馬麗

西安建筑科技大學(xué)建筑設(shè)備科學(xué)與工程學(xué)院

合理的自然通風(fēng)不僅能提供新鮮的空氣改善室內(nèi)空氣品質(zhì)，同時又能有效地實(shí)現(xiàn)被動式制冷，從而達(dá)到降低建筑能耗實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的[1]。因此，越來越多的人意識到自然通風(fēng)的重要性，近年來，捕風(fēng)器作為一種有效利用自然風(fēng)，提高建筑通風(fēng)效率的系統(tǒng)在中東國家和英國等國家得到了廣泛應(yīng)用，目前我國對捕風(fēng)器這種新型通風(fēng)設(shè)備性能仍缺乏全面了解。本文以單側(cè)捕風(fēng)器為研究對象，采用數(shù)值模擬的方法研究了不同風(fēng)向角（a=0～90°）和不同風(fēng)速（1～6 m/s）下平面型、斜面型（傾斜角45°）、弧面型單側(cè)捕風(fēng)器的自然通風(fēng)性能，通過對比分析房間進(jìn)風(fēng)量，工作區(qū)風(fēng)速，室內(nèi)平均空氣齡來確定最優(yōu)捕風(fēng)器類型及其安裝形式，對實(shí)際工程安裝提供一定指導(dǎo)作用。

1 數(shù)學(xué)模型

本文考慮風(fēng)壓作用下的捕風(fēng)器外部區(qū)域空氣流動通用控制方程。根據(jù)流體力學(xué)以及計算流體力學(xué)理論，此時只需求解連續(xù)性方程與動量方程，并通過realizable k-ε 模型建立封閉的控制方程組[2]。

2 物理模型

2.1 幾何建模及網(wǎng)格劃分

本文選取安裝不同類型單側(cè)捕風(fēng)器的辦公建筑為研究對象，三種不同形狀捕風(fēng)器即平面型、斜面型、弧面型捕風(fēng)器具體見圖1，捕風(fēng)器高1.5 m，風(fēng)口面積為1 m×1 m，捕風(fēng)器安裝在建筑尺寸為（長×寬×高）為8 m×6 m×3 m 的辦公室頂部，辦公室單側(cè)開窗，窗戶面積為1 m×1 m，具體安裝位置見圖1。

圖1 不同形狀單側(cè)捕風(fēng)器及房間物理模型圖

在計算機(jī)模擬過程中，必須保證模擬區(qū)域的邊界對于模擬對象影響較小，需要將實(shí)際問題的無限空間轉(zhuǎn)化為具有一定大小的有限計算區(qū)域，因此計算域的設(shè)置顯得尤為重要，它將直接影響到計算的精確度。在此參考前人對計算模擬區(qū)域的經(jīng)驗(yàn)設(shè)定[3]，采用的三維模型計算域的長度，寬度和高度分別為建筑高度（包括捕風(fēng)器高度）的20 倍，20 倍和6 倍，即計算區(qū)域的幾何尺寸（長×寬×高）為98 m×96 m×27m，上游為建筑物高度的5 倍，下游為建筑高度的15 倍（下游的作用：空氣出口的位置應(yīng)設(shè)在充分發(fā)展流處，即出口處應(yīng)盡量避免回流，以免對上游的流動產(chǎn)生影響）。整個計算區(qū)域包括建筑模型如圖2 所示。網(wǎng)格劃分采用結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，捕風(fēng)器及其風(fēng)口區(qū)域局部加密，經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，最后確定網(wǎng)格數(shù)為2510845，以平面型捕風(fēng)器為例，網(wǎng)格劃分見圖3。

圖2 計算域模型圖

圖3 模型網(wǎng)格劃分圖

2.2 邊界條件設(shè)置

1）入口面邊界條件設(shè)置：計算域內(nèi)設(shè)為速度進(jìn)口（velocity inlet）。因本研究中只考慮單個房間的自然通風(fēng)情況，這個房間所處的大氣層高度變化不大，因此入口邊界上的風(fēng)速設(shè)定為均勻流速[4]。速度入口邊界定常流v=1 m/s，2 m/s，3 m/s，4 m/s，5 m/s 和6 m/s 六種。除室外風(fēng)向角S 為0°、90°直接設(shè)置外，其他風(fēng)向角時，速度進(jìn)口的風(fēng)速用進(jìn)行設(shè)置。

2）出流面邊界條件：假定出流面上流動已經(jīng)充分發(fā)展，邊界條件按自由出流（outflow）設(shè)定。

3）其他面邊界條件設(shè)置：流域頂部和兩側(cè)采用對稱邊界條件（symmetry），等價于自由滑移的壁面。建筑物表面和地面采用無滑移的壁面條件（wall）。捕風(fēng)器進(jìn)口和窗戶設(shè)為內(nèi)部面（interior）。

2.3 求解方法設(shè)置

采用基于Reynolds 時均的RealizableK-ε 兩方程渦粘湍流模型，湍流動能K 和湍流耗散率ε 按照以下公式計算[5]：

式中：I 是湍流強(qiáng)度，本研究中取3%；Cμ為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，取0.09；l 為湍流尺度，l=kZ（系數(shù)K 取0.4，Z 為捕風(fēng)器進(jìn)口高度）。

壓力與速度耦合的方式選擇SIMPLE，采用二階迎風(fēng)差分的離散格式，亞松弛因子均保持默認(rèn)值，各監(jiān)視參數(shù)的殘差均按照10-5判定收斂。

3 數(shù)值計算有效性驗(yàn)證

為了確定數(shù)值計算中所選擇的控制方程，控制方程的離散方法以及邊界條件的設(shè)置等是否正確，本文選擇了Montazeri HA 和Azizian R[6]的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)將單側(cè)捕風(fēng)器的縮尺模型（縮尺比例為1:40）安裝在開放式風(fēng)洞中，主要測量了外界風(fēng)速為10 m/s 時不同風(fēng)向角下，捕風(fēng)器模型的三個內(nèi)表面上的三條垂直線的靜壓力，每個內(nèi)表面的垂線分成8個等距點(diǎn)，根據(jù)實(shí)測表面壓力計算得到這些點(diǎn)的壓力系數(shù)，然后通過壓力系數(shù)估算通風(fēng)量的理論值，進(jìn)而評價單側(cè)捕風(fēng)器在自然通風(fēng)研究中的應(yīng)用潛力，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中捕風(fēng)器模型的尺寸為（長×寬×高）70 mm×40 mm×145 mm，風(fēng)口尺寸為50 mm×50 mm。根據(jù)相關(guān)設(shè)置得到模擬數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致，其中所有測點(diǎn)的最大偏差在15%以內(nèi)，可以認(rèn)為模擬結(jié)果可信。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對比如圖5 所示，圖中橫坐標(biāo)Z 表示壓力系數(shù)，縱坐標(biāo)中Z 表示各個測點(diǎn)的高度，H 為捕風(fēng)器的高（H=0.145m），壓力系數(shù)按照式（3）[7]進(jìn)行計算。

式中：Cp為模擬點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)；P 為模擬點(diǎn)處風(fēng)壓值，Pa；P∞為無窮遠(yuǎn)處參考高度處靜壓值，Pa；U0為參考高度處的平均風(fēng)速，m/s；ρ 為空氣密度，kg/m3。

圖4 沿垂直線上的表面壓力系數(shù)的比較

經(jīng)過上述的比較驗(yàn)證，證明研究捕風(fēng)器性能的數(shù)學(xué)模型選擇，邊界條件及其他參數(shù)設(shè)置是合理的。對于與實(shí)驗(yàn)相似的單側(cè)捕風(fēng)器新模型仍可以進(jìn)行計算分析。

4 模擬結(jié)果分析

4.1 捕風(fēng)量影響因素分析

圖5 給出了不同風(fēng)速、風(fēng)向角下三種不同類型捕風(fēng)器的進(jìn)風(fēng)量變化圖。由圖5 可得，對于不同形狀的捕風(fēng)器，進(jìn)入室內(nèi)的風(fēng)量與外界風(fēng)速和風(fēng)向有關(guān)。風(fēng)速越大，房間進(jìn)風(fēng)量越大，而隨著風(fēng)向角增大，進(jìn)風(fēng)量不斷減小。模擬結(jié)果表明，當(dāng)室外風(fēng)向角為0°即風(fēng)垂直進(jìn)入捕風(fēng)器時，進(jìn)入房間內(nèi)的風(fēng)量達(dá)到最大。此外，該圖還描述了不同類型的單側(cè)捕風(fēng)器對風(fēng)向的敏感程度，當(dāng)風(fēng)向角在0°～45°變化時，風(fēng)速一定，三種類型的捕風(fēng)器通風(fēng)量變化較小，然而，對于風(fēng)向角較大的情況（a＞45°），通風(fēng)量下降顯著，當(dāng)風(fēng)向角為90°時各類型捕風(fēng)器進(jìn)風(fēng)量均達(dá)到最小。數(shù)據(jù)表明，對于平面型、弧面型、斜面型捕風(fēng)器，當(dāng)向風(fēng)角從0°變?yōu)?7.5°時，室內(nèi)進(jìn)風(fēng)量分別降低約74%，67%和40%。

圖5 捕風(fēng)器捕風(fēng)量隨風(fēng)速和風(fēng)向的變化

圖6 給出了風(fēng)向角為0°時，三種類型捕風(fēng)器的通風(fēng)量與外界風(fēng)速v 的變化情況，從圖中可以看出，隨著風(fēng)速增大，捕風(fēng)器誘導(dǎo)進(jìn)入室內(nèi)的通風(fēng)量增加。在風(fēng)速較小的情況下（v≤3 m/s），三種類型捕風(fēng)器的誘導(dǎo)進(jìn)風(fēng)量非常接近，最大偏差為0.3 m3/s，而當(dāng)風(fēng)速增大時（v＞3 m/s），弧面型捕風(fēng)器較平面型捕風(fēng)器和45°傾斜面的捕風(fēng)器進(jìn)風(fēng)量更大，有更良好的捕風(fēng)性能，斜面型捕風(fēng)器的捕風(fēng)能力相對較差，弧面型捕風(fēng)器與斜面型相比，室內(nèi)進(jìn)風(fēng)量的最大偏差約為30%。對于其他風(fēng)向角的情況，捕風(fēng)量變化趨勢基本與0°風(fēng)向角呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律。

由于我國大多數(shù)地區(qū)室外平均風(fēng)速為3 m/s [8]左右，圖7 給出了v=3 m/s 時，不同類型捕風(fēng)器在不同風(fēng)向角下的進(jìn)風(fēng)量。從圖中可以看出，房間進(jìn)風(fēng)量隨著外界風(fēng)向角呈曲線變化，風(fēng)向角為0°時，弧面型捕風(fēng)器進(jìn)風(fēng)量分別比平面型和斜面型捕風(fēng)器的相應(yīng)值高8%和15%。隨著風(fēng)向角增大，三種類型捕風(fēng)器進(jìn)風(fēng)量都呈現(xiàn)出下降趨勢，當(dāng)風(fēng)向角大于45°時，各類型捕風(fēng)器捕風(fēng)量下降趨勢明顯。從以上的分析可知，外界風(fēng)速和風(fēng)向?qū)Σ煌愋筒讹L(fēng)器的影響較大，若要達(dá)到最好的進(jìn)風(fēng)效果，在安裝捕風(fēng)裝置時，首先應(yīng)考查當(dāng)?shù)氐闹饕L(fēng)向，應(yīng)使其與主流風(fēng)向成0°～45°的角度，風(fēng)速大于3 m/s 時，盡可能選擇弧形捕風(fēng)器。因此了解當(dāng)?shù)卦敿?xì)的氣候數(shù)據(jù)是安裝和應(yīng)用捕風(fēng)器的重要前提條件。

圖7 通風(fēng)量隨外界風(fēng)向角的變化（v=3 m/s）

4.2 室內(nèi)通風(fēng)效果分析

當(dāng)捕風(fēng)器與來流方向垂直時，即捕風(fēng)器的發(fā)現(xiàn)方向和外界的風(fēng)向一致時，安裝弧面型和平面型捕風(fēng)器的房間通風(fēng)量風(fēng)量較大，但并不是風(fēng)量越大，室內(nèi)通風(fēng)效果越好，在室內(nèi)通風(fēng)效果的分析中，本文主要考慮的是人體辦公活動高度處的風(fēng)速及空氣齡分布對人體的影響，所以取室內(nèi)1.1 m 高（坐姿人員頭部呼吸高度）處的速度場、平均空氣齡場作為研究對象，全面考察平面型和弧面型捕風(fēng)器的通風(fēng)性能。由上述分析表明，弧面型捕風(fēng)器和平面型捕風(fēng)器在0°～45°有較好的捕風(fēng)性能。本文選取風(fēng)速為3 m/s，4 m/s，5 m/s，6 m/s，a=0°和a=45°幾種典型情況進(jìn)行對比分析，由于篇幅原因，本文只給出了部分工況的云圖。圖8，圖9給出了當(dāng)外界風(fēng)速為3 m/s 時，風(fēng)向角a=0°，45°時被測試房間高度為1.1 m 時水平截面上速度分布云圖。

圖8 安裝平面型捕風(fēng)器的室內(nèi)風(fēng)速分布云圖

圖9 安裝弧面型捕風(fēng)器的室內(nèi)風(fēng)速分布云圖

美國ASHARE 標(biāo)準(zhǔn)中對室內(nèi)的自然通風(fēng)環(huán)境有以下的規(guī)定：室內(nèi)風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)是以不吹落桌面紙張而定，不宜超過1m/s。我國室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)里規(guī)定夏季風(fēng)速不宜高于0.3 m/s[9]。同時結(jié)合有關(guān)文獻(xiàn)研究，發(fā)現(xiàn)室內(nèi)氣流速度與人體舒適度的關(guān)系具體可以如表1所示。

表1 室內(nèi)風(fēng)速與人體熱舒適的關(guān)系

由圖8、圖9 可以觀察到：

1）各工況下，房間風(fēng)速在0.1～0.3 m/s 區(qū)間所占的比例最大，說明當(dāng)外界風(fēng)速為3 m/s 時，室內(nèi)風(fēng)速基本能達(dá)到舒適性要求。

2）室內(nèi)風(fēng)速位于0.25～0.5 m/s 為人體最舒適的區(qū)間，對于平面型捕風(fēng)器，室外風(fēng)向角為0°時，室內(nèi)風(fēng)速位于這個區(qū)間所占的比例為40%，隨著風(fēng)向角增大，當(dāng)室外風(fēng)向角為45°時，室內(nèi)平均風(fēng)速位于這個區(qū)間所占的比例增加，達(dá)到60%，因此改變捕風(fēng)裝置的安裝角度可以明顯提高捕風(fēng)裝置的舒適性。對于外界風(fēng)速增加的工況，這里僅給出相關(guān)結(jié)論，當(dāng)風(fēng)速為4 m/s 時，室內(nèi)平均風(fēng)速明顯增加，室內(nèi)平均風(fēng)速位于舒適區(qū)間的比例達(dá)到80.3%，自然通風(fēng)效果良好，當(dāng)室外風(fēng)速≥5 m/s 時，室內(nèi)平均風(fēng)速大于0.5 m/s，室內(nèi)吹風(fēng)感明顯，舒適度降低。

圖10 安裝平面型捕風(fēng)器的室內(nèi)平均空氣齡分布云圖

3）對比分析弧面型捕風(fēng)器與平面型捕風(fēng)器，二者室內(nèi)平均風(fēng)速分布情況基本相似，所不同的是，當(dāng)室外風(fēng)速增大到5 m/s 以上時，使用弧面型捕風(fēng)器的房間室內(nèi)平均風(fēng)速仍在舒適性區(qū)間內(nèi)。由此可得，弧面型捕風(fēng)器適應(yīng)范圍更廣泛，室外平均風(fēng)速較大的地區(qū)，首選安裝弧面型捕風(fēng)器。

圖10，圖11 給出了外界風(fēng)速為3 m/s 時，風(fēng)向角a=0°，45°時室內(nèi)1.1 m 高度處平均空氣齡分布云圖。

圖11 安裝弧面型捕風(fēng)器的室內(nèi)平均空氣齡分布云圖

將模擬得到的結(jié)果進(jìn)行對比，不同工況下室內(nèi)1.1 m 高（坐姿人員頭部呼吸高度）處的平均空氣齡值列出如下，結(jié)果見表2。

表2 不同工況下室內(nèi)空氣齡值

從表2 可以歸納出如下幾點(diǎn)：

1）不同類型的捕風(fēng)器，風(fēng)向角越大，室內(nèi)空氣齡平均值越大。

2）當(dāng)風(fēng)向角為0°時，使用弧面型捕風(fēng)器的房間室內(nèi)空氣齡平均值最小，空氣新鮮度最好，而風(fēng)向角在0°～45°時，不同類型捕風(fēng)器室內(nèi)空氣齡平均值變化不大，基本處于穩(wěn)定范圍內(nèi)，室內(nèi)空氣品質(zhì)相對較好。

3）通常室內(nèi)空氣齡在180 s 以下時，空氣都較新鮮[10]。當(dāng)風(fēng)速增加時，各工況下室內(nèi)平均空氣齡均小于180 s。

5 結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬的方法研究了外界風(fēng)速為1～6 m/s 和外界風(fēng)向角a 為0°～90°范圍內(nèi)不同類型單側(cè)捕風(fēng)器的通風(fēng)性能，通過對各種工況下捕風(fēng)器進(jìn)風(fēng)量、室內(nèi)風(fēng)速、室內(nèi)平均空氣齡對比分析，得出了如下結(jié)論：

1）對于不同形狀的捕風(fēng)器，進(jìn)入室內(nèi)的風(fēng)量與外界風(fēng)速和風(fēng)向有關(guān)，捕風(fēng)器的捕風(fēng)能力隨著外部風(fēng)速的增加而增加，并隨著風(fēng)向角的增加而減小。

2）當(dāng)風(fēng)向角為0°時，弧面型捕風(fēng)器誘導(dǎo)進(jìn)風(fēng)量比平面型和斜面型捕風(fēng)器的相應(yīng)值高4.5%和10%。當(dāng)風(fēng)向角在0°～45°變化時，三種類型的捕風(fēng)器通風(fēng)量變化較小，然而，當(dāng)風(fēng)向角大于45°時，各類型捕風(fēng)器捕風(fēng)量下降趨勢明顯。數(shù)據(jù)表明，對于平面型、弧面型、斜面型捕風(fēng)器，當(dāng)向風(fēng)角從0°變?yōu)?7.5°時，室內(nèi)進(jìn)風(fēng)量分別降低約74%，67%和40%。這表明，若要達(dá)到最好的通風(fēng)效果，在安裝捕風(fēng)裝置時，首先應(yīng)考查當(dāng)?shù)氐闹饕L(fēng)向，應(yīng)使其與主流風(fēng)向成0°～45°的角度。

3）隨著風(fēng)速增大，捕風(fēng)器誘導(dǎo)進(jìn)入室內(nèi)的通風(fēng)量增加。在風(fēng)速較小的情況下（v≤3 m/s），三種類型捕風(fēng)器的誘導(dǎo)進(jìn)風(fēng)量非常接近，偏差在5%以內(nèi)。當(dāng)風(fēng)速增大時（v＞3 m/s），弧面型捕風(fēng)器較平面型捕風(fēng)器和45°傾斜面的捕風(fēng)器進(jìn)風(fēng)量更大，有更良好的捕風(fēng)性能。

4）綜合考慮室內(nèi)平均風(fēng)速，平均空氣齡等因素，外界風(fēng)速在1～3 m/s 范圍內(nèi)，房間選擇平面型捕風(fēng)器和弧面型捕風(fēng)器都可，但是隨著室內(nèi)風(fēng)速的增大，當(dāng)室外風(fēng)速大于3 m/s 時，實(shí)際工程中宜選擇弧面型捕風(fēng)器。