1. 引言
能源与环境问题已成为当今经济发展中的重大制约因素，尤其是在建筑领域，能耗占比显著。中国建筑能耗占全社会总能耗的约三分之一，其中采暖和制冷能耗占据主导，高达65%。与发达国家相比，我国每平方米建筑的采暖能耗几乎是其三倍[1]，凸显了建筑节能的紧迫性。采暖空调系统的节能工作已上升为国家能源战略的关键一环[2]，为实现建筑节能目标，技术革新和自然资源利用是关键。其中，室内自然通风的有效利用成为重要举措之一。
国外自21世纪起，就广泛开展了室内风环境研究。例如，Wong Nyuk Hien通过CFD软件模拟湿热气候地区住宅的室内风环境，探讨了建筑材料和采光窗朝向的影响[3]。近年来，Huai-Yu Zhong等人还研究了建筑开间与进深比对背风面房间自然通风量的影响[4]，而Senwen Yang等人则专注于建筑入口空气幕墙对室内风环境的影响[5]。国内对室内风环境的研究虽起步较晚，但近年来发展迅速。赵伟利用FLUENT软件模拟了昆明市高原山地地区典型建筑的风环境，为优化室内风环境提供了设计建议[6]。詹学渊通过CFD方法模拟了厦门地区外开平开窗的改进模型[7]，张晓云则采用Airpak软件模拟空间气流路径，并与实际调研结果进行对比[8]。
当前，国内外在室内风环境研究上主要聚焦于建筑形状、朝向和布局的优化，通风设施的增加，以及室内自然通风技术的深入研究。这些研究不仅有助于减少空调使用、降低建筑能耗，还能提高室内舒适度，对缓解能源紧张、提升居民生活质量和推动可持续发展具有深远意义。
2. 基地概况
2.1. 地理位置及气候环境
项目总占地943.82亩，位于宜春市袁山西路和环城西路(320国道)交汇处，沿环城西路西北侧有两块已建成的居住用地；沿环城西路东南侧项目用地由一块面积为558.33亩的居住用地和一块面积为297.1亩的养老地产用地组成，“智序·康养”居住区规划设计就位于该地块中心区100~150亩，地块中现有城市规划道路将地块进行了分隔，地块中有月亮湖水面。
江西省宜春市的风环境特征主要表现为风向多变、风速适中、季节变化明显等特点。其地处亚热带季风气候区，夏季温暖湿润，带来丰富的降雨和舒适的气候；冬季则多西北风，寒冷干燥，为城市带来清新的空气。风力在不同季节和天气条件下变化较大，阵风天气常见，这使得宜春市的气候多变而富有活力。
2.2. 居住区现状
1) 总体规划布局
Figure 1. Master plan
图1. 总平面图
“智序·康养”居住区以月亮湖为中心，呈辐射状向外扩散排列，月亮湖作为居住区的核心，为居民提供了一个宁静而美丽的休闲场所，营造了一种舒适、宜人的居住环境。而居住区内的建筑则围绕月亮湖呈辐射状排列，总体呈西北高，东南低的走势，既保证了每栋建筑都能享受到湖景的优美，又使得整个居住区的空间布局显得开阔而有序(见图1)。
2) 住宅建筑户型
“智序·康养”居住区房型、面积、以及所占比例如下表所示(见表1)。由表可见，四种户型中三房两卫类型占比40%，是占比最多的一种，符合该设计以老年人居住为主的生活社区设计定位，三房两卫的户型通常能满足多种人群的居住需求，是比较典型的居住区户型。两房一卫的户型具有实用性和经济性，足够满足居住需求。两房两卫的户型则在两房一卫的基础上增加了舒适性和便捷性，因此受到更多人的青睐。四房两卫的设计通常意味着房子有较大的居住空间，适合家庭成员较多的情况。
Table 1. The type, size, and proportion of the living area
表1. 居住区房型、面积、以及所占比例
产品类型 |
房型 |
面积段(m2) |
套型比 |
住宅 |
两房一卫 |
70 |
20% |
两房二卫 |
90 |
20% |
三房两卫 |
120 |
40% |
四房两卫 |
140 |
40% |
3. 风环境模拟分析
3.1. 自然通风基本理论
自然通风是重要的绿色建筑被动式设计策略，对于节能减排、提高建筑环境舒适度和改善室内空气品质等方面具有至关重要的作用[9]。自然通风可分为三种类型：
1) 风压作用下的自然通风：当风吹向建筑时，会在建筑的迎风面产生正压力，同时气流绕过建筑的各个侧面及背面，在相应位置产生负压力。这种压力差促使空气流通，实现自然通风[10]。
2) 热压作用下的自然通风：热压是室内外空气的温度差引起的。由于温度差的存在，室内外密度差产生，沿着建筑物墙面的垂直方向出现压力梯度。如果室内温度高于室外，建筑物的上部将会有较高的压力，而下部存在较低的压力。当这些位置存在孔口时，空气通过较低的开口进入，从上部流出[11]。
3) 风压和热压共同作用：在实际建筑中的自然通风，是风压和热压共同作用的结果。两种作用有时相互加强，有时相互抵消。
计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，简称CFD)是近代流体力学、数值数学和计算机科学结合的产物。将其运用在绿色建筑设计领域，能够为更精确地预测设计方案的建筑风环境提供依据，建筑师结合建筑技术科学的相关，知识与模拟的结果进行分析，进而多方案比选和优化建筑设计方案，为建筑风环境的优化设计提供思路[12]。
3.2. 室外风环境模拟
在建筑设计中，对建筑物体型和布局的仿真分析是一项至关重要的工作，对于提升居住区的风环境质量和居住舒适度具有重要意义。通过采用先进的计算机数值模拟(CFD)技术，通过斯维尔建筑通风VENT2024软件建立高度逼真的三维模型，并设定精确的边界条件和初始条件，以模拟风在建筑群中的流动情况(见图2)。
Figure 2. Simulation of outdoor wind environment
图2. 室外风环境模拟
3.3. 室内风环境模拟
1) 居住区研究户型选取
在“智序·康养”居住区的多种户型设计中，三房两卫的户型因其功能性、实用性和居住舒适性等特点而显得更为典型和受欢迎。这种户型设计充分考虑了居住者的实际需求，不仅提供了足够的居住空间，还通过合理的布局和规划，确保了居住环境的舒适性和便捷性。因此，在深入研究和探讨“智序·康养”居住区的居住环境和居住体验时，选取这种具有代表性的户型作为研究对象，以期通过详细的分析和评估，为未来的居住区设计和规划提供有益的参考和借鉴(见图3)。
Figure 3. Residential area study house type
图3. 居住区研究户型
2) 户型前后立面风压值模拟及评价
通过室外风环境模拟，可以得到窗洞口风压值情况如表1。A户型主要气流入口为北向两个房间，在夏季主导风向西北风向、平均风速3.0 m/s的作用下W5、W6窗洞口风压值较大，夏季和过渡季首层立面风压北侧的W5、W6受到较强的风压，与南侧窗洞口的风压差值控制在2.0 Pa左右，中间层控制在1.9 Pa左右，顶层控制在2.0 Pa左右，均可以获得较好的室内自然通风；冬季相较于夏季和过渡季平均风速更大，为3.5 m/s，建筑立面风压差值均控制在2.3 Pa左右，室内通风情况较好(见表2)。
Table 2. Wind pressure values on the front and rear facades of the house
表2. 户型前后立面风压值
季节 |
楼层 |
W1 |
W2 |
W3 |
W4 |
W5 |
W6 |
夏季 |
1F |
−1.25 |
−1.47 |
−0.43 |
0 |
0.80 |
0.98 |
5F |
−1.25 |
−1.11 |
−1.10 |
0 |
0.65 |
0.50 |
11F |
−1.25 |
−1.47 |
−1.10 |
0 |
0.77 |
0.93 |
过渡季 |
1F |
−1.26 |
−1.48 |
−0.41 |
0 |
0.81 |
0.99 |
5F |
−1.25 |
−1.12 |
−1.11 |
0 |
0.66 |
0.52 |
11F |
−1.26 |
−1.48 |
−1.11 |
0 |
0.79 |
0.9 |
冬季 |
1F |
−1.73 |
−2.02 |
−0.62 |
0 |
1.05 |
1.29 |
5F |
−1.72 |
−1.54 |
−1.53 |
0 |
0.83 |
0.63 |
11F |
−1.73 |
−2.02 |
−1.53 |
0 |
0.98 |
1.24 |
3) 室内风环境模拟
经过对室外风环境进行精确模拟，获取了前后立面窗洞口的风压值数据。基于这些数据，进一步对A类户型的首层、中间层及顶层进行了全年室内风环境的模拟分析。A户型设计合理，卧室和起居室朝南，南侧依次为主卧、起居室和次卧，阳台与起居室相连。北侧依次为次卧、卫生间、餐厅和厨房，阳台与餐厅相连。模拟时，门洞全开，以反映真实空气流通情况。考虑到窗洞口高度和推拉窗设计，模拟中每个窗洞口开启宽度设为1/3个窗洞口宽度，宽度在0.3 m至1.8 m间变化，高度统一为1.5 m。模拟还设置了1.2 m高的室内风环境监测点，以反映居住者真实的风环境体验。
通过对A类户型的首层、中间层及顶层进行了全年室内风环境的模拟分析，得到室内速度云图、速度矢量图以及空气龄云图(见图4)。由于全年最大风向没有明显变化，仅风速略有不同，所以最终呈现效果不尽相同，故选取夏季作为代表进行具体分析，如图。夏季主导风向为西北风，户型进风口为北侧窗口，其中包括卫生间和厨房窗洞口，经由南侧阳台和主卧窗洞口出风，此时厨房位于室内通风路径的上风向，通风流线组织不太合理，可能导致室内其他房间的气味易受到烹饪过程中产生的油烟影响。四季室内最大风速出现在厨房窗洞口处，最大风速为0.8 m/s，且厨房大部分区域保持在0.4 m/s以上的风速，室内其他房间大部分区域保持在0.3 m/s以上，室内总体通风效果较好，但北侧次卧大部分的区域不超过0.35 m/s，室内通风情况有待提高。另外，主卧卫生间在首层通风情况较差且出现空气龄较高的情况，大部分区域空气龄在400 s以上，此时空气流通能力、室内自然通风换气能力弱。
Figure 4. Year-round indoor wind environment simulation on the ground floor, middle floor and top floor
图4. 首层、中间层及顶层全年室内风环境模拟
4. 室内风环境优化
4.1. 室内风环境优化策略
1) 建筑平面通风优化设计
① 优化布局：为减少建筑间的相互遮挡，可以考虑错列式或斜列式布局，这样有助于形成通道，让自然风更顺畅地流动。根据当地的主导风向，合理设计建筑的朝向，确保主要居住空间或工作区域能够最大化地利用自然通风。
② 优化窗户和通风口：选择适当的窗户类型，如平开窗、推拉窗等，并将其设置在有利于通风的位置，如迎风面或两侧。根据房间的大小和通风需求，合理设计通风口的尺寸和数量。居住空间能自然通风时，通风开口面积不小于5%。
③ 利用地形和环境因素：如果建筑周围有高地或绿地，可以利用它们来引导自然风，增强通风效果。利用周围的水体和植被来调节气温和湿度，为建筑创造更舒适的通风环境。
2) 通风方式优化设计
① 自然通风的利用：自然通风通过内外空气的密度差引起的热压差或风力造成的风压差，促使空气流动通风换气。这种通风方式具有改善舒适性、提高室内空气品质和节能的优点，体现了可持续发展理念。考虑建筑的朝向、开口位置和大小、内部空间布局等因素，以最大限度地利用自然通风。
② 机械通风的辅助：当自然通风无法满足需求时，机械通风可以作为有效的补充。利用风机旋转产生的空气流动，如空气净化器、新风系统等，可在不开窗情况下进行通风换气。机械通风系统应合理设计，确保空气流动有效性和节能性。
③ 混合通风的结合：结合自然通风和机械通风的混合通风策略，可以根据室内外环境和需求进行灵活调节。这种策略能够确保在不同条件下都能保持良好的室内风环境。
4.2. 优化前后室内风环境对比分析
A类户型的室内风环境主要有三个问题，第一个问题是次卧的窗洞口由于其设置方向的不合理而产生次卧通风效率低下、通风路径略显不合理的问题；第二个是因卫生间可供通风的窗洞口较小，卫生间的自然通风能力明显较弱；第三个问题是厨房位于上风向，可能会对室内造成一定的影响。
A类户型室内通风路径不合理的问题源自次卧的窗户位于西侧，由于路径的问题和门窗距离过小，导致无法在次卧内形成完整的通风路径。为解决这个问题最直接的方法是改变次卧的窗洞口位置，由西侧的墙面改至次卧北侧。主卧卫生间通风较弱主要是没有可供通风的窗洞口，可以增设通风口或使用排气扇来改善。
对于厨房位于上风向可能对室内造成串味的问题，确保厨房有足够的通风口，如窗户或排气扇，以便有效地将油烟和气味排出室外；以及保持门窗的合理使用，以减少油烟和气味向其他房间的扩散。对优化后的风环境以夏季的风向、风速参数重新进行模拟，与优化前的夏季窗洞口风压值进行对比发现(见表3)。优化前的首层、中间层和顶层W4洞口门窗风压值均为0，而优化之后的首层、中间层和顶层W4洞口门窗风压值分别为0.73、0.63、0.77，满足通风要求，可以在次卧内形成完整的通风路径。
Table 3. Conclusion of energy-saving analysis
表3. 节能分析结论
季节 |
楼层 |
W1 |
W2 |
W3 |
W4 |
W5 |
W6 |
优化前 |
1F |
−1.25 |
−1.47 |
−0.43 |
0 |
0.80 |
0.98 |
5F |
−1.25 |
−1.11 |
−1.10 |
0 |
0.65 |
0.50 |
11F |
−1.25 |
−1.47 |
−1.10 |
0 |
0.77 |
0.93 |
优化后 |
1F |
−1.15 |
−1.45 |
−0.85 |
0.73 |
0.80 |
0.98 |
5F |
−1.20 |
−1.11 |
−1.10 |
0.63 |
0.65 |
0.50 |
11F |
−1.20 |
−1.47 |
−1.10 |
0.77 |
0.77 |
0.93 |
对优化后户型的室内风环境进行重新模拟与对比，优化后的次卧室内最大风速可达到0.7 m/s左右，最大风速出现在次卧窗口口附近，较优化前的次卧最大室内风速0.25/s有明显改善，室内通风效率得到有效提升。全屋的最大空气龄从800 s左右降低到400 s左右，且此时的卫生间在还未设置机械通风优化的状态下其内部的空气龄也不超过400 s，空气质量已经得到改善(见图5)。
Figure 5. Comparison of wind environment before and after optimization of static daylighting analysis of the first floor and intermediate floors
图5. 首层及中间层静态采光分析优化前后风环境对比
5. 结语
在当下这个居住需求日益多样化、技术发展日新月异的时代，人们对于居住环境的期望和追求也达到了前所未有的高度。居住环境的质量不仅关乎居住的舒适度，更与居民的健康和幸福感息息相关。因此，针对特定地域的气候环境特征，进行居住区的室内风环境模拟与优化研究，显得尤为重要。
本文以江西宜春地区的气候环境特征为背景，选取“智序·康养”居住区为研究对象，深入探讨了其室内风环境的优化策略。江西宜春地区以其四季分明、雨水充沛的气候特点，为居住区的室内风环境设计带来了独特的挑战。在研究中，我们结合当地气候数据和居民生活习惯，对“智序·康养”居住区的室内风环境进行了全面的模拟分析。通过精细化的模拟结果，我们总结出了六种优化策略：① 优化布局；② 优化窗户和通风口；③ 利用地形和环境因素；④ 自然通风的利用；⑤ 机械通风的辅助；⑥ 混合通风的结合旨在为“智序·康养”居住区及其他类似居住区的室内风环境优化设计提供参考，为居民创造更加健康、舒适的居住环境。
致 谢
我要衷心感谢我的导师李丹老师。在论文的选题、构思、撰写和修改过程中，李丹老师都给予了我悉心的指导和宝贵的建议。老师严谨的学术态度、深厚的专业知识以及无私的奉献精神，都深深地影响了我，使我受益匪浅。
在此，我再次向所有给予我帮助和支持的人表示衷心的感谢！
基金项目
湖南省哲学社会科学规划基金青年项目(21YBQ059)；2023年湖南省大学生创新创业训练计划项目(S202310534014)；湖南科技大学2023年度大学生科研创新计划项目(SRIP) (YZ2345)。