何龍靚， 鐘　珂， 張寧波， 亢燕銘

(東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620)

庭院內(nèi)部地面熱力條件對(duì)流場(chǎng)和污染物擴(kuò)散的影響

何龍靚， 鐘珂， 張寧波， 亢燕銘

(東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620)

在不同來(lái)流風(fēng)向和地面熱力條件下，采用數(shù)值模擬方法分析了庭院內(nèi)部流場(chǎng)和污染物擴(kuò)散特征.結(jié)果表明，地面熱力條件對(duì)庭院內(nèi)部流場(chǎng)和污染物擴(kuò)散有著顯著影響，地面熱源強(qiáng)度越大，越有利于庭院內(nèi)部污染物的擴(kuò)散.當(dāng)迎風(fēng)面開(kāi)口較大時(shí)，地面散熱對(duì)人體呼吸區(qū)空氣品質(zhì)的改善作用大于對(duì)整個(gè)庭院內(nèi)部空間的作用.

庭院建筑；污染物；地面熱力條件; 空氣品質(zhì)；數(shù)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(xiàn)代建筑布局中.庭院式建筑具有巨大的利用自然通風(fēng)的潛力，可以減少建筑的能源消耗.經(jīng)過(guò)幾十年的反復(fù)優(yōu)化，庭院建筑形式已經(jīng)相對(duì)成熟，其通過(guò)與當(dāng)?shù)貧夂蛱卣鬟M(jìn)行有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)充分利用能源的目的.北方氣候中，利用庭院作為防風(fēng)建筑以及吸收太陽(yáng)能；而南方氣候中，庭院建筑則可以防曬并降低庭院內(nèi)和室內(nèi)平均氣溫.

庭院建筑在營(yíng)造和維持良好微環(huán)境效果的同時(shí)，也存在內(nèi)部污染物不易清除的缺陷，特別是在大型庭院建筑中，會(huì)有機(jī)動(dòng)車(chē)出入，庭院內(nèi)存在強(qiáng)度較大的污染源.這是否會(huì)導(dǎo)致圍合建筑室內(nèi)空氣質(zhì)量受到內(nèi)部污染物的影響，一直是人們關(guān)心的問(wèn)題.

盡管庭院建筑形式是普遍存在的，但是關(guān)于庭院內(nèi)污染物擴(kuò)散的研究很少，特別是庭院內(nèi)污染源與熱源相伴時(shí)出現(xiàn)的污染物分布特征的研究幾乎沒(méi)有.文獻(xiàn)[1-2]研究了庭院對(duì)內(nèi)部微氣候的影響；文獻(xiàn)[3]利用小型吹風(fēng)轉(zhuǎn)盤(pán)裝置測(cè)量庭院和前庭的通風(fēng)率；文獻(xiàn)[4]在風(fēng)管模型和全尺寸庭院里利用CFD(computational fluid dynamics)軟件研究通風(fēng)率和利用煙氣來(lái)測(cè)量污染物凈化率.

文獻(xiàn)[5]的研究結(jié)果表明,較高的墻面溫度對(duì)街區(qū)內(nèi)氣流和氣流在垂直面上的傳輸能力的影響都很大. 文獻(xiàn)[6]則對(duì)受太陽(yáng)輻射街谷內(nèi)氣流情況進(jìn)行了研究，結(jié)果表明被建筑熱表面加熱的空氣在浮力驅(qū)動(dòng)下向上流動(dòng)，其將影響到街谷內(nèi)空氣流動(dòng)狀態(tài).太陽(yáng)輻射對(duì)庭院地面的輻射加熱也將導(dǎo)致近地面空氣被加熱.庭院相對(duì)封閉，因此，地面熱條件對(duì)庭院內(nèi)流場(chǎng)的影響不可忽略，內(nèi)部污染物的擴(kuò)散和清除效果勢(shì)必與等溫情況有區(qū)別.

本文通過(guò)數(shù)值模擬的方法，分析庭院圍合建筑房間通風(fēng)方向和地面熱源條件對(duì)污染物擴(kuò)散規(guī)律的影響，研究庭院內(nèi)污染物的清除特性和空氣品質(zhì).

1　庭院建筑模型與數(shù)學(xué)模型

1.1庭院建筑模型

本文研究對(duì)象為上海市郊區(qū)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(zhǎng)×寬×高，下同)為108 m×46 m×20 m.該庭院有2個(gè)開(kāi)口(如圖1(b))，其中開(kāi)口1較低矮，尺寸為5 m×14 m×8 m；開(kāi)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(jié)果并節(jié)約數(shù)值計(jì)算成本，本文采用不均勻四面體網(wǎng)格，由于模擬空間計(jì)算域應(yīng)為半敞開(kāi)式庭院建筑的5倍及以上，本文計(jì)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(nèi)部敞開(kāi)空間的地面熱源強(qiáng)度與背景氣流風(fēng)向?qū)νピ簝?nèi)部污染物擴(kuò)散的影響，考慮0°,45°,90°,135°,180°,225°共6種背景風(fēng)向(具體位置見(jiàn)圖1(b)).天氣和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的不同，將造成地面散熱強(qiáng)度不同.本文分別采用3種不同的地面熱源強(qiáng)度，即等溫的情況(q=0 W/m2)、中等的地面熱源強(qiáng)度情況(q=30 W/m2)和較大的地面熱源強(qiáng)度情況(q=70 W/m2).本文以CO作為標(biāo)志性污染物進(jìn)行模擬，污染源位于庭院內(nèi)部?jī)蓚?cè)，距地面高度為0.5 m，位置見(jiàn)圖1(b).

1.2計(jì)算方法

ρ=ρ0[1-β(t-t0)]

(1)

其中：t為流體的溫度；ρ為與t對(duì)應(yīng)的流體密度；t0為工作或環(huán)境溫度；ρ0為與t0相對(duì)應(yīng)的流體密度；β為熱膨脹系數(shù). 文獻(xiàn)[8]研究表明，當(dāng)溫度變化范圍小于30 ℃時(shí)，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(guò)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(xiàng).

在數(shù)值模擬過(guò)程中，考慮氣流的豎向速度分布湍流特性受不同地形類(lèi)型的影響，計(jì)算域的入口采用UDF(user-defined function)編寫(xiě)的速度廓線,其表達(dá)式為

(2)

其中：y為高度，m；vy為y高度處的平均風(fēng)速，vH0為H0高度處的平均風(fēng)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(shù)學(xué)模型合理性的驗(yàn)證

為保證數(shù)值模擬方法分析建筑流場(chǎng)分布特征的可靠性，需要先驗(yàn)證上述數(shù)學(xué)模型的合理性.文獻(xiàn)[9]采用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)M了類(lèi)似圍合建筑內(nèi)部圍合區(qū)域地面散熱及產(chǎn)生污染物的情況(見(jiàn)圖2(a)),對(duì)污染濃度分布進(jìn)行了實(shí)測(cè)，并將實(shí)測(cè)結(jié)果與用ADMS(automatic dynamic analysis of mechanical systems)模型的數(shù)值結(jié)果進(jìn)行了比較. 本文研究的建筑模型與文獻(xiàn)[9]的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停粌H尺寸相當(dāng)，而且側(cè)墻上均開(kāi)設(shè)有門(mén)洞，熱壓通風(fēng)形態(tài)十分相似，因此，本文利用文獻(xiàn)[9]結(jié)果驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算方法的正確性，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與風(fēng)洞實(shí)測(cè)結(jié)果的比較曲線如圖2(b)所示.圖中無(wú)量綱濃度C*定義為

(3)

其中：ci為實(shí)測(cè)濃度值，kg/m3；v為背景風(fēng)速，m/s；H為建筑物高度，m；q0為污染源強(qiáng)度，kg/s.

(a) 數(shù)值計(jì)算驗(yàn)證用建筑模型[9]

(b) 本文模擬結(jié)果與文獻(xiàn)[9]實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較圖2　污染源濃度模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及ADMS模型模擬結(jié)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(shù)值計(jì)算方法模擬的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值很吻合，甚至比文獻(xiàn)[9]中使用ADMS模型模擬的結(jié)果好；但在距建筑物距離≥200 m時(shí)，利用CFD模型所模擬的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值吻合的效果較差.因此，當(dāng)不考慮距離建筑物較遠(yuǎn)地方的流場(chǎng)和濃度分布時(shí)，本文采用的CFD模型可以得到很好的結(jié)果.

2　模擬結(jié)果與分析

為便于比較分析，本文定義無(wú)量綱濃度C如式(4)所示.

(4)

其中：L為庭院內(nèi)部地面寬度，m.

2.1地面熱源強(qiáng)度對(duì)庭院內(nèi)部流場(chǎng)和污染物擴(kuò)散的影響

90°風(fēng)向時(shí)，庭院內(nèi)部典型剖面(具體位置如圖1所示)在地面是否散熱時(shí)的流場(chǎng)和污染物無(wú)量綱濃度分布圖如圖3所示.由圖3(a)可知，當(dāng)?shù)孛娌簧釙r(shí)，污染物主要集中在庭院開(kāi)口1一側(cè).這是因?yàn)楫?dāng)背景氣流垂直吹過(guò)庭院(即90°風(fēng)向)，由于開(kāi)口1的面積遠(yuǎn)小于開(kāi)口2，由開(kāi)口2一側(cè)進(jìn)入的氣流量較大，在這股氣流作用下，庭院內(nèi)部污染物向開(kāi)口1一側(cè)移動(dòng)，最終在近壁面附近堆積.對(duì)比圖3(a)和3(b)可知，隨著地面熱源強(qiáng)度的增大，庭院內(nèi)污染物濃度明顯減少，這主要是因?yàn)楸簧岬孛婕訜岬目諝庠陂_(kāi)口1一側(cè)的墻壁附近形成一股向上的氣流，改變了庭院內(nèi)部的整個(gè)流場(chǎng)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(dāng)?shù)孛娌簧釙r(shí)，氣流向下流入庭院，使得污染物難以排出庭院；而當(dāng)?shù)孛嫔釙r(shí)，氣流在該剖面處形成逆時(shí)針渦流，在渦流的卷吸作用下，從頂部開(kāi)口排除，從而降低了庭院內(nèi)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(nèi)典型剖面流場(chǎng)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(fēng)垂直或平行吹向庭院建筑大立面

(b) 背景風(fēng)傾斜吹向庭院建筑大立面圖4　不同熱力條件下庭院內(nèi)無(wú)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(fēng)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(dāng)?shù)孛嫔釙r(shí)，庭院內(nèi)污染物濃度迅速減小，但當(dāng)?shù)孛鏌嵩磸?qiáng)度由30 W/m2增大至70 W/m2時(shí)，庭院內(nèi)污染物濃度減小不明顯.由圖4(a)可知，當(dāng)背景風(fēng)垂直吹向庭院建筑大立面時(shí)，開(kāi)口1為迎風(fēng)面開(kāi)口時(shí)(0°風(fēng)向)的污染物濃度低于開(kāi)口2為迎風(fēng)面開(kāi)口的情況(180°風(fēng)向)，但兩種情況平均濃度的比例小于開(kāi)口2和開(kāi)口1的面積比.此外還可以看到，當(dāng)背景風(fēng)平行于建筑大立面吹過(guò)時(shí)，庭院內(nèi)部的污染物濃度小于垂直風(fēng)向0°的情況，這是因?yàn)楸M管前者外部氣流為平行掠過(guò)庭院開(kāi)口，但從開(kāi)口1和2均有氣流進(jìn)入庭院，而0°風(fēng)向時(shí)，僅從開(kāi)口1有氣流流入.由圖4 (b)可以看到，背景風(fēng)傾斜吹向建筑大立面時(shí)，庭院上部區(qū)域依然表現(xiàn)出迎風(fēng)面開(kāi)口越大，濃度越小的特征，但在庭院下部區(qū)域(2 m以下空間)則為45°風(fēng)向(小開(kāi)口為迎風(fēng)面開(kāi)口)對(duì)應(yīng)的濃度低于135°和225°的情況.這可能是因?yàn)楦叽箝_(kāi)口為迎風(fēng)面開(kāi)口時(shí)，盡管有大量空氣進(jìn)入庭院，但大部分都不流過(guò)人員空間.而低矮開(kāi)口能夠迫使進(jìn)入庭院的氣流大部分流經(jīng)下部區(qū)域，提高了庭院通風(fēng)排污效果.

2.2地面熱源強(qiáng)度對(duì)庭院內(nèi)部空氣品質(zhì)的影響

(a) Zone-S

(b) Zone-L圖5　不同風(fēng)向與熱源強(qiáng)度下庭院內(nèi)無(wú)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(qiáng)度對(duì)Zone-L有顯著影響，不僅Zone-L的污染物平均濃度隨著熱源強(qiáng)度的增大而減小，濃度隨著風(fēng)向變化的規(guī)律也因?yàn)榈孛嫔岫l(fā)生改變.地面不散熱時(shí)，迎風(fēng)面開(kāi)口較小時(shí)(0°風(fēng)向)的濃度最大，當(dāng)?shù)孛嫔釓?qiáng)度為70 W/m2，迎風(fēng)面為開(kāi)口較大且風(fēng)向斜吹時(shí)(135°風(fēng)向)的濃度最大.

對(duì)比圖5(a)和5(b)還可以發(fā)現(xiàn)，在等溫情況下，Zone-S在同一風(fēng)向下對(duì)應(yīng)的污染物濃度遠(yuǎn)大于Zone-L.在同一風(fēng)向下，隨著熱源強(qiáng)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(jiàn)熱源強(qiáng)度對(duì)庭院近地面的污染物擴(kuò)散起著主要作用.

為進(jìn)一步分析地面熱源強(qiáng)度對(duì)庭院內(nèi)空氣品質(zhì)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(fēng)向，q=0 W/m2時(shí)，庭院內(nèi)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(fēng)向、熱源強(qiáng)度分別為q=30和70 W/m2時(shí)的污染物濃度，kg/m3.

圖6所示為庭院內(nèi)部Zone-L和Zone-S在不同風(fēng)向時(shí)，地面散熱對(duì)污染物濃度的減少率.由圖6可知，Zone-L和Zone-S在同一風(fēng)向下的污染物濃度減少率都隨著熱源強(qiáng)度的增大而增大，可知熱源強(qiáng)度對(duì)庭院內(nèi)部污染物的擴(kuò)散有直接影響.此外，對(duì)比Zone-L和Zone-S的濃度減少率曲線可以發(fā)現(xiàn)，同一熱源強(qiáng)度下，0°風(fēng)向時(shí)Zone-L和Zone-S的濃度減少率相近；45°風(fēng)向時(shí)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(fēng)向(即迎風(fēng)面開(kāi)口較大時(shí))，Zone-S的濃度減少率明顯大于Zone-L的濃度減少率.這是因?yàn)?，熱源?duì)氣流直接產(chǎn)生影響的區(qū)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(shù)風(fēng)向下，熱源強(qiáng)度從30 W/m2增加到70 W/m2，Zone-S的污染物濃度減少率增長(zhǎng)幅度大于Zone-L的污染物濃度減少率增長(zhǎng)幅度.進(jìn)一步說(shuō)明地面散熱對(duì)污染源附近的氣流有不可忽略的影響.總之，當(dāng)迎風(fēng)面開(kāi)口較大時(shí)，地面熱源強(qiáng)度對(duì)人體呼吸區(qū)空氣品質(zhì)的改善作用大于整個(gè)庭院內(nèi)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(jié)　語(yǔ)

本文采用數(shù)值模擬的方法分析了不同來(lái)流風(fēng)向和地面熱力條件對(duì)庭院建筑內(nèi)部流場(chǎng)和污染物擴(kuò)散的影響，結(jié)論如下所述.

(1) 地面熱源強(qiáng)度的改變不僅改變了庭院內(nèi)部氣流的流動(dòng)方向，且有利于庭院內(nèi)部污染物的擴(kuò)散和排出，對(duì)改善庭院內(nèi)部空氣品質(zhì)有著顯著影響.

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

(3) 當(dāng)?shù)孛鏌嵩磸?qiáng)度為0 W/m2時(shí)，人員呼吸區(qū)的污染物濃度遠(yuǎn)大于整個(gè)庭院的污染物濃度，當(dāng)?shù)孛鏌嵩磸?qiáng)度增大時(shí)，這種情況得到改善，人員呼吸區(qū)的污染物濃度與整個(gè)庭院的污染物濃度接近.

(4) 地面熱源強(qiáng)度對(duì)庭院內(nèi)部污染物濃度減少率有著直接影響，熱源強(qiáng)度越大，污染物濃度減少率越高.且當(dāng)迎風(fēng)面開(kāi)口較大時(shí)，地面散熱對(duì)人體呼吸區(qū)空氣品質(zhì)的改善作用大于整個(gè)庭院內(nèi)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(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(40975093)

何龍靚(1988—)，男，安徽寧國(guó)人，碩士研究生，研究方向?yàn)榻ㄖL(fēng)與室內(nèi)空氣品質(zhì). E-mail：helongjing123@126.com

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

TU 111.1; TU 834.2

A