窗與門相連的直線范圍內，風速較房間其他區域更大。
2結論
（1）通過對不同尺寸窗口的室內風環境的模擬得出：隨著開窗洞口面積的增大，室內大部分區域風速也隨之增加，空氣齡也會相應減小。說明房間室內空氣滯留時間隨著開窗洞口面積增大而縮短，換氣次數增加，室內得到的新風量就會增加，室內環境越好。
（2）通過對不同形狀窗口的室內風環境的模擬得出：隨著開窗洞口寬高比的增大，室內大部分區域風速也隨之增加，空氣齡也會相應減小，并且室內風速分布也更加均勻。說明房間室內空氣滯留時間隨著開窗洞口寬高比的增大而縮短，換氣次數增加，室內得到的新風量就會增加。
（3）通過對不同窗口與室內門相對位置的室內風環境的模擬得出：當房間窗和門完全直接對流時，房間風速較大處集中在門直接窗相對區域；當采取非完全直接對流時，室內風場均勻，舒適性較好；當采取非直接對流時，房間易形成渦流區，也不利于房間舒適性。
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