馬廣興 潛 雨 劉鵬飛

交通污染下臨街建筑自然通風(fēng)采風(fēng)口形式探究

馬廣興 潛 雨 劉鵬飛

內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院

應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)對(duì)交通污染情況下的街道污染物分布和街道臨街建筑自然通風(fēng)情況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為邊界條件建立了街道峽谷污染物擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型，采用街區(qū)模擬結(jié)果對(duì)臨街建筑自然通風(fēng)情況進(jìn)行模擬計(jì)算，分析了建筑表面南風(fēng)北風(fēng)高濃度區(qū)域四個(gè)工況下室外壓力、污染物濃度對(duì)室內(nèi)自然通風(fēng)的影響，并在其中一種工況下對(duì)室內(nèi)自然通風(fēng)采風(fēng)口形式進(jìn)行優(yōu)化。

自然通風(fēng)街道峽谷污染物擴(kuò)散計(jì)算流體力學(xué)

當(dāng)前對(duì)自然通風(fēng)的研究只在通過換氣次數(shù)對(duì)舒適性和節(jié)能通風(fēng)的評(píng)價(jià)，但城市街道峽谷的特殊條件對(duì)城市中街道峽谷周邊建筑的自然通風(fēng)有著很強(qiáng)的局限性。本文以一實(shí)際街道的尾氣成分CO為研究對(duì)象，采用CFD數(shù)值模擬的手段預(yù)測(cè)街道流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，研究交通擁堵情況下的臨街建筑自然通風(fēng)形式。

1 街區(qū)污染物濃度分布數(shù)值模擬

1.1 幾何模型的建立

選擇的街區(qū)由四個(gè)建筑物組成，高度及錯(cuò)落形態(tài)形成典型街谷形式[1]。按照街區(qū)大致形態(tài)構(gòu)建街谷建立幾何模型（圖1），并畫出計(jì)算網(wǎng)格（圖2），網(wǎng)格近地面加密，以更好捕捉近地面人員活動(dòng)地帶污染物分布情況。

圖1 幾何模型等視圖

圖2 網(wǎng)格全局

1.2 邊界條件及參數(shù)確定

本文對(duì)街區(qū)污染物濃度分布的數(shù)值模擬，計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)湍流方程，速度入口、無(wú)滑移邊界、對(duì)稱邊界、出流等邊界條件。輸入實(shí)測(cè)尾氣溫度、大氣溫度、污染源強(qiáng)等實(shí)際參數(shù)。

1.3 街區(qū)污染物濃度分布

由于街區(qū)的峽谷形態(tài)，來(lái)流在與街道垂直方向的情況下峽谷內(nèi)流場(chǎng)最不利于污染物的擴(kuò)散[2]，本文以垂直街道的南風(fēng)和北風(fēng)兩個(gè)工況作為研究對(duì)象進(jìn)行數(shù)值模擬。計(jì)算結(jié)果如圖3～4。

圖3 南風(fēng)工況下污染物濃度分布

圖4 北風(fēng)工況污染物濃度分布

由圖3～4看出，街道峽谷的建筑背風(fēng)面污染物濃度在數(shù)值上有所差別。南風(fēng)工況下街谷背風(fēng)面建筑表面濃度明顯比北風(fēng)工況污染物濃度高，污染面積大。南風(fēng)工況和北風(fēng)工況的區(qū)別在于，南風(fēng)工況風(fēng)從較高的建筑吹向較矮的建筑；北風(fēng)工況風(fēng)從較矮的建筑吹向較高的建筑。兩種方式流場(chǎng)形成的漩渦強(qiáng)度不同，從高建筑吹過的風(fēng)，來(lái)流只有小部分低于矮建筑的區(qū)域被遮擋形成回流漩渦；而從矮建筑吹過的風(fēng)，來(lái)流幾乎全部被高建筑遮擋回流形成大漩渦。這與參考文獻(xiàn)[3～5]的研究不謀而合。這證明了筆者建立的數(shù)值模型是可信的，可以近似真實(shí)地反應(yīng)街道峽谷流場(chǎng)形態(tài)及污染物擴(kuò)散分布。

2 臨街建筑自然通風(fēng)數(shù)值模擬

自然通風(fēng)分穿越式通風(fēng)、浮力煙囪式通風(fēng)、單側(cè)式局部通風(fēng)三種不同的方式。由于模擬對(duì)象的街區(qū)建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能多樣，且進(jìn)深較大，建筑內(nèi)通風(fēng)形式復(fù)雜。所以本文在對(duì)建筑臨街的房間通風(fēng)方式的研究中只考慮到單側(cè)局部通風(fēng)這種自然通風(fēng)方式。

2.1 幾何模型介紹

對(duì)比這兩種伏安特性曲線測(cè)試平臺(tái)，可以發(fā)現(xiàn)，采用DH6101平臺(tái)測(cè)試不能實(shí)時(shí)繪制I-V曲線圖，而采用電化學(xué)工作站能實(shí)時(shí)繪制I-V曲線圖，直觀地觀察二極管的伏安特性。在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理階段，相比手工繪圖，利用Origin軟件繪圖降低了繪圖誤差，提高了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的效果。同時(shí)，利用Origin軟件還可以擬合曲線，本次實(shí)驗(yàn)中利用Origin軟件擬合了高斯曲線，擬合優(yōu)度很高。

基于目前國(guó)內(nèi)公共辦公建筑和民用住宅建筑的一般結(jié)構(gòu)形式[6]，本文所選用的幾何模型如圖5。模型房間尺寸為3.6m×3.6m×2.7m，整個(gè)房間采用單側(cè)局部通風(fēng)形式進(jìn)行自然通風(fēng)，臨街側(cè)有兩個(gè)采風(fēng)口作為進(jìn)出風(fēng)口，開口尺寸為0.8m×0.8m。

圖5 室內(nèi)三維模擬模型

采用室內(nèi)零方程對(duì)室內(nèi)自然通風(fēng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。環(huán)境溫度為室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)溫度20℃，壓力為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（忽略室內(nèi)其他因素產(chǎn)生的氣壓）。由于模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單形狀規(guī)則，計(jì)算使用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。網(wǎng)格數(shù)為4.4萬(wàn)。以壓力、溫度和濃度三個(gè)參數(shù)描述開口邊界。計(jì)算輸運(yùn)方程和能量方程，關(guān)注污染物的擴(kuò)散分布，考慮室內(nèi)外空氣溫差引起的自然對(duì)流。

2.2 模擬工況

基于以上對(duì)街區(qū)污染物濃度分布的模擬計(jì)算，取建筑表面濃度值較高的直線數(shù)據(jù)，做濃度隨高度變化的曲線圖，觀察濃度最大出現(xiàn)的位置。對(duì)于南風(fēng)工況，選取建筑表面的四條直線。例如選取建筑表面x=-74m平面的一條直線line15，模擬結(jié)果如圖6～7。

圖6 CO濃度隨高度的變化（line15）

圖7 壓力隨高度的變化（line15）

從圖6～7可知，濃度與壓力分布圖沒有相關(guān)性，濃度最高的地方壓力并不是最高。自然通風(fēng)影響因素主要是風(fēng)速和風(fēng)壓，本研究重點(diǎn)在于自然通風(fēng)所帶進(jìn)室內(nèi)污染物，所以要將污染濃度和風(fēng)壓二者一同考慮。

在本文中，南風(fēng)工況建筑表面濃度存在比較高的地帶，但整個(gè)建筑表面都主要處于較大的負(fù)壓區(qū)，街道的污染空氣不會(huì)輕易地進(jìn)入建筑臨街的室內(nèi)，所以對(duì)此工況，只研究建筑表面濃度最高的區(qū)域，最高濃度出現(xiàn)在高建筑表面；對(duì)于北風(fēng)工況，建筑表面為較小的負(fù)壓和正壓，污染空氣容易進(jìn)入室內(nèi)造成室內(nèi)污染，主要污染區(qū)域在矮建筑表面，所以此工況要研究矮建筑表面各個(gè)高濃度區(qū)域的自然通風(fēng)情況；對(duì)于穿堂風(fēng)工況，整個(gè)街道的污染程度比較低，建筑表面大多也是較低的負(fù)壓和正壓的情況，因此此工況也只研究污染濃度最高區(qū)域的自然通風(fēng)情況。

根據(jù)以上要求，列出幾個(gè)需要模擬工況，見表1。

表1 工況參數(shù)

2.3 計(jì)算結(jié)果

室內(nèi)1.5m處為人員呼吸帶，所以研究平面選擇z=1.5m，計(jì)算結(jié)果示意圖如圖8。

圖8 z=1.5m平面CO濃度分布

由圖8可以看出，只有工況2由室外進(jìn)入的污染空氣大部分直接進(jìn)入室內(nèi)，造成室內(nèi)的空氣污染；而工況1、3、4，室外的污染空氣都被稀釋后進(jìn)入室內(nèi)，與工況2相比沒有造成太嚴(yán)重的室內(nèi)空氣污染。這是由于工況2房屋采風(fēng)口處于正壓區(qū)，室外新風(fēng)會(huì)直接進(jìn)入室內(nèi)。比較采風(fēng)口同樣處于負(fù)壓區(qū)的工況1、3、4，綜合開口進(jìn)入污染物濃度的程度，室內(nèi)受到最小污染影響的工況1。由于工況1開口處負(fù)壓最小，可以說在開口處于負(fù)壓的情況下，負(fù)壓越小，進(jìn)入室內(nèi)的空氣越小，室內(nèi)受到室外空氣污染的幾率越??；負(fù)壓越大，室內(nèi)受室外空氣污染影響越大。

圖9為y=1.8m平面速度矢量圖，從圖中可以看到，負(fù)壓情況房間上下兩個(gè)采風(fēng)口，總是下開口進(jìn)風(fēng)，上開口出風(fēng)。這是由于室內(nèi)空氣溫度與室外空氣溫度存在溫差，室外進(jìn)入的冷風(fēng)使室內(nèi)熱空氣上升，形成環(huán)流，置換出室內(nèi)空氣。這符合自然通風(fēng)單側(cè)局部形式室內(nèi)空氣流動(dòng)規(guī)律。正壓情況兩開口都會(huì)進(jìn)風(fēng)，下風(fēng)口主要出風(fēng)，是由于上風(fēng)口進(jìn)風(fēng)氣流所致。

圖9 y=1.8m平面速度矢量

四種工況的進(jìn)風(fēng)質(zhì)量流量分別為0.004543m3/s，0.004928m3/s，0.004871m3/s，0.004779m3/s。說明工況2的通風(fēng)效率比較高，較容易稀釋室內(nèi)產(chǎn)生的污染氣體，但同時(shí)此工況也是受室外空氣污染影響最嚴(yán)重的情況。

因此，室外空氣對(duì)室內(nèi)的污染隨著風(fēng)壓絕對(duì)值的減小而較小，通風(fēng)效率也隨之變差。通風(fēng)效率與被室外空氣污染程度成負(fù)相關(guān)趨勢(shì)。所以在臨街建筑自然通風(fēng)工程中，不能單單考慮通風(fēng)效率這一個(gè)因素來(lái)評(píng)價(jià)自然通風(fēng)的效果好壞，還要注意室外空氣對(duì)室內(nèi)空氣的污染。

3 通風(fēng)形式優(yōu)化

本文通過改變采風(fēng)口的位置、形狀、大小，探究既能加大通風(fēng)效率又不會(huì)受到室外空氣污染的通風(fēng)方式。為此，設(shè)計(jì)了三種開口形式，如圖10，三種采風(fēng)口形式的模型參數(shù)見表2。

圖10 采風(fēng)口形式

表2 開口形式模型參數(shù)

以室內(nèi)受室外污染最嚴(yán)重的最不利正壓情況（工況2）為研究對(duì)象，進(jìn)行3種不同通風(fēng)形式的數(shù)值模擬。計(jì)算結(jié)果見圖11。

從圖11可以看出，與前節(jié)工況2相比，3種形式的室內(nèi)污染程度都比工況2的污染程度要小。3種形式都在一定程度上稀釋了室外污染空氣對(duì)室內(nèi)的污染，而工況2室內(nèi)平均污染物濃度為8.75078×10-5%是由于被污染的室外空氣直接進(jìn)入室內(nèi)造成室內(nèi)空氣污染。說明這3種形式都有利于阻止室外空氣對(duì)室內(nèi)空氣的污染。3種形式相互比較，形式1室內(nèi)污染程度最低，室內(nèi)平均污染濃度為8.73889×10-5%；形式2的污染程度最高，平均濃度8.74855×10-5%。

圖11室內(nèi)z=1.5m平面CO濃度分布

圖12 為3種形式的速度矢量圖。從圖中可以看出，形式2和形式3都保持了開口處于正壓區(qū)通風(fēng)的特點(diǎn)，上風(fēng)口進(jìn)風(fēng)，下風(fēng)口出風(fēng)；形式1相反的產(chǎn)生上風(fēng)口出風(fēng)，下風(fēng)口進(jìn)風(fēng)的現(xiàn)象。3種形式都存在室內(nèi)空間由受迫進(jìn)風(fēng)和溫差產(chǎn)生浮升力等驅(qū)動(dòng)形成形態(tài)各異的漩渦，擾動(dòng)室內(nèi)氣流流動(dòng)，不同的開口形式形成室內(nèi)氣流不同的擾動(dòng)。從數(shù)值上來(lái)看，形式1室內(nèi)平均風(fēng)速略高為0.1m/s，入口風(fēng)速較大，其他兩種形式室內(nèi)風(fēng)速相對(duì)較低分別為0.05m/s和0.06m/s。原因是形式1開口處于房屋兩端，室內(nèi)空氣會(huì)經(jīng)過更長(zhǎng)的路程和更大的驅(qū)動(dòng)力才能從上側(cè)的開口流出，造成室內(nèi)氣流產(chǎn)生更強(qiáng)的擾動(dòng)，加大凈化污染的能力。

圖13為3種形式的室內(nèi)空氣齡分布，數(shù)據(jù)顯示，形式1的室內(nèi)平均空氣齡為2076s，形式2為1553s，形式3為6874s?？諝恺g分布圖說明，形式3空氣在室內(nèi)滯留的時(shí)間最長(zhǎng)，室內(nèi)氣流流動(dòng)性較差。而形式1平均空氣齡比另兩種形式相對(duì)較小，室內(nèi)空氣流動(dòng)性強(qiáng)。

圖12 y=1.8m平面速度矢量

圖13 y=1.8m平面室內(nèi)空氣齡分布

結(jié)合各形式的通風(fēng)體積流量0.008054m3/s， 0.01106m3/s，0.0009174m3/s來(lái)評(píng)價(jià)3種通風(fēng)形式的通風(fēng)效果。很明顯，形式2的通風(fēng)效果較高，明顯優(yōu)于其他兩種形式。與工況2的0.0049m3/s相比，形式3反而明顯惡化了室內(nèi)通風(fēng)效果。因?yàn)樯祥_口尺寸的減小，使室內(nèi)進(jìn)風(fēng)量減小，這就減緩了室內(nèi)氣流流動(dòng)，減小擾動(dòng)，從室外進(jìn)入室內(nèi)的污染空氣難以排出室外。形式1和2都相對(duì)提高了通風(fēng)效率。

總的來(lái)說，形式1和形式2與工況2相比較都減少了室內(nèi)的污染程度同時(shí)還提高了通風(fēng)效果。所以，改變采風(fēng)口位置和形狀有利于防止室外污染在房屋自然通風(fēng)時(shí)加重室內(nèi)污染。

4 結(jié)論

本文以實(shí)際街區(qū)為模型，利用CFD軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，分析街區(qū)污染物濃度分布情況。

1）考慮到大型建筑內(nèi)通風(fēng)形式的復(fù)雜性，假設(shè)建筑臨街的房間采用單側(cè)局部式自然通風(fēng)。以目前住宅和辦公建筑的一般室內(nèi)模型作為臨街建筑自然通風(fēng)研究對(duì)象，在建筑表面有規(guī)律的設(shè)置采風(fēng)口，將街區(qū)模擬的建筑表面風(fēng)壓、污染物濃度和溫度作為邊界條件進(jìn)行室內(nèi)自然通風(fēng)模擬計(jì)算。經(jīng)數(shù)值計(jì)算發(fā)現(xiàn)處在正壓區(qū)的采風(fēng)口對(duì)室內(nèi)空氣污染嚴(yán)重，而在負(fù)壓區(qū)的采風(fēng)口相對(duì)污染較輕，并且風(fēng)壓的絕對(duì)值越大室內(nèi)受到室外空氣污染越嚴(yán)重。但風(fēng)壓小的區(qū)域通風(fēng)效果變差，不能很好地凈化室內(nèi)空氣。

2）探究減小室外對(duì)室內(nèi)污染程度又同時(shí)加大通風(fēng)效果的方式。計(jì)算結(jié)果表明，采風(fēng)口位置和形狀的改變可以改善室外污染氣體對(duì)室內(nèi)空氣污染的情況，并加大通風(fēng)效果。

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Explore the Air Ope ning of Stre e t Fronta ge Building Na tura l Ve ntila tion on Tra ffic Pollution

MA Guang-xing,QIAN Yu,LIU Peng-fei
College of Civil Engineering,Inner Mongolia University of Technology

The street pollutants in the case of traffic pollution distribution and street frontage building natural ventilation were simulated by Computational Fluid Dynamics.The mathematical model of the street canyon dispersion of pollutant was established based on the measured data as a boundary condition,and the street construction natural ventilation was simulated based on block simulation results.The influence of indoor natural ventilation on the four conditions of outdoor pressure and concentration in the building surface areas of high concentration southerly and northerly were analyzed. Finally,the air opening of indoor natural ventilation was optimized in the form of one of the conditions.

natural ventilation,street canyon,diffusion of pollutants,computational fluid dynamics

1003-0344（2014）04-020-5

2013-5-7

馬廣興（1972～），男，博士研究生，副教授；內(nèi)蒙古呼和浩特市內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院（010051）；E-mail:mgx126@126.com