冬季自然通風與室內污染物的遷移特性

王燁, 管國祥，付銀安，孫鵬寶，王靖文

(1.蘭州交通大學 環境與市政工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州交通大學 鐵道車輛熱工教育部重點實驗室，甘肅 蘭州 730070)

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冬季自然通風與室內污染物的遷移特性

王燁1,2, 管國祥1，付銀安1，孫鵬寶1，王靖文1

(1.蘭州交通大學 環境與市政工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州交通大學 鐵道車輛熱工教育部重點實驗室，甘肅 蘭州 730070)

為研究冬季自然通風條件下室內污染物的分布及遷移規律，以非穩定傳熱方法確定了建筑圍護結構的等熱流邊界條件，在此基礎上，采用FLUENT中的Realizablek-ε湍流模型對蘭州地區某住宅內的污染物濃度場進行了數值分析。結果表明：通過圍護結構的耦合傳熱過程使得室內不同房間污染物濃度場的時空分布存在較大差異，房間整體通風效率隨通風時間延長呈逐漸下降趨勢；在51 min的通風期間，工況10、11、12的通風效率均在95%以上，而“雙進口、單出口”的工況12通風效率達到了97%以上；綜合考慮室內采暖溫度、污染物濃度限值以及室內豎向溫差，最終確定了工況12為最佳通風模式。

寒冷地區；非穩定傳熱；自然通風；通風模式；通風效率；室內空氣品質；數值模擬； 室內污染物

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20160623.0827.008.html

隨著經濟的發展，人們對室內空氣品質的要求不斷提高。自然通風由于其“節能、環境效益好”等優勢，越來越受到人們的關注。文獻[1]提出了一種對自然通風、天花板射流送風與熱活性建筑系統進行動態調節的室內熱環境控制策略。文獻[2]實驗研究了自然通風對意大利教室內空氣品質的影響，發現僅利用建筑縫隙滲透作用來進行通風換氣是不能滿足秋、冬季節室內空氣品質要求的。文獻[3]研究了地下建筑在不同室內外環境條件下的自然通風機理，發現室內和室外間溫度梯度對自然通風過程影響很大，室內外空氣溫度的相對高低決定自然通風氣流的參數值和流動特征。文獻[4]對雅典主要利用自然通風的教室通風率與室內污染物濃度水平關聯性進行了現場測試，發現所測試的污染物顆粒尺寸在上課期間要大于課余時間，即使在通風率滿意的情況下，測試所得污染物濃度依舊高于相關標準的要求值。文獻[5]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[6]利用CFD軟件對自然通風條件下不同排風口布置方式對熱壓通風的影響進行了數值研究，結果表明：天花板上分散布置散熱排風口可以提高熱壓通風效率。文獻[7]對教室的自然通風效果進行了能耗分析，結果表明：無論是過渡季還是冬季，不改變換氣次數而只提升通風效率或者不改變送風溫度只降低通風效率，都會使教室的能耗降低。文獻[8] 分析了住宅縫隙空氣滲透率、人為通風、居住者的生活方式對建筑能耗的影響，獲得了自然通風率、建筑能耗與室內空氣品質間的關系，發現居住者的生活方式與室內發生凝結密切相關。文獻[9]對英國南安普敦的小學教室在自然通風條件下室內熱舒適性的調查結果表明：現行的成人的熱舒適標準可能并不適用于兒童，需要調整當前的熱舒適標準以便更適合兒童的熱感知。文獻[10]通過對意大利的200間教室超過4 000名學生在冬季和夏季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。以上國內外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，人們通常利用長時間關閉窗戶來維持室內溫度的恒定。這樣，就產生了節能與改善室內空氣品質之間的矛盾。本文試圖通過自然通風數值試驗，探尋既不影響室內采暖又能保證室內空氣質量的冬季自然通風模式。

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。

圖1　計算房間平面示意圖Fig.1　Physical model of the calculating room

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;C1、C2為北外窗，C3、C4為南外窗;外墻傳熱系數K=0.46 W/(m2·K);窗戶傳熱系數Kc=2.2 W/(m2·K);采用地板供暖;窗戶的最小可開啟面積為：寬×高=0.1 m×1.5 m(下文中簡稱為A)；最大可開啟面積為：寬×高=0.2 m×1.5 m(下文中簡稱為2A)。

1.2數學模型

采用Realizablek-ε模型和標準壁面函數法進行模擬。室內空氣湍流流動與組分輸運方程具有相同的形式[11]，對于非穩態傳熱問題，通用控制方程形式均可表示為

(1)

式中:φ分別代表連續性方程及動量方程中的速度在x軸向的分量u、在y軸向的分量v、在z軸向的分量w、能量方程中的流體溫度T、湍流動能方程中的湍流動能k、湍流動能耗散率方程中的湍流動能耗散率 ε、組分輸運方程中的污染物體積分數τp；Γφ分別代表相應方程中的有效擴散系數0、μ+μt、Pr+μt/σt、 μ+μt/σk、μ+μt/σε、μ+μt/στ；Sφ分別代表相應方程中的源項，組分輸運方程中的源項為空氣密度ρ，其它方程中源項具體表達式見文獻[12]。μ為分子粘性系數；μt為湍流粘性系數，μt=cμρk2/ε，cμ為經驗常數；σt為能量方程中的湍流普朗特數；σk為湍流動能方程中的普朗特數；σε為湍流動能耗散率方程中的普朗特數；στ為組分輸運方程中的普朗特數。

方程中各系數取值[12]：cμ=0.09,σk=1.0, σε=1.2, σt=1.0, στ=1.0, c2=1.9。

為簡化計算，假定：室內空氣不可壓縮，密度的變化采用Boussinesq假設，忽略流體粘性力作功而引起的耗散熱，室內空氣為輻射透明介質，不參與輻射換熱。流動為非穩態，流態為湍流。

1.3邊界條件

1) 入口邊界：蘭州在供暖期以北風為主導風向，故本文設定北外窗C1、C2為速度入口邊界，風速取1.2 m/s和0.4 m/s兩個值；進風溫度取0 ℃(即273.15 K)。

2) 出口邊界：排風口C3、C4設為自由出流邊界條件[13]。

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時刻通過圍護結構的熱流密度，以此為圍護結構的熱邊界條件。具體數值為：東墻-8.26 W/m2，西墻-8.44 W/m2，南墻-8.00 W/m2，北墻-8.65 W/m2，南窗-20.68 W/m2，北窗-33.29 W/m2，負號表示熱流為自室外傳向室內。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[14]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：選取來自地板的污染物C7H8為室內主要污染源，假定其沿地板外法線方向向上均勻散發，散發速率為5×10-9kg/s。選用Realizablek-ε模型模擬了污染物的擴散過程(限于篇幅，擴散過程已另文討論)。對計算房間密閉情況下污染物散發1、6、12和15 h后的濃度分布進行分析并結合人們冬季開關窗的習慣，確定以密閉15 h后的室內污染物濃度場為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。分別采用三套網格(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[15]；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

進風溫度為0 ℃，進風速度為1.2和0.4 m/s，與不同進風口開啟面積、排風口開啟面積組合，形成12個工況。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[16]的要求值2.17×10-9kmol/m3,并且，地面上方0.1～1.1 m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，最終得到了表2所示工況10～12為可行的通風工況，作為后續分析的3個工況。

2.3.2收斂準則

計算中，同時滿足以下條件，認為計算已收斂：

1) 連續性方程及動量方程殘差設為10-3；

2) 能量方程求解殘差設為10-6；

3) 監視位置氣流參數不再波動；

4) 進出口流體質量守恒。

表1　自然通風模擬工況

3　計算結果及分析

3.1通風效率分析

一般利用工作區的通風效率來評價室內污染物的排除效果，其定義式為

(2)

式中，η為通風效率；Cg為工作區平均濃度，kmol/m3；CP為排風口濃度，kmol/m3；CS為進風口濃度，kmol/m3。

對工況10～12，統計不同通風時長Z=1.1m平面上的C7H8平均濃度作為工作區污染物平均濃度，同樣的方法得到排風口對應時長的污染物平均濃度CP，進入室內的新風中認為不含有C7H8，所以，取CS=0。據此得到3種工況下的通風效率，如圖2(a)所示。可以看出，3種工況的通風效率均在0.95～1.0波動。通風15 min后通風效率均呈下降趨勢。這是因為通風開始時，房間內C7H8分布較均勻，隨著通風的持續進行，C7H8濃度出現分層現象，Z=1.1 m水平面上的C7H8面平均濃度下降趨勢因此變緩，從而導致排風口的C7H8平均濃度下降速率比Z=1.1 m水平面上的C7H8面平均濃度下降速率高。但總體上，工況12的通風效率要高于工況10和工況11的通風效率，這正體現了氣流組織形式與污染物遷移特性之間的關聯性。

為了對比不同室內污染物濃度確定方法對通風效果的評價影響，以室內體積平均濃度代替Z=1.1 m平面上的C7H8面平均濃度作為式(2)中的Cg值，得到了3種工況的通風效率，如圖2(b)所示。可以看出，3種工況通風15 min后的通風效率均在0.93～0.98波動，略低于圖2(a)所示情況。但工況12仍舊保持了較高的通風效率，而工況11的通風效率波動較大。

由以上分析可知，“雙進口、單出口”的開窗方式對于污染物的排除效率較高。這也是自然通風中流場、溫度場與污染物濃度場耦合作用的結果。限于篇幅，本文只給出濃度場模擬結果，速度場和溫度場的變化另文討論。

圖2　通風效率變化曲線Fig.2　Ventilation efficiency profile

3.2污染物濃度場分析

同時考慮通風不能使室內溫度平均值低于16.0 ℃以及污染物濃度平均值不能高于文獻[16]規定的上限值，確定工況10～12通風時長為51 min[17]。下面給出這3個工況通風51 min時的模擬結果。

圖3為不同工況時客廳進風窗口中軸線(X=1.15 m)縱截面上C7H8濃度分布。可以看出，3個工況表現出了相似的污染物分布特征：自地面朝天花板方向，C7H8濃度由低到高呈層狀分布，地面附近區域C7H8濃度梯度較大。這是因為溫度較低的室外新風進入房間后，沿窗臺下內墻壁形成下降氣流，與地板附近的熱空氣相遇后，便朝遠離窗口的方向運動，沿地面形成“冷氣湖”，其厚度自北向南逐漸變薄，地面附近的污染物同時被稀釋。相對而言，工況12的地面污染物低濃度區域范圍較大。地面附近向南運動的冷氣流和被加熱后向北運動的熱氣流交匯處，形成了濃度高于2.13×10-9kmol/m3的帶狀區域，其中心最高濃度達到了2.35×10-9kmol/m3，略高于文獻[16]規定的上限值。在密度差形成的浮升力作用下，污染物隨著自然對流邊界層的運動，在北外墻上部和天花板所成的角落處形成了聚集，導致該區域污染物濃度最高達到了2.77×10-9kmol/m3(工況12)。但就人員活動區污染物濃度沿客廳縱向的變化而言，工況12的污染物濃度平均水平要比其他兩個工況的低，空氣質量更好一些。

圖4為不同工況時Y=3 m橫截面(包含了3#房間、4#房間以及客廳部分區域)上的C7H8濃度分布。可以看出，工況10和工況11各房間內的C7H8沿高度方向分布特征很接近。但對于工況12，1#房間人員活動區C7H8濃度比工況10和工況11的要低，靠近天花板附近C7H8高濃度區域則比工況10和工況11的都要大；4#房間天花板附近C7H8濃度比工況10和工況11的要低，這是因為該房間排風口面積大，有利于污染物的快速排出；3#房間上部區域污染物濃度比工況10和工況11的要高，范圍也更大。這是因為工況12的通風方式導致了在3#房間內形成了較大范圍的污染物滯留區，這與該房間較大范圍的熱滯留區及較慢的氣流速度有關。

圖5為不同工況時Z=1.1 m水平面上的C7H8濃度分布。可以看出，3種工況下客廳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它區域充分。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[18]。客廳絕大部分區域空氣質量符合文獻[16]要求。3種工況下，2#房間內污染物的分布差異很微弱，只是在房門附近污染物有集聚現象，這是該區域氣流過流斷面突然收縮所致。對于3#房間，工況12的污染物濃度值整體上稍高于其他兩個工況，但3種工況下污染物濃度均未超標。對于4#房間，工況11的污染物濃度在該平面上稍高于其他兩個工況。這是因為工況11中窗戶4的開度要大于其他兩個工況的開度，減小了室內氣流運動的阻力，原來流經4#房間外通道并流向3#房間的部分氣流此時會“短路”進入4#房間，并在4#房間北墻內側靠近房門區域形成了一個回流區，這是流體擾流運動中漩渦產生過程的體現。與此類似，工況12中由于未開4#窗戶，更多的污染物則集聚在了3#房間內。

由以上分析可知，并不是開大排風口開度對每一個房間內污染物的排除效果貢獻相同。建筑室內不同障礙物的“棱角”結構特點，決定了由此產生的回流區必然導致污染物的局部區域滯留現象。

圖3　X=1.15 m截面C7H8濃度場Fig.3　C7H8 concentration profile in X=1.15 m section

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，是我國目前建筑節能工作的重要內容，還有很多亟待研究的問題。就本文研究的蘭州地區而言，近十年來蘭州的大氣質量發生了顯著變化，主要歸功于供暖鍋爐的“煤改氣”以及“兩山綠化”。這種室外環境空氣質量的改善，為自然通風的推行提供了更為有利的條件。本文只是研究了11:00開窗通風在熱壓、風壓共同作用下的室內污染物時空分布。實際生活中，每個居住者的生活習慣有所不同，何時開窗通風完全取決于個人的主觀意愿。這就引發我們思考這樣一個問題：在不同季節、不同外氣溫度下，在哪個時段以怎樣的模式通風能同時達到“節能、保證舒適性、改善空氣品質”的目的，這也是我們下一步要做的工作。

圖4　Y=3 m截面C7H8濃度場 Fig.4　C7H8 concentration profile in Y=3 m section

圖5　Z=1.1 m截面C7H8濃度場 Fig.5　C7H8 concentration profile in Z=1.1 m section

4　結論

以蘭州某民用住宅為研究對象，采用Realizablek-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)寒冷地區住宅冬季進行自然通風是可行的，通風期間室內外的耦合傳熱過程對室內不同房間內污染物的時空分布影響不同；

2)本文所得3種可行的通風模式對應的通風效率均大于95%；其中“雙進口、單出口”的開窗方式為最佳通風模式；

3)同時考慮室內溫度、污染物濃度以及豎向溫差等因素確定的3種可行的通風模式，是特定條件下的研究結論，居住者可以根據實際感受和居住需求以及室外天氣變化情況適時調節開窗方式和開度。

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本文引用格式：

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WANG Ye,GUAN Guoxiang,FU Yin′an, et al. Natural ventilation in winter and migration characteristics of indoor pollutants[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2016, 37(8): 1151-1156.

Natural ventilation in winter and migration characteristics of indoor pollutants

WANG Ye1,2,GUAN Guoxiang1,FU Yin′an1,SUN Pengbao1,WANG Jingwen1

(1. School of Environmental and Municipal Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China; 2. Key Laboratory of Railway Vehicle Thermal Engineering, Ministry of Education of China, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)

To study the profile of indoor pollutants and their migration characteristics under natural ventilation in winter, in this study, we adopted the realizablek-εturbulent model of computational fluid dynamics (CFD) to numerically analyze the pollutant concentration field in a Lanzhou residence. We used the unsteady heat transfer method to obtain the wall boundary condition of the uniform heat flux. The results indicate that the pollutant concentration profiles in different rooms differ significantly with respect to the coupled heat transfer through the building envelope. The average ventilation efficiency decreases with increasing ventilation time. During a ventilation time of 51 minutes, the ventilation efficiencies of cases 10, 11, and 12 were all over 95%, and the ventilation efficiency of case 12, which had two inlets and one outlet, was over 97%. By simultaneously considering the differences in heating temperature, pollutant concentration, and indoor vertical temperature, our study results show that case 12 is the optimum ventilation mode.

cold zone; unsteady heat transfer; natural ventilation; ventilation mode; ventilation efficiency; indoor air quality; numerical simulation； indoor pollutants

2015-05-15.網絡出版日期：2016-06-23.

國家自然科學基金項目(51266004,51476073)；甘肅省自然科學基金項目(1308RJZA151).

王燁(1972-), 男,教授, 博士生導師.

王燁, E-mail:wangye@mail.lzjtu.cn.

10.11990/jheu.201505032

TU832

A

1006-7043(2016)08-1151-06