李芃 廉嘉瑋 郭域 呂維勛 臧建彬 吳妍

1 同濟大學機械與能源工程學院

2 華潤置地（東莞）有限公司

0 引言

捕風器作為建筑自然通風技術的裝置之一，具有加強自然通風、降低建筑通風能耗、提高建筑室內熱舒適性的功能。目前已在中東國家、英國等地廣泛應用，如英國肯特郡的藍水購物中心。

捕風器的通風原理是利用風壓差使室內獲得新風。影響捕風器通風性能的因素包括結構尺寸、室內布局、應用場景等[1]。捕風器的性能評價指標包括通風量，空氣齡，室內溫濕度，風速和污染物濃度等參數[2-10]。

在一些分內外區(qū)的建筑中，內區(qū)自然通風條件差，若有效利用捕風器，將改善自然通風效果。本文針對內外區(qū)多房間模型進行數值模擬，研究捕風器與窗戶之間的耦合效應對通風性能的影響，研究結果對捕風器的應用設計具有參考價值。

1 數值模擬

1.1 計算模型

使用CFD 方法完成數值模擬，湍流模型選用RNGk-ε模型，求解方法選擇SIMPLE 算法。在壓力-速度耦合的情況下，壓力采用二階差分，動量方程采用二階迎風差分，湍流動能和湍流耗散率方程采用一階迎風差分。

1.2 計算域和工況設置

在此仿真中，計算域包括外部流場、捕風器和房屋。房屋距風洞的上游入口和下游出口10 m 和40 m。為了確保風洞的橫截面堵塞率小于3%[11]，確定風洞的寬度（D）為35 m×高（H）為25 m=875 m2，阻塞率為2.5%，以滿足模擬要求。最終計算域的尺寸為W×D×H=56 m×35 m×25 m。

為了簡化計算過程，模擬對象是一套由兩個分別位于建筑內外區(qū)房間組成的套房，其中內區(qū)房間頂部的中心安裝了一個帶有四個開口的方形捕風器，外區(qū)房間的一面外墻設有一個打開的外窗。計算域和房屋的示意圖、透視圖及模型尺寸如圖1 所示。根據外窗的位置、有無窗戶、有無捕風器，將模擬分為九個工況。詳情見表1。

圖1 模型示意圖

表1 根據房間相對位置、窗戶和捕風器劃分的九個工況

1.3 邊界條件

將捕風器的四個開口、外墻窗戶、房屋內門設置為內部流場，其他邊界設置為無滑移的光滑壁面，并使用標準壁面函數進行計算。入口為均勻流速入口，風速為2 m/s，表壓設定為0 Pa（標準大氣壓），入口湍流強度為10%，湍流粘度比為10。計算域出口為壓力出口，表壓為0 Pa（標準大氣壓）。

1.4 網格劃分及獨立性檢驗

網格大小設置為建筑物尺寸的十分之一（0.5～5 m）[11]。使用非結構化四面體網格，全局網格大小設置為1 m，并對房屋和捕風器等區(qū)域進行局部加密，以獲得更準確的仿真結果。為了減少計算量，同時保證仿真的準確性，選擇了約400 萬個網格進行仿真，最大網格體積和最小網格體積分別為0.09 m3和3.2 mm3。

對于收斂判斷的依據，如果X，Y，Z 方向速度分量的殘余誤差小于10-3、k，ε和連續(xù)性方程的殘差小于10-2，觀測點速度的不平衡百分比的數值變化低于0.1%，則判斷該計算收斂。

2 模型驗證

模擬的場景本質上是關于建筑繞流的現(xiàn)象，Wilson[12]提供了有關帶有平屋面的長方體建筑物周圍流態(tài)和特征的詳細信息。當不受擾動的穩(wěn)定流入氣流吹向矩形建筑物的一側時，可以根據建筑尺度長度R通過理論公式近似計算由建筑物頂部的分離流引起的渦流循環(huán)區(qū)域的位置，高度和長度。根據本文模擬結果，得到氣流再貼附點（Reattachment）距離屋頂迎風邊緣8.7 m，與理論計算的特征渦的長度（Lc=9 m）較接近，偏離度約為3%，滿足仿真精度要求。

3 結果和討論

根據外區(qū)房間的外窗相對來流風的位置，分為背風，迎風和側風展開分析。

3.1 內區(qū)房間相鄰背風外區(qū)房間

內區(qū)房間與背風外區(qū)房間相鄰的組中設置了三種情況。如圖2 所示，1 號房間是內區(qū)房間，2 號房間是外區(qū)房間。各工況如下：僅在外區(qū)房間背風側開一扇外窗的場景（工況1-1），僅在內區(qū)房間使用捕風器的場景（工況1-2），以及外窗和捕風器都使用的場景（工況1-3）。

圖2 內區(qū)房間與背風外區(qū)房間相鄰

3.1.1 流場

圖3 和圖4 分別給出了三個工況在縱向垂直房屋中心平面（y=0 m）和1.5 m 高度（z=1.5 m）平面的風速流線云圖和風速矢量云圖。從圖3 中來流流線可以看出，除了捕風器背風區(qū)域的渦流分布稍有不同，其他區(qū)域的氣流特征基本類似。房屋迎風面頂部形成了明顯的分離流。在工況1-2 和工況1-3 中，分離氣流一部分撞擊到捕風器迎風面壁面后向下流入室內，這部分空氣流速較高，室內進口平均風速達到了2.1 m/s 左右，中心部分風速達到2.4 m/s。捕風器下方風速達到1.2 m/s 左右。進入室內的新風速度不斷衰減，室內1.5 m 高度處的風速在0.2～0.4 m/s 之間，與室內舒適度標準所規(guī)定的室內風速夏季不應大于0.25 m/s、冬季不應大于0.2 m/s 的規(guī)定值相比[13-15]，室內工作區(qū)風速偏高。工況1-1 的外區(qū)及內區(qū)房間室內風速都較低，基本位于0.2 m/s 以內。

圖3 組一的縱向垂直房屋中心平面風速流線云圖

圖4 組一的1.5 m 高度房屋中心俯視平面風速矢量云圖

3.1.2 通風性能

表2 為組一中三個工況的通風性能參數。從表中可以看出，工況1-3 中房間的通風率和換氣率最高、通風效果最好，其次是工況1-2，工況1-1 通風效果最差。由于存在隔墻，2 號房間（外區(qū)房間）的換氣次數明顯低于帶有捕風器的1 號房間（內區(qū)房間）。工況1-3 內區(qū)房間的換氣次數比工況1-2 的高約57%，比工況1-1的高約63 倍。外區(qū)房間的換氣次數比工況1-2 的高約36%，比工況1-1 的高約9 倍。值得注意的是，除了內區(qū)房間沒有捕風器的工況1-1，房間2 中的所有“新鮮空氣”都來自安裝了捕風器的房間1，均為二次新鮮空氣，這些區(qū)域的空氣質量比外面的新鮮空氣差。

表2 組一的通風量Q 和換氣次數I

圖5 為縱向垂直房屋中心平面和1.5 m 高度平面的局部空氣齡分布云圖。在三種工況中，具有捕風器的房間（工況1-2 和工況1-3）的空氣齡分布是均勻的，并且捕風器的進氣口附近空氣齡最低。隨著高度的降低，帶有捕風器的房間中央區(qū)域的空氣齡逐漸增加。工況1-3 中空氣齡分布最均勻。安裝了捕風器的房間（1 號房間）中的平均空氣齡約為100 s。由于存在隔墻影響新鮮空氣擴散到另一個房間，可以清楚地看到2號房間中每個點的局部空氣齡高于1 號房間，大多數區(qū)域約為240 s。對于工況1-1，空氣齡在1 號房間中最高達到380 0 s，且整體明顯高于2 號房間，空氣質量比其他兩種工況差。

圖5 組一在垂直中心平面（a）和水平面z=1.5 m（b）中的平均空氣齡云圖

3.2 內區(qū)房間相鄰迎風外區(qū)房間

在內區(qū)房間與迎風外區(qū)房間相鄰的組中設置了三種工況。如圖6 所示，各工況如下：僅在外區(qū)房間的迎風側開一扇窗的場景（工況2-1），僅在內區(qū)房間使用捕風器的場景（工況2-2），以及窗口和捕風器都使用的場景（工況2-3）。與組一不同的是靠近迎風側的1號房間是外區(qū)房間，2 號房間是內區(qū)房間。

圖6 內區(qū)房間與迎風外區(qū)房間相鄰

3.2.1 流場

圖7 和圖8 分別給出了三種工況縱向垂直房屋中心平面（y=0 m）和1.5 m 高度（z=1.5 m）平面的風速流線云圖和風速矢量云圖。由圖可知，在房屋后部安裝捕風器的組中，研究對象產生的流場和經典的鈍體流現(xiàn)象相似，因此捕風器安裝位置相對靠后使其完全位于屋面分離流之下，捕風器的通風效果比組一差。因此如果捕風器在單棟建筑的屋面上未能達到一定高度，將無法捕捉到分離流，導致捕風器的通風能力被削弱。

圖8 組二的1.5 m 高度房屋中心俯視平面風速矢量云圖

在工況2-1 中，少量的新鮮空氣通過外區(qū)房間窗戶進入，室內風速低。在工況2-2 中，捕風器位于屋面的分離流下方，因此只能捕獲少量的新鮮空氣。捕風器的迎風側有少量新鮮空氣以約0.2 m/s 的風速進入。在工況2-3 中，進入的氣流以1.6 m/s 的入口風速從窗戶進入1 號房間，并通過門形成穿堂風，從而推動氣流在室內流通和擴散，風速逐漸衰減至0.4 m/s。在這種情況下，穿堂風覆蓋的區(qū)域內1.5 m 高的室內風速要比舒適空調房間的建議值高。同時，捕風器中所有開口均為排風。

3.2.2 通風性能對比

表3 顯示了組二中三個工況的通風性能參數。從表中可以看出，當房屋的迎風面窗戶打開且屋面安裝了捕風器時（工況2-3），兩個房間的通風量和換氣次數最高，通風效果最佳。同時值得注意的是，2 號房間中的所有“新鮮空氣”都來自1 號房間，空氣質量在某種程度上比外部的一次新鮮空氣差。工況2-3 內區(qū)房間的換氣次數比工況2-2 的高約21 倍，比工況2-1 的高約32 倍。外區(qū)房間的換氣次數比工況2-2 的高約103 倍，比工況2-1 的高約24 倍。

表3 組二的通風量Q 和換氣次數I

如圖9 所示為縱向垂直房屋中心平面和1.5 m 高度平面的局部空氣齡分布云圖。在工況2-3 中，空氣齡分布均勻，并且穿堂風通過的所有區(qū)域的空氣局部空氣齡都非常低。隨著穿堂風路徑的延長，局部空氣齡逐漸增加。值得注意的是，由于大多數穿堂風都是通過門進入2 號房間，因此整個2 號房間的空氣齡分布值比1 號房間的空氣齡值低。2 號房間大部分區(qū)域的空氣齡都低于100 s，而大多數1 號房間的空氣齡低于180 s。在工況2-1 及工況2-2 中，空氣齡分布的均勻性都很差。在工況2-2 中，2 號房間空氣齡較低（約500 s），房屋其他區(qū)域的局部空氣年齡在1400 s 以上。對于工況2-1，兩個房間中的空氣齡比工況2-2 稍微均勻一些，但均處于較高水平。1 號房間大部分區(qū)域的空氣齡都高于900 s，而2 號房間的空氣齡則高于1200 s。

圖9 組二在垂直中心平面（a）和水平面z=1.5 m（b）中的平均空氣齡云圖

3.3 內區(qū)房間相鄰側面外區(qū)房間

在內區(qū)房間與側面外區(qū)房間相鄰的組中設置了三種工況。如圖10 所示，僅外區(qū)一側窗戶打開（工況3-1），僅內區(qū)安裝捕風器（工況3-2），窗口和捕風器都設置（工況3-3）。外區(qū)1 號房間的側壁帶有窗戶，而內區(qū)2 號房間安裝捕風器。

圖10 內區(qū)房間與側面外區(qū)房間相鄰

3.3.1 流場

圖11 和圖12 分別給出了三種工況下縱向垂直房屋中心平面（y=0 m）和1.5 m 高度（z=1.5 m）平面的風速流線云圖和風速矢量云圖。從圖中可以看出，在組三中，捕風器的上部位于屋面上部分離的氣流中。在工況3-1 中，兩個房間內的風速很低，并且外區(qū)房間的窗戶附近沒有明顯的速度梯度。在工況3-2 中，捕風器的上風側的風速較高，約為2.4 m/s，在室內形成了向地面流動的氣流。同時，2 號房間的風速高于1 號房間。2 號房間的中心存在較高的風速區(qū)域，在1.5 m 的平面高度處，風速可以達到1.2 m/s。工況3-3 的通風條件相似，窗戶為排風，其附近的風速為0.4 m/s。

圖11 組三的縱向垂直房屋中心平面風速流線云圖

圖12 組三的1.5 m 高度房屋中心俯視平面風速矢量云圖

3.3.2 通風性能對比

表4 為組三中每個工況的通風性能參數。從表中可以看出，工況3-3 中兩個房間的空氣流量和換氣率最高，通風效果最佳。工況3-3 內區(qū)房間的換氣次數比工況3-2 的高約74%，比工況3-1 的高約134 倍。外區(qū)房間的換氣次數比工況3-2 的高約3 倍，比工況3-1的高約5 倍。圖13 所示為縱向垂直房屋中心平面和1.5 m 高度平面中生成的局部空氣齡分布云圖。在工況3-3 中，空氣齡分布相對均勻，2 號房間中的空氣齡最低（約100 s），1 號房間中的空氣齡較高，上部區(qū)域可以達到240 s。整體上1 號房間的空氣齡低于2 號房間。在工況3-2 中，2 號房間中的空氣齡分布與工況3-3 中的相似，但是在1 號房間中沒有窗戶，因此空氣齡整體較高。該房間中央的空氣齡可以達到350 s。在工況3-1 中，空氣齡分布的均勻性很差，在2 號房間中尤為明顯。1 號房間的大多數區(qū)域的局部空氣齡高于800 s，而2 號房間的大多數區(qū)域的局部空氣齡高于2500。

表4 組三的通風量Q 和換氣次數I

圖13 組三在垂直中心平面（a）和水平面z=1.5 m（b）中的平均空氣齡云圖

4 結論

本文利用CFD 數值模擬方法研究了捕風器在多房間房屋的不同通風場景，使用通風量，換氣次數和空氣齡評估室內通風性能。發(fā)現(xiàn)當外區(qū)外窗位于迎風側時，整體通風換氣量最大，同時會造成較明顯的吹風感。位于側風側和背風側時，捕風器主要承擔進風作用，且能夠有效彌補僅窗戶工作時換氣量不足、空氣品質較差的問題。

無論外區(qū)房間位于何處，在捕風器能夠捕獲屋面上部的分離流的前提下，外區(qū)房中的窗與內區(qū)房間中的捕風器耦合通風的方式都可以增強室內通風效果。與不開窗場景相比，外區(qū)房間換氣次數的增量達0.57到21 倍，內區(qū)房間換氣次數的增量達0.36 到近百倍。但是，當捕風器無法捕捉到屋面上部的分離流時，僅依靠捕風器而沒有窗戶，室內的通風效果很差，而且沒有與室外直接通風的房間的空氣質量甚至比外區(qū)房間只有一個打開的窗口的場景還要差。

值得注意的是，本文僅考慮縱向和橫向來流的場景，沒有考慮屋面形式對頂部分離流流型的影響，且熱浮升力對捕風器的通風效果的影響也不容忽視。因此，其他來流角度，屋面形式和熱浮升力對捕風器通風效果的影響值得進一步研究。