寒冷地區冬季自然通風時段選擇優化分析

摘要：為獲得最優的冬季自然通風時段，以蘭州地區某地板供暖民用住宅為研究對象，考慮圍護結構對室外溫度波的衰減和延遲效應，得到建筑圍護結構的等熱流邊界條件。在此基礎上，采用FLUENT軟件對不同通風時段的室內污染物濃度場進行了數值分析，結果表明：同一開窗方式時，不同時段的通風時長不同，不同進風溫度對室內污染物的時空分布及遷移特性影響顯著，綜合考慮污染物排除效果及舒適性，發現 17：00時開始通風為最優通風時段。

關鍵詞：自然通風；非穩定傳熱；通風效率；優化

中圖分類號：TU832 文獻標志碼：A 文章編號：1674-4764（2015）05-0101-08

Abstract：In order to find out the optimal period of time of natural ventilation in winter， the realizable k-ε turbulent model of CFD is adopted to numerically analyze the pollutant concentration field in a residence in Lanzhou when the unsteady heat transfer through outerwalls is considered. The results indicate that the inlet temperature has significant effect on the indoor pollutants profile and migration， and different ventilation period corresponds to different duration under the same opening patterns. Considering the pollutants elimination efficiency and thermal comfort simultaneously， the ventilation beginning at 17：00 is the optimal ventilation mode.

Key words：natural ventilation； unsteady heat transfer； ventilation efficiency； optimization

隨著經濟的發展，人們對室內空氣品質的要求不斷提高。自然通風由于具有控制室內污染物濃度水平、改善室內空氣品質、調節室內熱環境等功能，并且具有“節能、環境效益好”等優點，越來越受到人們的重視。文獻[1]對某教學樓辦公室在秋季利用熱壓和風壓共同作用下的自然通風與室內污染物排除效率關聯性進行了數值和實驗研究。文獻[2]對不同污染源散發條件下的自然置換通風進行了實驗研究，結果表明：室內外溫差較大時有利于污染物的排出。文獻[3]實驗研究了重慶某建筑夏季自然通風對室內污染物排除效果、室內溫度、濕度的影響關系。文獻[4]對德國法蘭克福辦公樓的通風監測數據表明：冬季通風時間超過全天時間的10%～25%，會使冬季的能量消耗增加。文獻[5]對印度復雜氣候條件下自然通風效果進行了仿真模擬，發現在夏季改變開窗策略可以提高13%的熱舒適度，夜間通風顯著改善了室內熱舒適性，但冬天只能利用白天通風，而且難以保證室內的熱舒適性。文獻[6]對意大利4 000名學生在冬季和夏季待在教室時的主觀熱感覺進行了調查研究，結合客觀的自然通風條件給出了地中海氣候PMV的預期因子的建議值。以上研究工作主要是針對夏季或者過渡季展開的。而寒冷地區冬季氣溫低、晝夜溫度波動大，如何合理利用自然通風的優越性來達到既改善室內空氣品質又不影響居住者的舒適性這一目標，是在寒冷地區實施自然通風的前提。而生活在同一熱工分區的居住者，由于起居習慣、生活規律等存在差異，他們選擇開窗通風的時間段也必然有所不同。目前，關于寒冷地區冬季自然通風時段的選擇研究，還未見報道。本文以蘭州某民用住宅為研究對象，試圖通過自然通風數值試驗，探尋適合寒冷地區氣候特征的冬季自然通風最優時段。

1 物理模型和數學模型

1.1 物理模型

所研究住宅物理模型如圖1所示。位于8層建筑的中間樓層，結構尺寸為：X×Y×Z=10.5 m×13.2 m×2.9 m。其中，1#為客廳與餐廳，2#、3#、4#為臥室。C1、C2為北外窗，C3、C4為南外窗。外墻傳熱系數K=0.46 W/（m2·K）。推拉式窗戶傳熱系數Kc=2.2 W/（m2·K）。室內采用地板供暖。

1.3 邊界條件

1） 入口邊界：綜合IWEC（美國國家氣象數據中心）和CSWD（清華大學和中國氣象局）所提供蘭州冬季氣象參數，蘭州在冬季以北風為主導風向，故本文以北外窗C1、C2為計算區域的流動入口邊界；11月的月平均風速最小，兩種統計結果均為0.2 m/s，3月份風速最大，兩種統計結果均為1.2 m/s。前期研究表明：取1.2 m/s進風速度不能同時滿足室內采暖溫度和污染物濃度要求，故本文進風速度取0.4 m/s；進風溫度取不同通風時段內的室外平均溫度。

2）出口邊界：排風口C3、C4設為自由出流邊界條件[10]。

3）壁面邊界：氣固交界面的空氣流動取速度無滑移條件。

4）熱邊界設置： 采用非穩定傳熱方法得到不同通風時段通過圍護結構的熱流密度平均值，以此為圍護結構的熱邊界條件。具體數值見表2。室內采暖熱負荷均由地板提供，設為定熱流邊界條件，根據文獻[11]設定地板的熱流密度為45 W/m2。內墻、天花板均設為絕熱邊界。

5） 污染源條件設置：來自地板的污染物C7H8假定其沿地板外法線方向向上均勻散發，根據文獻[12]對室內C7H8允許濃度規定，結合散發時長以及房間體積，可求得散發速率為5×10-9 kg/s。選用層流模型模擬了污染物的擴散過程（限于篇幅，擴散過程另文討論）。結合人們冬季開關窗的習慣，對計算房間密閉情況下污染物散發15、17、19、21 h后的室內污染物濃度場分別作為4個通風時段自然通風數值模擬的初始條件。

2 數值求解方法

2.1 網格劃分及獨立性驗證

采用六面體結構網格對計算區域進行離散。考慮進、排風口處流動參數的高梯度變化，對這些區域的網格進行了局部加密。分別采用3套網格（網格數分別為520 590、672 138和868 434）進行了數值試驗，所得（X=8.98 m，Y=3 m）處的速度和溫度計算結果均吻合得很好，說明本文所得解是網格獨立性的。考慮計算的經濟性，決定選用672 138作為后續計算的網格數。

2.2 數值方法

采用有限體積法對控制方程（1）進行離散；應用SIMPLE算法求解速度/壓力耦合問題[12]；梯度項方程采用Green-Gauss Cell Based格式離散；動量方程、能量方程、湍流動能方程、湍流動能耗散率方程、組分輸運方程均采用二階迎風格式離散。

2.3 模擬工況及收斂準則

2.3.1 工況確定

為了確定合理的通風工況，規定同時滿足：通風1 h后距地面1.1 m高度水平面（規定為工作區高度）上溫度的平均值不低于16.0 ℃和該平面上污染物濃度不高于文獻[13]的要求值2.17×10-9 kmol/m3，并且，地面上方0.1 m到1.1 m間的豎向溫差不大于3.0 ℃，則認為該工況是可行的自然通風工況。據此，對進風溫度為0 ℃，進風速度為0.4 m/s，與不同進、排風口開啟度組合，形成的多工況進行了數值試驗，結果表明：窗戶C1、C2、C3的開啟度均為0.1 m寬（關閉窗戶C4）時為最佳通風工況。為對比分析不同通風時段的室內相關參數分布，采用這一窗戶開關方式，增加另外3個通風時段的起始時刻分別為13：00、15：00、17：00，從而組成4個對比通風工況，如表3所示。各工況通風時長的確定過程如圖2所示。

圖6為不同工況時Z=1.1 m水平面上的C7H8濃度分布。可以看出，各工況下客廳C7H8濃度分布表現出了較一致的特征：靠近客廳西墻附近區域C7H8濃度較高，沿著墻體呈帶狀分布。這是因為室外的低溫氣體進入室內后，絕大部分很快下沉并與地面附近的污染物進行熱質交換，只有少部分氣體在客廳西北角落處形成了回流區，與主流區新鮮空氣的熱質交換遠不及其他區域充分。所以，隨著低溫氣體自北朝南方向運動，有一部分污染物便被“壓制”在了回流區及客廳西墻附近區域[14]。客廳絕大部分區域空氣質量符合文獻[13]要求，工況4時客廳的空氣質量明顯要優于其他3個工況。各工況下，2#房間內污染物的分布差異顯著：工況1時2#房間內污染物分布均勻，均未超標，只是在該房間的東南角處有小范圍超標；工況2和3時，2#房間有近一半面積的污染物集聚并超標；工況4時，在2#房間靠近門有小范圍污染物集聚并超標。這是因為工況1和工況4的進風溫度要低于工況2和工況3的進風溫度，2#房間的門使過流斷面突然縮小引起流場結構變化，從而對污染物遷移產生影響，但這一影響遠不及溫度場對污染物濃度場影響。3#房間作為各工況通風的唯一出流通道，對于污染物的時空分配起著重要作用，其污染物濃度梯度也最為復雜。在北墻內側不同范圍的污染物集聚可能與溫度場以及該區域的回流對污染物擴散過程影響有關，但各工況下4#房間內污染物濃度均未超標。

可以看出，4種工況的舒適性表現出了相似的變化規律：PMV值沿房間高度方向逐漸增大，這主要是室內溫度分層所致。根據PMV-PPD的熱舒適評價指標及ISO7730標準規定：以PPD≤10%為設計依據[15]，即90%以上的人感到滿意的熱環境為熱舒適環境，此時，對應的PMV= -0.5～+0.5。但考慮中國的實際經濟狀況，一般計算時都將該值放寬至PPD≤20%[16]，此時，對應的PMV= -0.75～+0.75。所以，根據中國對舒適性要求的PMV值以及文獻[15]中關于熱感覺的7級標度（-3冷，-2涼，-1稍涼，0不冷不熱，+l稍暖，+2暖，+3熱）之規定，工況1通風過程的PMV值自0.1 m至1.7 m高度處均小于0，室內從頭到腳整體偏涼；工況2，在0.1～0.92 m高度范圍內是舒適的；工況3，在0.1～0.58 m高度范圍內是舒適的；工況4，在0.1～1.7 m高度范圍內是舒適的，就是說，按工況4通風時，居住者從頭到腳都是舒適的。工況1～3對應的舒適區高度均低于一般建筑室內確定PMV值的水平面高度1.1 m。在1.1 m水平面上，工況1的PMV值為-0.3，介于“熱中性”與“稍涼”之間；工況2的PMV值為0.83，“稍暖”；工況3的PMV值為1.1，“偏暖”；工況4的PMV值為0.62，介于“熱中性”與“稍暖”之間。所以，考察Z=1.1 m水平面上的舒適性時只有工況1能滿足國際上對舒適性要求的PMV值，但房間整體偏涼。對于寒冷地區的冬季，居住者卻更喜歡待在工況2、3、4這樣“偏暖”的室內。實際上，冬季室內溫度偏低，反而有利于抑制污染物的釋放[17]。

綜上所述，工況1、2、4均能滿足符合我國實際的舒適性要求，工況4的舒適度最好。

3.4 最佳通風時段確定

自然通風是將當地氣候條件和居住者的生活習慣緊密結合的一種改善室內空氣品質的措施。上文關于排污效率和舒適性評價的討論得到了這樣一個結論：感覺舒適的環境未必對健康有利，反之亦然。從圖3（a）可以看出，工況1整個通風過程的排污效率均是最高的，工況4次之，工況3最低。從圖3（b）可以看出，通風結束時，工況1、4的排污效率相當，均高于其它工況。綜合通風過程的排污效率變化以及室內舒適性評價結果，工況4為最佳通風時段。居住者如果能通過改變衣著來適應室內偏涼的環境，工況1也是比較理想的通風時段。

4 結 論

以蘭州某民用住宅為研究對象，采用Realizable k-ε 模型對冬季自然通風時室內污染物濃度場進行了數值分析，得到了如下主要結論：

1）寒冷地區冬季自然通風可以在不同時段進行，但每一時段的通風時長存在差異。

2） 不同通風時段的排污效率隨時間呈現出了相似的變化趨勢，但對污染物的排除效果存在差異。相同的開窗方式，進風溫度對室內污染物的時空分布有顯著影響。

3）所研究的4個通風時段，工況1、2、4均能滿足符合我國實際的舒適性要求，工況3稍偏暖，工況4的舒適度最好。結合排污效率指標，17：00時開窗通風，即工況4為最優通風工況。

4）本文是針對特定結構建筑在特定氣候條件下尋求不同通風時段的通風模式、實現室內空氣質量動態化改善的初步探索，后續研究將會考慮更多因素，使得所得通風模式對建筑類型、氣候條件、供暖方式等因素具有更好的適應性。

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（編輯 王秀玲）