自然通風(fēng)條件下室內(nèi)外脈動(dòng)風(fēng)的相關(guān)性研究

李 超，羅會(huì)龍，谷宇新，劉顯瑞

(1.昆明理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650500;2.江蘇合筑建筑設(shè)計(jì)有限公司，江蘇 無錫 214001)

0 引言

相對于空調(diào)和機(jī)械通風(fēng)，自然通風(fēng)具有舒適、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)［1－3］，更利于人的身心健康［4］，因此自然通風(fēng)在國內(nèi)外得到廣泛研究和應(yīng)用。2001年，Per Heiselberg等針對通過兩種類型窗戶——側(cè)懸窗和底懸窗的室內(nèi)氣流流動(dòng)情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究［5］。2010年，董成杰等分析了建筑戶型對自然通風(fēng)效果的影響［6］。2011年，張明瑞做了自然通風(fēng)耦合模擬分析［7］。文獻(xiàn)［8］列舉了國外四處最著名的自然通風(fēng)建筑。國內(nèi)，上海市建筑科學(xué)研究院建筑環(huán)境所，采用了自然通風(fēng)、天然采光、太陽能利用等技術(shù)，使該建筑為同類建筑能耗的25%，可再生能源利用率占建筑使用能耗的20%［9］。%自然通風(fēng)與室外氣象參數(shù)有關(guān)，為研究建筑自然通風(fēng)設(shè)計(jì)用氣象參數(shù)，要將室內(nèi)自然通風(fēng)設(shè)計(jì)與室外建筑群內(nèi)部自然通風(fēng)場緊密聯(lián)系起來［10－11］。通過研究找到室內(nèi)外風(fēng)時(shí)均值與脈動(dòng)特性的相關(guān)性特征，將對建筑自然通風(fēng)設(shè)計(jì)用氣象參數(shù)的獲得起到重要作用。在過渡季節(jié)，采用自然通風(fēng)的房間，氣流還具備一定的動(dòng)態(tài)特征，其湍流度、湍流積分尺度、脈動(dòng)風(fēng)頻等動(dòng)態(tài)特征參數(shù)與室外有一定的關(guān)聯(lián)。

本文將針對深圳市某辦公大樓室內(nèi)外空氣流動(dòng)的特性規(guī)律進(jìn)行探討，分析其中的相互關(guān)系和影響規(guī)律，確定室內(nèi)的時(shí)均值是否取決于室外的時(shí)均值，室內(nèi)的脈動(dòng)值是否取決于室外的脈動(dòng)值，通過分析討論它們之間的關(guān)聯(lián)性，確定哪些脈動(dòng)特性參數(shù)是自然通風(fēng)設(shè)計(jì)用的氣象參數(shù)篩選的條件。

1 室內(nèi)外的風(fēng)速時(shí)均值的相關(guān)性分析

為研究室內(nèi)脈動(dòng)特性參數(shù)是否由室外脈動(dòng)參數(shù)決定的，本文將對室內(nèi)外的風(fēng)速時(shí)均值與脈動(dòng)特性的相關(guān)性進(jìn)行分析。選取深圳市某辦公大樓作為實(shí)測對象，實(shí)測時(shí)間取在通風(fēng)季的某一時(shí)段，由于被測試建筑與時(shí)間不具有普遍的代表性，本實(shí)測僅作為一個(gè)測試和分析方法在此論述，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否具有代表性還應(yīng)在以后的研究中深入探討。

1.1 測試位置與測試時(shí)間

測試位置:室外測試位置在該辦公大樓的樓頂(68 m)，室內(nèi)的測試位置位于該辦公大樓的十二層(60 m)室內(nèi)窗邊的辦公桌上。因條件限制不能滿足室內(nèi)外測點(diǎn)在同一高度處，但是由于該辦公大樓的46 m以上的空間無任何建筑物遮擋，而室內(nèi)外測試點(diǎn)均高于46 m，故近似認(rèn)為室內(nèi)外測點(diǎn)在同一水平高度處。測試期間始終保持室內(nèi)門窗開啟，且開啟角度不變。

測試時(shí)間:2012年4月10日～4月17日，測試時(shí)間段為每天的7:30～18:00，因測量儀器的條件限制，儀器的自動(dòng)采樣時(shí)間為1 min。測試期間每天的室內(nèi)外平均風(fēng)速匯總?cè)绫?。

表1 測試期間全天的室內(nèi)外平均風(fēng)速(m/s)匯總Table.1 Summary of indoor and outdoor average wind speed all day during the test

1.2 室內(nèi)外的風(fēng)時(shí)均值相關(guān)性分析

相關(guān)性分析是對室內(nèi)外風(fēng)速時(shí)均值關(guān)聯(lián)度的直觀評(píng)價(jià)，本文運(yùn)用相關(guān)性的計(jì)算對每天測試數(shù)據(jù)進(jìn)行了獨(dú)立的相關(guān)性分析，見圖1。圖中所示，室內(nèi)外風(fēng)速都有良好的正相關(guān)關(guān)系，其中4月13日、15日、17日室內(nèi)外風(fēng)速時(shí)均值的相關(guān)性為均小于10%，4月10日、11日、12日及16日室內(nèi)外風(fēng)速時(shí)均值均的相關(guān)性為30% ～40%之間，而4月12日室內(nèi)外的風(fēng)速時(shí)均值相關(guān)性則高達(dá)40%。

圖1 室內(nèi)外風(fēng)速時(shí)均值的相關(guān)性Figure 1 Correlation of time mean of indoor and outdoor wind speed

室內(nèi)外風(fēng)速時(shí)均值的灰色關(guān)聯(lián)分析:

通過計(jì)算結(jié)果的比較可以清晰地看出室內(nèi)外風(fēng)速時(shí)均值的關(guān)聯(lián)度多數(shù)集中在0.60以上，最高可達(dá)0.72，只有4月17日的關(guān)聯(lián)度相對較低為0.54，見圖2，即說明室內(nèi)外風(fēng)速時(shí)均值關(guān)聯(lián)度較高。本研究計(jì)算過程中使用鄧氏關(guān)聯(lián)度［12］的計(jì)算結(jié)果，能夠更加直觀地顯示出室外與室內(nèi)脈動(dòng)風(fēng)特性的關(guān)聯(lián)度，提高評(píng)價(jià)的科學(xué)準(zhǔn)確性。

圖2 室內(nèi)外風(fēng)速時(shí)均值灰色關(guān)聯(lián)度Figure2 The gray relational degree of time mean of indoor and outdoor wind speed

2 室內(nèi)外的風(fēng)脈動(dòng)特性相關(guān)性分析

通過對2012年4月10日～4月17日每日7:30～18:00同一高度處的室內(nèi)外兩個(gè)固定測點(diǎn)的風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析方法是將測試期間內(nèi)每天的室內(nèi)外風(fēng)速數(shù)據(jù)每10 min取一個(gè)平均值，并經(jīng)過相應(yīng)的湍流強(qiáng)度、湍流積分尺度、脈動(dòng)風(fēng)頻等數(shù)學(xué)模型的計(jì)算，得出以10 min為間隔的湍流強(qiáng)度、湍流積分尺度、脈動(dòng)風(fēng)頻的數(shù)值。繼而通過灰色相關(guān)度軟件的分析，得到如下三種風(fēng)特征參數(shù)室內(nèi)外的灰色相關(guān)性分析。

(1)室內(nèi)外湍流強(qiáng)度灰色相關(guān)性分析

圖3 室內(nèi)外湍流強(qiáng)度灰色相關(guān)性分析Figure3 Gray correlation analysis of indoor and outdoor turbulence intensity

(2)室內(nèi)外湍流積分尺度灰色相關(guān)分析

圖4 室內(nèi)外湍流積分尺度灰色相關(guān)分析Figure4 Gray corelation analysis of indoor and outdoor integral scale

(3)室內(nèi)外脈動(dòng)風(fēng)頻灰色相關(guān)分析

圖5 室內(nèi)外脈動(dòng)風(fēng)頻灰色相關(guān)分析Figure5 Gray correlation analysis of indoor and outdoor pulsation wind frequence

通過對選定時(shí)段平均風(fēng)速、湍流強(qiáng)度、湍流積分尺度、脈動(dòng)風(fēng)頻等的灰色相關(guān)分析，可得統(tǒng)計(jì)表2。從表中結(jié)果可知，平均風(fēng)速的室內(nèi)外關(guān)聯(lián)程度最高，其平均值為0.65，其次湍流強(qiáng)度、周期性波動(dòng)氣流頻率室內(nèi)外關(guān)聯(lián)度也比較明顯，關(guān)聯(lián)度的平均值均可達(dá)到0.62，由表中的相關(guān)度分析結(jié)果可知湍流積分尺度的室內(nèi)外相關(guān)程度很低，不到0.01，可近似考慮為完全不相關(guān)，因此在設(shè)計(jì)建筑室內(nèi)自然通風(fēng)的過程中，可以忽略室外氣象參數(shù)中湍流積分尺度對室內(nèi)自然風(fēng)的影響。通過以上對室內(nèi)外自然風(fēng)的特征參數(shù)關(guān)聯(lián)度分析可知，在研究建筑用室外氣象參數(shù)過程中，僅需考慮室外自然風(fēng)的平均風(fēng)速、湍流強(qiáng)度、脈動(dòng)風(fēng)頻對室內(nèi)相關(guān)參數(shù)的影響即可。

3 結(jié)論

建筑能耗是能源消費(fèi)構(gòu)成的重要部分，占相當(dāng)大的比重，合理采用自然通風(fēng)，在降低建筑能耗和提高室內(nèi)空氣質(zhì)量方面有著巨大的應(yīng)用潛力和價(jià)值。為研究自然通風(fēng)時(shí)室內(nèi)外風(fēng)速時(shí)均值與脈動(dòng)特性的相互關(guān)系及其影響規(guī)律，本文選取深圳市某辦公大樓作為實(shí)測對象，測試了該大樓同一高度室內(nèi)外4月10日～4月17日每天的7:30～18:00風(fēng)速值，將測試數(shù)據(jù)進(jìn)行了相關(guān)數(shù)學(xué)計(jì)算和分析，得到如下結(jié)論:

(1)自然通風(fēng)條件下，室內(nèi)外風(fēng)湍流積分尺度的相關(guān)程度很低，不到0.01，可近似考慮為完全不相關(guān)。所以，在建筑自然通風(fēng)的設(shè)計(jì)過程中，可忽略室外自然風(fēng)湍流積分尺度對室內(nèi)自然風(fēng)的影響。

表2 時(shí)均值、脈動(dòng)特性參數(shù)的室內(nèi)外相關(guān)度Table2 Indoor and outdoor relevance of time mean，pulsating characteristic parameters

(2)建筑室內(nèi)外自然通風(fēng)的風(fēng)特性參數(shù)高度相關(guān)的有平均風(fēng)速、湍流強(qiáng)度與脈動(dòng)風(fēng)頻，其關(guān)聯(lián)性均高達(dá)0.60以上，并且三個(gè)參數(shù)均呈現(xiàn)出正相關(guān)的關(guān)系，即室內(nèi)脈動(dòng)風(fēng)的平均風(fēng)速值、湍流強(qiáng)度與脈動(dòng)風(fēng)頻取決于室外脈動(dòng)風(fēng)的對應(yīng)參數(shù)。

［1］洪翠，林維明，溫步瀛.風(fēng)電場風(fēng)速及風(fēng)電功率預(yù)測方法研究綜述［J］.電網(wǎng)與清潔能源，2011，27(1):60－64.

［2］管俊，高賜威.儲(chǔ)能技術(shù)在抑制風(fēng)電場功率波動(dòng)方面的研究綜述［J］.電網(wǎng)與清潔能源，2011，27(4):48－53.

［3］Nyuk Hien Wong，Benard Huang.Comparative study of the indoor air quality of naturally ventilated and air－conditioned bedrooms of residential buildings in Singapore［J］.Building and Environment，2004，39(9):1115 －1123.

［4］彭華東，陳曉清，任明，等.電風(fēng)機(jī)組故障智能診斷技術(shù)及系統(tǒng)研究［J］.電網(wǎng)與清潔能源，2011，27(2):61 －66.

［5］Per Heiselberg，kjeld Svidt，PeterV Nielsen.Characteristics of airflow from open windows［J］.Building and Environment，2001，36(1):859 －869.

［6］董成杰，劉鵬.建筑戶型對自然通風(fēng)效果的影響［J］.山西建筑，2010，36(22):209 －210.

［7］張明瑞.自然通風(fēng)耦合模擬分析及設(shè)計(jì)導(dǎo)則研究［D］.北京:清華大學(xué)，2011.

［8］陽麗娜.建筑自然通風(fēng)的多解現(xiàn)象與潛力分析［D］.長沙:湖南大學(xué)，2005.

［9］張宏儒.上海某生態(tài)辦公室示范樓建筑設(shè)計(jì)［J］.新建筑，2006(4):18，53.

［10］柯其枝，譚紅衛(wèi)，朱偉民，等.風(fēng)特性對焊接廠房自然通風(fēng)效果影響的探討［J］.建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2007，26(1):97－99.

［11］柯其枝，譚洪衛(wèi)，季亮，等.恒定風(fēng)與間歇風(fēng)對廠房自然通風(fēng)影響實(shí)驗(yàn)研究［J］.建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2008，27(3):57－59.

［12］劉思峰，黨耀圓，方志耕.灰色系統(tǒng)理論及其應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，2004.