新型自動捕風排風裝置排風口性能優化

摘 要：基于自然通風原理，對所研制的自動捕風排風裝置的通風性能進行了優化分析.通過數值模擬和實驗研究，重點分析了排風口幾何形狀與其表面自然通風風壓系數的關系，以及提高其排風性能的關鍵參數.研究結果表明，圓錐形漸擴口的綜合排風性能為最佳，較無漸擴口的排風口可提高排風量14.3%；所研制的自動捕風排風裝置在北京地區冬季典型天利用自然通風即可使房間獲得8次/h的換氣次數，節能效果顯著.

關鍵詞：自動捕風排風裝置；自然通風；排風口性能優化；模擬；實驗



中圖分類號：TU834.1 文獻標識碼：A

Performance Optimization of Exhaust Grill 

for an Automatic Wind Catcher

CHEN Chao，HUO Liao-ran，LI Zhi-yong，LI Zhen-zhen

(College of Architecture and Civil Engineering， Beijing Univ of Technology， Beijing 100124， China)

Abstract:Based on the natural ventilation theory， the ventilation performance optimization of a new automatic wind catcher was proposed. Numerical simulation and experiment were carried out to study the relationship between the shape of exhaust grill and the wind pressure coefficient on its surface. In addition， the key parameters which enhanced the exhaust performance were proposed. The result has shown that the form with the best exhaust performance is the conical increaser. Compared with the wind catcher with no increaser， the exhaust rate of the conical increaser has improved by 14.3%. Furthermore， the wind catcher can achieve an air change rate of 8 times per hour in the typical weather of the winter in Beijing， which has a remarkable energy-saving effect.

Key words:wind catcher; natural ventilation; optimization of the exhaust grill; simulation； experiment



為室內人員提供良好的居住與工作環境，潔凈的室內空氣是必不可少的.自然通風依靠風壓或熱壓為動力，實現建筑自然通風換氣，是對構筑綠色建筑、實現低碳節能的最好詮釋.

風壓是自然通風動力源之一，關于自然通風理論的應用研究，國內外學者開展了大量相關研究工作.Elmualim等［1-2］通過風洞實驗的方法，得出了一種方形捕風裝置在自然風作用下周圍風壓系數分布情況，結果表明，該裝置的通風性能主要受室外風速和風向的影響.Hughes等［3］通過數值模擬的方法，對一種被動式通風裝置的通風特性進行了研究，結果表明，在設計自然通風裝置時，要注意裝置的應用地區及安裝位置；不同的外部條件環境，將影響裝置的運行效率.郭春信［4］運用風洞實驗的方法對各種風帽進行了優化研究，提出劃分進風型風帽和排風型風帽的重要性，并提出應使風壓和熱壓的作用方向始終保持一致，以達到強化自然通風的目的.劉莉［5］通過數值模擬的方法，對一種四隔斷捕風系統送排風口基于室外風速、風向變化條件下的壓力分布情況進行了分析，并通過實驗方法驗證了數值模擬方法的有效性.

本文在他人關于自動捕風排風裝置研究的基礎上［6-8］，重點研究排風口幾何形狀對其周圍風壓系數的影響規律；根據通風工程理論以及計算流體力學方法，提出所研制的自動捕風排風裝置排風性能最優的設計條件；并進一步結合實驗研究方法，對所提出的設計參數進行驗證，以期為該自動捕風排風裝置的實際工程應用提供參考.

湖南大學學報(自然科學版)2011年

第11期陳 超等：新型自動捕風排風裝置排風口性能優化

1 自然通風與風壓系數

根據自然通風原理可知，當室外風流吹向建筑時，通常將在建筑物的迎風表面形成正壓區、建筑物的背面形成負壓區.而根據建筑物外形（屋面）構造的不同，在建筑物迎風面產生的繞流有可能在建筑物的側面、屋面形成負（或正）壓區.這種由于室外空氣流動而在建筑物表面所形成的風壓Δpf可表示如下：

Δpf=Kv2w2ρw. (1)

式中：K為風壓系數；vw為室外空氣流速，m/s；ρw為室外空氣密度，kg/m3.

由式（1）可知，當室外空氣流速一定，影響風壓Δpf大小的關鍵參數即是風壓系數K.該風壓系數K與建筑物的外部形狀、建筑物與來流風向的夾角、以及周圍建筑物布局等因素有關［3］.

本文提出的自動捕風排風裝置正是基于上述自然通風原理進行研究.無論來流風向如何，自動捕風排風裝置總是可以利用來流風在其導風板上產生的推動力矩，使裝置的排風口快速朝向來流風的背風面，此處由于裝置自身遮擋形成負壓區，利用房間與該負壓區之間的壓力之差，將室內污濁空氣引出并排至室外（圖1）.



根據上述通風原理，通常可將自動捕風排風裝置安裝在建筑物的屋頂層，以確保排風系統不受風向變化的影響.另外，如前所述，考慮到受建筑屋面外形結構的影響，在建筑物迎風面產生的繞流有可能在建筑物屋面形成正壓區，對自動捕風排風裝置的排風性能產生影響.為此，本研究將重點以平屋面為考察對象，研究自動捕風排風裝置的通風特性.

圖2為某高校一外形為長方形、高度為10 m的二層樓建筑物的風壓分布計算結果.計算結果表明，屋面上方受上述繞流的影響較小，多為微負壓分布.為此，在下述研究過程中，認為室外主流風是影響自動捕風排風裝置通風性能的主要外部因素.

考慮到自動捕風排風裝置具有快速搜索到主流風向、并使其排風口始終背向主流風向的特點，式（1）中風壓系數主要受主流風繞自動捕風排風裝置排風口自身形狀的影響［1］.為此，第2節將借助CFD模擬的方法，重點研究自動捕風排風裝置排風口形狀對風壓系數的影響.

2 自動捕風排風裝置排風口幾何形狀對風

壓系數的影響

2.1 排風口及其物理模型

本文選取自動捕風排風裝置為研究對象，根據自動捕風排風裝置的形狀、尺寸及排風性能的需要，在其周圍建立了足夠大的六面體計算區域［9］（圖3）.根據常見通風風口的空氣流動特性，本研究將以4種形狀排風口為分析對象，即無漸擴口、內圓弧形漸擴口、圓錐形漸擴口、拋物線形漸擴口（圖4）；利用數值模擬軟件Fluent重點分析排風口形狀、高度H和直徑D（圖5）等因素對排風口周圍風壓系數的影響.

2.2 數學模型及邊界條件

2.2.1 數學模型

在不考慮室內外溫差，且通風過程中不存在質交換的假定條件下，建立關于風壓作用下的自動捕風排風裝置外部區域空氣流動通用控制方程（2）.根據流體力學以及計算流體力學理論，此時只需求解連續性方程與動量方程，并通過標準k-ε模型建立封閉的控制方程組［10］ ：

ρφt+div(ρ u φ)=div(Γφgradφ)+Sφ. （2）

式中:φ為通用變量，表示u，v，w， k，ε等求解變量; ρ為密度；u為速度矢量;Γφ為廣義擴散系數；Sφ為廣義源項.

2.2.2 邊界條件及網格劃分

將計算區域的來流斷面設置為均勻速度入口（velocity inlet），按照實際工況設置速度值，模擬室外風環境.本研究中的自動捕風排風裝置可以自動捕捉到來流風向［6］，故本研究設定其排風口正對室外來流風的背風負壓區，即與來流風向成180°夾角，計算區域背風斷面設定為壓力出口（pressure outlet），壓力值為大氣壓.計算區域其他斷面速度梯度為零，設置為對稱面（symmetry）.自動捕風排風裝置排風口處設置為內面（interior）；另一開口為壓力出口（pressure inlet），壓力值設置為大氣壓；排風管壁為無滑移壁面（wall）.網格劃分采用非結構性網格，自動捕風排風裝置及其周圍區域局部加密，網格無關性解的網格數為232 632個.

2.3 基本計算條件

以圖4中確定的4種形式的排風口作為模擬分析對象，按2種計算模式，即，排風管管徑d0一定（d0=150 mm）的條件下，考察當漸擴口高度一定（H=50 mm）（Mode1），漸擴口出口直徑D一定（D=300 mm）（Mode2），在不同室外來流風速條件下，ε(D/H)變化對不同形狀排風口出口處風壓系數的影響規律.基本計算條件如表1所示.

2.4 計算結果分析

2.4.1 排風口幾何形狀的影響(mode1)

各排風口斷面處平均風壓系數如表2所示.由平均風壓系數可知，拋物線形漸擴口對增強排風口處的風壓系數效果最明顯，圓錐形漸擴口次之，內圓弧漸擴口較差，無漸擴口的最不理想.

根據表2計算結果，綜合考慮自動捕風排風裝置的通風性能與經濟性，本研究認為圓錐形漸擴口的綜合性能最好，后續研究將以圓錐形漸擴口的排風口作為重點研究對象.

2.4.2 比值ε(D/H)的影響(mode1)

對于圓錐形漸擴口式排風口，如圖6所示，mode1工況條件下，隨著ε的增加，對應5種不同來流風速變化條件，均有排風量不斷增加的趨勢.但當ε≥6以后，這種趨勢基本停滯，甚至出現下降的趨勢.據此結果，可知當H=50 mm時，ε=6的圓錐形漸擴口排風口通風性能最佳.

ε

圖6 來流風速對圓錐形漸擴口排風量影響

Fig.6 Net flow under each speed of conical increaser

2.4.3 漸擴口高度H的確定(mode2)

根據mode2的計算結果整理為表3.計算結果表明，漸擴口高度的增加，對提高排風口排風量的貢獻有限.因此，可認為H=50 mm為圓錐形漸擴口的最佳設計參數.

3 排風口性能實驗與性能預評價

3.1 實驗概況

本研究以北京地區的風環境為實驗條件，重點對無漸擴口的自動捕風排風裝置的排風性能進行了比較實驗研究.圖7為所建立的自動捕風排風系統通風性能實驗臺構造示意圖.自動捕風排風裝置安裝在某高校的建筑外形為長方形教學實驗樓二層樓平屋頂，排風管道豎向高度約10 m，斷面尺寸0.2 m×0.3 m；自動捕風排風裝置利用室外風壓無動力地將室內的污濁空氣通過管道系統排至室外；實驗于2010年1月及3月進行.北京地區風力資源豐富，年平均風1.8～3 m/s；實驗期間為北京地區冬季采暖季節，自動捕風排風裝置實際處在風壓與熱壓共同作用的環境條件下.

3.2 基本實驗條件

測試參數包括：室內外溫度，室外風速，自動捕風排風裝置排風口1-1斷面測點的風速等.系統各測點風速采用testo-435多功能測量儀測量，速度量程為0.0～+20.0 m/s，分辨率0.01 m/s；溫度量程為-20～+70 ℃，精度為±0.3 ℃；室內溫度測量采用銅康銅熱電偶，精度為0.5 ℃；室外風速與溫度采用錦州陽光氣象站測量，測量間隔為2 min.

3.3 風壓與熱壓共同作用下的排風性能

實驗期間，自動捕風排風裝置處于風壓與熱壓共同作用的環境條件下.根據通風工程理論，可建立1-1斷面與2-2斷面的伯努利方程：

P′1+ρngZ1+ρnv212+Kρwv2w2=

P′2+ρngZ2+ρnv222+Pl1－2. (3)

式中:P′1，P′2分別為1-1和2-2斷面處的大氣絕對壓力，Pa；ρn和ρw分別為管內外氣體密度，kg/m3；v1和v2分別為1-1和2-2斷面處風速，m/s；vw為室外風速，m/s；K為風壓系數；Z1和Z2分別為1-1和2-2斷面高度，m；Pl1-2為1-1和2-2斷面間的壓強損失，Pa.

進一步可將式(3)整理變形為：

g(ρw-ρn)(Z2-Z1)+Kρwv2w2=

λldρnv2n2+ζρnv2n2.(4)

式中：λ為沿程阻力系數；ζ為局部阻力系數；d為管徑，m；l為1-1與2-2間高差，m；vn為管內流速，vn=v1=v2，m/s.

根據式（4），即可得到處于風壓與熱壓共同作用環境條件下的自動捕風排風裝置的排風風速：

vn=g(ρw－ρn)(Z2－Z1)+Kρwv2w2λldρn2+ζρn2. (5)

由式（5）可知，若已知室內外空氣密度，室外風速，管道豎向高度及管道沿程、局部阻力等參數，即可利用式(5)得到實驗條件下該裝置的排風風速.

3.4 實驗結果比較分析

圖8為2010年1月27日自動捕風排風裝置性能實測結果以及根據式（5）的計算結果.由圖可見，在風壓和熱壓共同作用下，排風風速的實測值隨室外風速、室內外溫差變化而波動.另外，考慮到自動捕風排風裝置工作區域受在建筑物迎風面產生的繞流的影響較小，計算結果按風壓系數K值為-0.70（根據表2無漸擴口的計算結果）取值并根據式(5)計算而得.從圖中可以看出，實驗值與計算值的整體分布趨勢有較高吻合性.雖然實驗值較計算值的逐時波動幅度整體要大，但日平均排風速度的實測值（1.44 m/s）與計算值（1.32 m/s）比較接近，誤差為8.3%；并且2010年1月和3月的日平均排風風速實測值與計算值的最大誤差為19.5%.

時刻

圖9為2010年1月及3月實驗期間實測值與計算值誤差分析.由圖可見，當室外來流風速為0.5～4.5 m/s時，實測值與計算值的誤差基本控制在±20%以內；當室外風速低于1 m/s時的誤差值相對大，最大達到-40%，實測值小于計算值，此誤差可認為是儀器測量誤差造成，即風速低于1 m/s時，儀器在測量數據時的波動較大，導致誤差增大.考慮到本自動捕風排風裝置的最小啟動風速在0.5 m/s，風速高于1.5 m/s時可迅速捕捉到來自任何方向的來流主導風［7］，該誤差范圍不在本裝置的主流工作區，因此不會影響對該裝置整體性能的評價.

實測速度值/（m#8226;s-1)

3.5 圓錐形漸擴排風口通風性能預測

根據式（5）并結合第2節的數值計算結果，可對圓錐形漸擴排風口的排風性能進行預測分析.將風壓系數取拋物線型漸擴口的模擬值K=-1.08代入計算，即可預測在相同天氣條件下，自動捕風排風裝置排風口經優化后(從圖4（a)變為圖4（c))，所能形成的排風量.經計算，K值增大后，的確增大了系統的排風風速，尤其在室外風速較大的天氣，效果更為明顯.以2010年1月20日為例，基本條件及結果如表4所示.

由此可驗證，對于自動捕風排風裝置排風口形狀優化的討論是必要的，并且在優化漸擴口形式后，對增加自然通風動力下的排風量也是很可觀的.2010年1月20日，在排風口未優化的條件下，通過自動捕風排風裝置及其通風系統累積所能形成的排風量為384 m3/h，可為3 m×5 m×3 m（高）的房間提供約8次/h的換氣次數，節能效果明顯.經優化后為438 m/h3，換氣次數可達約10次/h，效果更優.因此，在以后的系統建立中，將制作更優形式的自動捕風排風裝置，以期在相同室外條件下，獲得更大的系統排風量.

4 結 論

1) 2010年1月及3月的實驗結果表明:北京地區典型天氣條件下，利用無漸擴口自動捕風排風裝置可為3 m×5 m×3 m（高）的房間提供約8次/h的排風量，所研制的自動捕風排風裝置具有較好的自然排風性能.

2) 利用數值模擬的方法，對無漸擴口、內圓弧形漸擴口、圓錐形漸擴口、拋物線形漸擴口等4種排風口形狀對其周圍風壓系數分布的影響進行分析.研究結果表明，圓錐形漸擴口的綜合性能最佳，且最佳的幾何形狀尺寸為：漸擴口高度H=50 mm，漸擴口高度與出風口直徑之比ε=6.

3) 基于通風工程理論，并結合實驗和模擬結果分析表明，圓錐形漸擴口自動捕風排風裝置的排風性能較無漸擴口的排風性能更優，其排風量可增加至14.3%，換氣次數可達約10次/h.

4) 本研究重點分析了自動捕風排風裝置應用于建筑外形為長方形的平屋面建筑的通風特性，后續研究將進一步討論不同建筑外形結構包括屋面結構，在建筑物迎風面產生的繞流對安裝在屋面的自動捕風排風裝置通風性能的影響規律.

參考文獻

［1］ ELMUALIM A A. Effect of damper and heat source on wind catcher natural ventilation performance［J］. Energy and Buildings， 2006， 38(8): 939-948. 

［2］ AWBI H B， ELMUALIM A A. Full scale model windcatcher performance evaluation using a wind tunnel ［C］//Proceedings of the World Renewable Energy Congress VII.Cologne， Germany， 2002.

［3］ HUGHES B R， ABDUL-GHANI S A A. Investigation of a windvent passive ventilation device against current fresh air supply recommendations ［J］. Energy and Buildings， 2008， 40:1651-1659.

［4］ 郭春信. 風帽的合理設計可強化地下空間的自然通風［J］.地下空間，1994，14(1): 33-37.

GUO Chun-xin. Improvement of natural ventilation in underground space by rational design of blast cap ［J］.Underground Space， 1994，14(1): 33-37. (In Chinese)

［5］ 劉莉. 捕風系統通風性能的數值模擬研究［D］. 天津：天津大學環境學院，2006: 39-46.

LIU Li. Full scale assessment of performance of windcatcher system using numerical methods ［D］. Tianjin: School of Environment Science and Technology， Tianjin University， 2006: 39-46. (In Chinese)

［6］ 陳超，李志遠，霍廖然. 一種新型自動捕風通風裝置性能的實驗研究［J］.暖通空調，2009， 39(10):85-89.

CHEN Chao， LI Zhi-yuan， HUO Liao-ran. Experimental research of an air catcher's performance［J］. Heating Ventilation and Air Conditioning， 2009， 39(10):85-89. (In Chinese)

［7］ LI Zhi-yuan， CHEN Chao， HUO Liao-ran. Numerical simulation and experimental study of a new type of automatic wind catcher［C］//6th International Symposium on HVAC.Nanjing:Jiangsu Association of Refrigeration， 2009: 1307-1314.

［8］ 霍廖然，陳超，薛亞寧，等. 一種自動捕風裝置排風特性的實驗研究［C］//全國暖通空調制冷2010年學術論文集.杭州：中國建筑學會暖通空調專業委員會，中國制冷學會空調熱泵專業委員會，2010: 55.

HUO Liao-ran， CHEN Chao， XUE Ya-ning， et al. The experimental study of an automatic wind catcher ［C］//HVAC R.Hangzhou:HVAC Sub-Institute of the Architectural Society of China and Air Conditioning and Heat Pump of the Chinese Association of Refrigeration， 2010: 55. (In Chinese)

［9］ 李宏軍，李曉峰，朱穎心. 高大空間風壓通風簡化模擬方法研究［C］//全國暖通空調制冷2004年學術文集.杭州：中國建筑學會暖通空調專業委員會，中國制冷學會空調熱泵專業委員會，2004:71-75.

LI Hong-jun， LI Xiao-feng， ZHU Ying-xin. The simulation study of large space ventilation by wind pressure［C］//HVAC R.Hangzhou:HVAC Sub-Institute of the Architectural Society of China and Air Conditioning and Heat Pump of the Chinese Association of Refrigeration， 2004:71-75. (In Chinese)

［10］陶文銓. 數值傳熱學［M］.西安:西安交通大學出版社，2001：4-10.

TAO Wen-quan. Numerical heat transfer［M］. Xi'an: Xi'an Jiaotong University Press，2001:4-10. (In Chinese)