庭院內部地面熱力條件對流場和污染物擴散的影響

何龍靚， 鐘　珂， 張寧波， 亢燕銘

(東華大學 環境科學與工程學院，上海 201620)

庭院內部地面熱力條件對流場和污染物擴散的影響

何龍靚， 鐘珂， 張寧波， 亢燕銘

(東華大學 環境科學與工程學院，上海 201620)

在不同來流風向和地面熱力條件下，采用數值模擬方法分析了庭院內部流場和污染物擴散特征.結果表明，地面熱力條件對庭院內部流場和污染物擴散有著顯著影響，地面熱源強度越大，越有利于庭院內部污染物的擴散.當迎風面開口較大時，地面散熱對人體呼吸區空氣品質的改善作用大于對整個庭院內部空間的作用.

庭院建筑；污染物；地面熱力條件; 空氣品質；數值模擬

庭院是一種歷史很悠久的建筑形式，目前被廣泛用于城市現代建筑布局中.庭院式建筑具有巨大的利用自然通風的潛力，可以減少建筑的能源消耗.經過幾十年的反復優化，庭院建筑形式已經相對成熟，其通過與當地氣候特征進行有機結合，實現充分利用能源的目的.北方氣候中，利用庭院作為防風建筑以及吸收太陽能；而南方氣候中，庭院建筑則可以防曬并降低庭院內和室內平均氣溫.

庭院建筑在營造和維持良好微環境效果的同時，也存在內部污染物不易清除的缺陷，特別是在大型庭院建筑中，會有機動車出入，庭院內存在強度較大的污染源.這是否會導致圍合建筑室內空氣質量受到內部污染物的影響，一直是人們關心的問題.

盡管庭院建筑形式是普遍存在的，但是關于庭院內污染物擴散的研究很少，特別是庭院內污染源與熱源相伴時出現的污染物分布特征的研究幾乎沒有.文獻[1-2]研究了庭院對內部微氣候的影響；文獻[3]利用小型吹風轉盤裝置測量庭院和前庭的通風率；文獻[4]在風管模型和全尺寸庭院里利用CFD(computational fluid dynamics)軟件研究通風率和利用煙氣來測量污染物凈化率.

文獻[5]的研究結果表明,較高的墻面溫度對街區內氣流和氣流在垂直面上的傳輸能力的影響都很大. 文獻[6]則對受太陽輻射街谷內氣流情況進行了研究，結果表明被建筑熱表面加熱的空氣在浮力驅動下向上流動，其將影響到街谷內空氣流動狀態.太陽輻射對庭院地面的輻射加熱也將導致近地面空氣被加熱.庭院相對封閉，因此，地面熱條件對庭院內流場的影響不可忽略，內部污染物的擴散和清除效果勢必與等溫情況有區別.

本文通過數值模擬的方法，分析庭院圍合建筑房間通風方向和地面熱源條件對污染物擴散規律的影響，研究庭院內污染物的清除特性和空氣品質.

1　庭院建筑模型與數學模型

1.1庭院建筑模型

本文研究對象為上海市郊區某庭院式辦公建筑，圖1(a)為該建筑透視圖.庭院的外圍尺寸(長×寬×高，下同)為108 m×46 m×20 m.該庭院有2個開口(如圖1(b))，其中開口1較低矮，尺寸為5 m×14 m×8 m；開口2與建筑同高，尺寸為11 m×14 m×20 m.為獲得可靠的模擬結果并節約數值計算成本，本文采用不均勻四面體網格，由于模擬空間計算域應為半敞開式庭院建筑的5倍及以上，本文計算域空間尺寸為408 m×346 m×100 m.

(a) 建筑模型

(b) 建筑平面圖圖1　庭院建筑圖Fig.1　Architectural drawing of the courtyard building

為分析庭院建筑內部敞開空間的地面熱源強度與背景氣流風向對庭院內部污染物擴散的影響，考慮0°,45°,90°,135°,180°,225°共6種背景風向(具體位置見圖1(b)).天氣和太陽輻射強度的不同，將造成地面散熱強度不同.本文分別采用3種不同的地面熱源強度，即等溫的情況(q=0 W/m2)、中等的地面熱源強度情況(q=30 W/m2)和較大的地面熱源強度情況(q=70 W/m2).本文以CO作為標志性污染物進行模擬，污染源位于庭院內部兩側，距地面高度為0.5 m，位置見圖1(b).

1.2計算方法

ρ=ρ0[1-β(t-t0)]

(1)

其中：t為流體的溫度；ρ為與t對應的流體密度；t0為工作或環境溫度；ρ0為與t0相對應的流體密度；β為熱膨脹系數. 文獻[8]研究表明，當溫度變化范圍小于30 ℃時，Boussinesq近似是適用的.在本文研究的各種工況中，溫度變化范圍均不超過20℃，因此，Boussinesq近似在本文中可以用于處理由溫差引起的浮升力項.

在數值模擬過程中，考慮氣流的豎向速度分布湍流特性受不同地形類型的影響，計算域的入口采用UDF(user-defined function)編寫的速度廓線,其表達式為

(2)

其中：y為高度，m；vy為y高度處的平均風速，vH0為H0高度處的平均風速, m/s；α為地形粗糙度，本文中α=0.25；H0為參考高度，H0=20 m.

1.3數學模型合理性的驗證

為保證數值模擬方法分析建筑流場分布特征的可靠性，需要先驗證上述數學模型的合理性.文獻[9]采用風洞實驗模擬了類似圍合建筑內部圍合區域地面散熱及產生污染物的情況(見圖2(a)),對污染濃度分布進行了實測，并將實測結果與用ADMS(automatic dynamic analysis of mechanical systems)模型的數值結果進行了比較. 本文研究的建筑模型與文獻[9]的風洞實驗模型，不僅尺寸相當，而且側墻上均開設有門洞，熱壓通風形態十分相似，因此，本文利用文獻[9]結果驗證數值計算方法的正確性，數值計算結果與風洞實測結果的比較曲線如圖2(b)所示.圖中無量綱濃度C*定義為

(3)

其中：ci為實測濃度值，kg/m3；v為背景風速，m/s；H為建筑物高度，m；q0為污染源強度，kg/s.

(a) 數值計算驗證用建筑模型[9]

(b) 本文模擬結果與文獻[9]實測數據比較圖2　污染源濃度模擬結果與實驗數據及ADMS模型模擬結果的比較Fig.2　Comparisons of the simulated pollutant concentrations with the experiment data and the simulation results of ADMS model

由圖2(b)可知，在距離建筑物較近的地方，利用數值計算方法模擬的結果與實驗值很吻合，甚至比文獻[9]中使用ADMS模型模擬的結果好；但在距建筑物距離≥200 m時，利用CFD模型所模擬的結果與實驗值吻合的效果較差.因此，當不考慮距離建筑物較遠地方的流場和濃度分布時，本文采用的CFD模型可以得到很好的結果.

2　模擬結果與分析

為便于比較分析，本文定義無量綱濃度C如式(4)所示.

(4)

其中：L為庭院內部地面寬度，m.

2.1地面熱源強度對庭院內部流場和污染物擴散的影響

90°風向時，庭院內部典型剖面(具體位置如圖1所示)在地面是否散熱時的流場和污染物無量綱濃度分布圖如圖3所示.由圖3(a)可知，當地面不散熱時，污染物主要集中在庭院開口1一側.這是因為當背景氣流垂直吹過庭院(即90°風向)，由于開口1的面積遠小于開口2，由開口2一側進入的氣流量較大，在這股氣流作用下，庭院內部污染物向開口1一側移動，最終在近壁面附近堆積.對比圖3(a)和3(b)可知，隨著地面熱源強度的增大，庭院內污染物濃度明顯減少，這主要是因為被散熱地面加熱的空氣在開口1一側的墻壁附近形成一股向上的氣流，改變了庭院內部的整個流場分布，特別是a-a’和b-b’剖面上的氣流分布變化最顯著.由圖3可以看到，當地面不散熱時，氣流向下流入庭院，使得污染物難以排出庭院；而當地面散熱時，氣流在該剖面處形成逆時針渦流，在渦流的卷吸作用下，從頂部開口排除，從而降低了庭院內部污染物的濃度.

(a)q=0 W/m2

(b)q=70 W/m2圖3　不同地面熱力條件下庭院內典型剖面流場和污染物濃度分布Fig.3　Flow field and pollutant concentration distribution on the typical section under different ground thermal conditions inside the courtyard

(a) 背景風垂直或平行吹向庭院建筑大立面

(b) 背景風傾斜吹向庭院建筑大立面圖4　不同熱力條件下庭院內無量綱面平均濃度沿高度的分布Fig.4　Distribution of the dimensionless average surface concentration along the height under different thermal conditions inside the courtyard

由圖4可知，在所有風向下，污染物主要集中在庭院下部，污染物濃度都隨著高度的增大而減小.當地面散熱時，庭院內污染物濃度迅速減小，但當地面熱源強度由30 W/m2增大至70 W/m2時，庭院內污染物濃度減小不明顯.由圖4(a)可知，當背景風垂直吹向庭院建筑大立面時，開口1為迎風面開口時(0°風向)的污染物濃度低于開口2為迎風面開口的情況(180°風向)，但兩種情況平均濃度的比例小于開口2和開口1的面積比.此外還可以看到，當背景風平行于建筑大立面吹過時，庭院內部的污染物濃度小于垂直風向0°的情況，這是因為盡管前者外部氣流為平行掠過庭院開口，但從開口1和2均有氣流進入庭院，而0°風向時，僅從開口1有氣流流入.由圖4 (b)可以看到，背景風傾斜吹向建筑大立面時，庭院上部區域依然表現出迎風面開口越大，濃度越小的特征，但在庭院下部區域(2 m以下空間)則為45°風向(小開口為迎風面開口)對應的濃度低于135°和225°的情況.這可能是因為高大開口為迎風面開口時，盡管有大量空氣進入庭院，但大部分都不流過人員空間.而低矮開口能夠迫使進入庭院的氣流大部分流經下部區域，提高了庭院通風排污效果.

2.2地面熱源強度對庭院內部空氣品質的影響

(a) Zone-S

(b) Zone-L圖5　不同風向與熱源強度下庭院內無量綱體平均濃度Fig.5　Dimensionless average concentration under different wind direction and heat-intensity in the courtyard

由圖5(b)可知，熱源強度對Zone-L有顯著影響，不僅Zone-L的污染物平均濃度隨著熱源強度的增大而減小，濃度隨著風向變化的規律也因為地面散熱而發生改變.地面不散熱時，迎風面開口較小時(0°風向)的濃度最大，當地面散熱強度為70 W/m2，迎風面為開口較大且風向斜吹時(135°風向)的濃度最大.

對比圖5(a)和5(b)還可以發現，在等溫情況下，Zone-S在同一風向下對應的污染物濃度遠大于Zone-L.在同一風向下，隨著熱源強度的增大，Zone-S的污染物迅速減少，且與Zone-L的污染物濃度靠近，可見熱源強度對庭院近地面的污染物擴散起著主要作用.

為進一步分析地面熱源強度對庭院內空氣品質的影響，本文定義污染物濃度減少率η為

(5)

其中:c0,i為i風向，q=0 W/m2時，庭院內某空間污染物平均濃度，kg/m3，其中i=0°，45°，90°，135°，180°，225°;cq,i為i風向、熱源強度分別為q=30和70 W/m2時的污染物濃度，kg/m3.

圖6所示為庭院內部Zone-L和Zone-S在不同風向時，地面散熱對污染物濃度的減少率.由圖6可知，Zone-L和Zone-S在同一風向下的污染物濃度減少率都隨著熱源強度的增大而增大，可知熱源強度對庭院內部污染物的擴散有直接影響.此外，對比Zone-L和Zone-S的濃度減少率曲線可以發現，同一熱源強度下，0°風向時Zone-L和Zone-S的濃度減少率相近；45°風向時Zone-L的濃度減少率大于Zone-S的濃度減少率；在除0°和45°以外的所有風向(即迎風面開口較大時)，Zone-S的濃度減少率明顯大于Zone-L的濃度減少率.這是因為，熱源對氣流直接產生影響的區域主要在近地面附近，因此地面附近的污染物受到熱浮力的作用更明顯.由圖6可知，在多數風向下，熱源強度從30 W/m2增加到70 W/m2，Zone-S的污染物濃度減少率增長幅度大于Zone-L的污染物濃度減少率增長幅度.進一步說明地面散熱對污染源附近的氣流有不可忽略的影響.總之，當迎風面開口較大時，地面熱源強度對人體呼吸區空氣品質的改善作用大于整個庭院內部空間.

圖6　Zone-L和Zone-S的污染物濃度減少率ηFig.6　Reduction rate of pollutant concentration for Zone-L and Zone-S

3　結　語

本文采用數值模擬的方法分析了不同來流風向和地面熱力條件對庭院建筑內部流場和污染物擴散的影響，結論如下所述.

(1) 地面熱源強度的改變不僅改變了庭院內部氣流的流動方向，且有利于庭院內部污染物的擴散和排出，對改善庭院內部空氣品質有著顯著影響.

(2) 地面熱源強度和風向均對庭院內部污染物濃度有影響，但地面熱源強度的影響大于風向的作用.

(3) 當地面熱源強度為0 W/m2時，人員呼吸區的污染物濃度遠大于整個庭院的污染物濃度，當地面熱源強度增大時，這種情況得到改善，人員呼吸區的污染物濃度與整個庭院的污染物濃度接近.

(4) 地面熱源強度對庭院內部污染物濃度減少率有著直接影響，熱源強度越大，污染物濃度減少率越高.且當迎風面開口較大時，地面散熱對人體呼吸區空氣品質的改善作用大于整個庭院內部空間.

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Effects of Ground Thermal Conditions on the Flow Field and Pollutant Dispersion inside a Building’s Courtyard

HELong-jing,ZHONGKe,ZHANGNing-bo,KANGYan-ming

(School of Environmental Science and Engineering, Donghua University, Shanghai 201620, China)

The flow field and pollutant dispersion characteristics inside a courtyard are analyzed by numerical simulation under different wind directions and ground thermal conditions. The results show that ground thermal conditions have a significant impact on the flow field and pollutant dispersion inside the courtyard. The high heating intensity of the ground is favorable to ventilating the pollutants inside the courtyard. When the windward opening is larger, the improving effect of the heat emissions from the ground on the air quality of human breathing zone is better than that on the entire courtyard space.

courtyard building; pollutant; the ground thermal conditions; air quality；numerical simulation

1671-0444(2015)03-0382-05

2014-04-11

國家自然科學基金資助項目(40975093)

何龍靚(1988—)，男，安徽寧國人，碩士研究生，研究方向為建筑通風與室內空氣品質. E-mail：helongjing123@126.com

鐘珂(聯系人)，女，教授, E-mail：zhongkeyx@dhu.edu.cn

TU 111.1; TU 834.2

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