大中型商業建筑被動式過濾通風技術構想及分析

陳皓 王曉 周軍莉 洪學新

大中型商業建筑被動式過濾通風技術構想及分析

陳皓1王曉1周軍莉1洪學新2

1武漢理工大學土木工程與建筑學院
2武漢理工大學設計研究院

我國大中型商業建筑普遍存在能耗大、空氣質量差的問題。為此，提出了被動式過濾通風系統基本構想，設想利用煙囪效應，在建筑中設置拔風系統，在墻上設置空氣過濾網，為建筑提供充足的潔凈新風。其后，分析了該系統的核心問題，并利用CFD軟件對其進行了研究，理論證明了該系統的技術可行性。

商業建筑被動式通風過濾式通風CFD模擬

在我國建筑能耗中，公共建筑占有較大比重，其中商業與辦公樓建筑又占較大比重[1]。在大中型商業建筑能耗中，空調能耗比例較高，一般可達到其總能耗的50%左右[2]。目前，針對大中型商業建筑空調節能的研究，主要體現在對空調系統的改善與控制等方面；關于商業建筑的被動式過濾通風技術的研究，尚未查閱到。因此，本論文具有一定的現實與理論意義。

1 大中型商業建筑能耗與空氣質量特征

1.1能耗特征

在此，“普通大中型商業建筑”特指營業空間設有集中空調系統的、規模較大的普通商業建筑，不含對空氣質量要求更高的高檔商業建筑。一般而言，大中型商業建筑能耗可以分為空調能耗、照明系統與電梯運行能耗三大部分。以夏熱冬冷地區為例，其能耗比例一般為：48%、43%、9%左右[3]。

由于大中型商業建筑對室內空氣潔凈度、溫度、濕度都有一定要求，所以，即使在氣溫比較適宜的過渡季節，也多須開啟空調系統進行通風換氣，這是其空調能耗比例較高于一般建筑的重要原因。由此可見，如果能夠充分利用被動式通風技術，可能會大幅降低大中型商業建筑空調能耗。

1.2空氣質量特征

目前，我國大中型商業建筑營業空間換氣量往往不充分，加之人員密集、商品繁多等原因，空氣質量往往不佳，部分商場經常使人感覺新鮮空氣嚴重不足、部分區域氣味難聞，許多商場室內CO2、甲醛、PM10和TVOC等都超標[4]。如果能夠大幅提高換氣量，商場空氣舒適度、健康度都會大幅提高。

2 被動式過濾通風系統構想及其技術難點分析

2.1基本構想

針對上述問題，設想建立技術系統如下：利用煙囪效應，在普通商業建筑中設置風量可控的拔風系統（拔風管道可與建筑既有的新風管網連接）；在外墻眾多部位設置相應的空氣過濾網；在氣溫比較適宜的過渡季節（且室外空氣污染指數輕度以下、空氣濕度不高的條件下），關閉空調系統，開啟本技術系統，室外空氣經過過濾網過濾后，進入室內，為商業建筑提供充足、清潔的新鮮空氣。系統由三個子系統構成：拔風系統、風管系統和空氣過濾系統。①拔風系統：在建筑內部或外部設置眾多與風管系統相連的“拔風煙囪”；②風管系統：在吊頂內部設置眾多通風管道，根據室內空間特點，布置眾多位置不均勻的排風口；③空氣過濾系統：在外墻設置眾多的、能夠滿足商場空氣質量要求的窗式過濾網。

該技術系統基本工作原理及工作過程如下：①眾多的“拔風煙囪”開始工作，由太陽能或其它熱能對“煙囪”上部空氣進行不斷加熱，形成煙囪效應，排出室內空氣；②不同部位的室內空氣，通過分布在不同部位的眾多排風口，吸入風管系統，被充分排出；③室外空氣通過外墻上的眾多過濾網，被過濾后進入室內，被不同部位的眾多排風口所吸，使不同部位的室內空氣換氣相對充分，并降低室溫（圖1）。

圖1 技術系統工作原理示意圖（局部）

2.2難點分析

根據本技術系統特征，按子系統與系統工作關鍵點進行分析。

1）拔風系統技術根本難點分析。目前，利用煙囪效應的被動式通風技術已相對成熟，利用太陽能的煙囪式拔風系統，已有成熟的案例，其構造研究也比較清晰[5]，利用其它熱源的“拔風煙囪”案例也早有出現[6]，因此，與本系統相關的拔風系統技術是成熟的。另外，關于拔風系統的開關、風量控制等，都可由自動測溫、自動測風速、自動控制風量的自動化控制系統完成，這些技術也都是成熟技術，可由自動化專業工程師完成。由此可以認為，與本系統相關的拔風系統的真正技術難點是不存在的。

2）風管系統根本技術難點分析。普通風管系統的應用早已比比皆是，與本系統相關的技術難點也是不存在的。

3）空氣過濾系統根本技術難點分析。由于本技術系統只適合室外空氣污染指數輕度以下、空氣濕度不高的條件，因此，本技術系統之空氣過濾系統的主要過濾目標是懸浮顆粒物，避免懸浮顆粒物較多進入室內，造成清潔工作量較大。據研究，粗效空氣過濾網可滿足一般商業建筑室內空氣質量要求[7]。因此，本技術系統可采用粗效空氣過濾網，此類過濾網技術是成熟的。此外，窗式空氣過濾網的安裝、更換及清洗也是比較容易的。由此可見，與本系統相關的空氣過濾系統真正技術難點也是不存在的。

4）充分換氣的根本技術難點分析。對此，可以建立典型商業空間運用本技術系統的工作模型，進行通風數值模擬分析，并根據分析結果，不斷調整模型，直至達到理想工況。這需要利用較大的計算機工作站進行，且設計與調整工作量較大，其難點在于研究條件與研究過程，不存在理論上的根本技術難點。

5）門廳阻滯室外空氣進入室內的根本技術難點分析。在商業建筑中，由于主要出入口一般不能設置開合式大門，如果不經特殊處理，在本技術系統的運行過程中，由于門口處的空氣阻力小于過濾網處，會造成該處直接吸入大量室外空氣、而且風速較大的問題，使本技術系統無法滿足商業建筑需要。因此，研究如何避免產生上述問題，乃是本技術系統的根本技術難點之所在。

3 數值模擬

目前，國內外研究自然通風的方法主要有三種：理論分析法、實驗法和數值模擬法[8]。針對上述根本技術難點進行研究，理論分析法難以獲得較為可信的結果，實驗法耗資耗時耗力巨大，因此，本研究階段采取數值模擬法，選用Fluent軟件進行數值模擬研究，并利用Tecplot進行后期數據處理。

3.1模型建立

3.1.1模型基本空間設定

選取典型商業建筑，針對上述根本技術難點，選取單個門廳及其周邊區域，建立與其環境相近似的“簡單模型”。為簡化計算，暫忽略樓層之間的空氣流動，暫忽略此模型之外的空氣流動對本區域的影響，設定面寬24.2m、進深10.2m的首層營業空間為“簡單模型”的空間范圍，對運用本技術系統的大中型商業建筑門廳及其周邊區域通風狀況進行近似性模擬研究，并利用對稱性原則，選取該模型的一半作為計算域（圖2）。

圖2 模型綜合平面示意圖

3.1.2模型局部特征設定

1）拔風系統。該系統的構造形式多種多樣，煙囪內部熱能可通過太陽能、人工熱能等多種手段獲得，且得熱量可控，因此，為簡化計算，根據煙囪通風技術特征，本階段研究對其初步設定如下：選取煙囪（out1、out2）截面尺寸1.2m×0.6m、豎向高6m；并設定陽光射在煙囪的東、西、南三個表面的熱能全部被煙囪內部空氣吸收，煙囪北面壁為絕熱體。

2）管道系統、過濾系統。室內通風管道截面尺寸0.7m×0.4m，回排風口（out1-1……）0.5m×0.5m。窗式過濾網離地0.9m，過濾網1（porous jump1）寬5.6m、高2.1m；過濾網2（porous jump2）寬1.5m、高2.1m。

圖3 模型網格

3）門廳。門（door）的尺寸為2.4m×2.4m。門廳阻滯室外空氣進入室內的措施有多種，包括設置門斗、門簾、風幕等。其中只有風幕有可能持續性阻滯室外空氣進入室內，因此，模型初步選擇在出入口設置風幕，并與出入口不設任何阻礙的況進行比較研究。

模型網格采用四邊形結構化網格與非結構化網格結合的方法劃分網格（圖3）。

3.2基本假設

該模擬采用RNG的k-ε模型，下面是進一步的簡化和假設：

1）暫不考慮室外風速與氣溫變化對室內的影響；室內氣流屬常壓、常溫、低速下的流動，可視為不可壓縮理想氣體，且符合Boussinesq假設，認為密度變化僅僅對浮升力產生影響[9]。

2）相關研究表明，任意分布纖維過濾網在v≤0.3m/s的低速情況下，壓降與風速呈線性關系，過濾網壓降可以用Darcy定律進行描述[10]。

式中：△p為壓降，Pa；μ是層流流體粘性；K為介質的滲透率；v為垂直介質的速度分量；△m為介質的厚度。

3.3邊界條件

根據本技術系統工作特征與相關參數，在Fluent軟件中設定如下邊界條件。

1）通風入口和煙囪頂部出口的邊界條件。門廳及風道入口采用壓力入口邊界條件，所有煙囪出口采用壓力出口邊界條件。

2）過濾網的邊界條件。過濾網采用多孔介質邊界條件。選用上海禾益設備制造有限公司生產的平板式粗效空氣過濾網。其具體參數為：材料為特制膨松型高通量低阻力纖維，厚度15mm，額定風量1200m3/h，初阻力20Pa。代入式1，得到過濾網的滲透系數為：K=1.79E-08m2。

3）煙囪壁面邊界條件。依據武漢過渡季節太陽輻射量給出定熱流量，煙囪南面壁面墻熱流為307W/m2、西壁面墻熱流流量為268W/m2，北壁面為絕熱體。

4）人流和照明邊界條件。設定人員散熱量均布于地面，照明散熱量均布于天花板局部區域[11]（圖2中簡化燈具區域）。兩者均考慮為平面熱源，采用第二類邊界，為定熱流邊界條件，人流熱流為68W/m2，燈光熱流為40W/m2。

5）風幕機邊界條件。采用進口風扇邊界條件，給定壓力值為100Pa。

3.4數值模擬與分析

分別對“有過濾網但門廳不設阻礙的通風狀況”（工況A）及“有過濾網且門廳設置風幕的通風狀況”（工況B）進行模擬研究。工況A研究作為對工況B研究的比較。

3.4.1工況A數值模擬

模擬結果如圖4～5。

圖4 Case A y=1.5m平面速度云圖

圖5 Case A x=11.5m截面速度云圖

3.4.2工況B數值模擬

模擬結果如圖6～9所示。

圖6 Case B y=1.5m平面速度云圖

圖7 Case B x=1m截面速度云圖

圖8 Case B x=7.5m截面速度云圖

圖9 Case B x=11.5m截面速度云圖

3.4.3模擬結果分析

分析研究云圖及數據表明：①工況A中，室外空氣從出入口處大量、直接流入室內；②工況B中，室外空氣通過過濾網能夠較為充分地進入到室內各部分，但室內空氣風速不等；風幕較為成功地阻滯了室外空氣的進入，并對室內空氣流動產生一定擾動；③風幕風速出風速度在6.5599m/s的情況下（商業建筑風幕出風速度為一般為4～9m/s），距地1.5m處的風幕風速約為3m/s，不會對人的舒適性造成影響。

4 結論

本文研究表明，在應用本技術系統的“一般大中型商業建筑”中，在出入口設置風幕，可以有效阻滯未過濾的室外空氣進入室內，并不影響室外空氣經過設置在外墻上的過濾網進入室內。由此，可以初步表明，本文所構想的被動式過濾通風技術系統，在理論上是能夠成立的。

不過，本文的研究，只是初步的、概念性的，更為深入、全面的研究，如全系統綜合運行狀況、氣流相對均勻度問題、空氣干燥條件下的加濕問題、系統控制問題、關鍵構造問題等，都還有賴于更為全面的數值模擬研究、實驗研究，甚至是接近真實建筑空間尺度的全面實驗研究。本構想的提出與初步研究，期望能夠起到拋磚引玉的效果。

[1]吳鋒,劉國賢.杭州市公共建筑能耗調查與分析[J].建筑節能, 2009,37(11):63-65

[2]薛軍.商業建筑空調節能技術探討[J].能源與環境,2007,(2): 111-112

[3]王樹鍵,彭家惠.重慶市既有大中型商場建筑特征及能耗調研分析[J].建筑節能,2008,36(1):58-59

[4]鄧高峰,王志勇.公共建筑室內空氣品質與人體舒適性關系研究[J].建筑熱能通風空調,2011,30(5):29-29

[5]薛宇峰,蘇亞欣.太陽能煙囪結構對通風效果的數值研究[J].暖通空調,2011,41(10):80-83

Study on the Te c hnic a l Conc e pt a nd Proble m of Pa s s ive Filte r Ve ntila tion of La rge a nd Me dium-s ize Com m e rc ia l Building

CHEN Hao1,WANG Xiao1,ZHOU Jun-li1,HONG Xue-xin2
1 School of Civil Engineering and Architecture,Wuhan University of Technology
2 Design&Research Institute of Wuhan University of Technology

The Large and medium-sized commercial buildings in our country have problems of large energy consumption,poor air quality.Therefore,this paper presents the basic idea about passive filtered ventilation system, conceived using the stack effect,set the wind pull system in the building and set up the air filter on the wall to provide adequate clean and fresh air for building.Then,analysis the core issues about this system,and researched by CFD software,theoretical proof the technical feasibility of this system.

commercial buildings,passive ventilation,filter ventilation,CFD simulation

1003-0344（2014）06-015-4

2013-8-15

王曉（1963～），男，教授：武漢理工大學土木工程與建筑學院（430070）：E-mail：wxap2@163.com

武漢市建委科研項目（201242）