大中型商業(yè)建筑被動(dòng)式過濾通風(fēng)技術(shù)構(gòu)想及分析

陳皓 王曉 周軍莉 洪學(xué)新

大中型商業(yè)建筑被動(dòng)式過濾通風(fēng)技術(shù)構(gòu)想及分析

陳皓1王曉1周軍莉1洪學(xué)新2

1武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院
2武漢理工大學(xué)設(shè)計(jì)研究院

我國(guó)大中型商業(yè)建筑普遍存在能耗大、空氣質(zhì)量差的問題。為此，提出了被動(dòng)式過濾通風(fēng)系統(tǒng)基本構(gòu)想，設(shè)想利用煙囪效應(yīng)，在建筑中設(shè)置拔風(fēng)系統(tǒng)，在墻上設(shè)置空氣過濾網(wǎng)，為建筑提供充足的潔凈新風(fēng)。其后，分析了該系統(tǒng)的核心問題，并利用CFD軟件對(duì)其進(jìn)行了研究，理論證明了該系統(tǒng)的技術(shù)可行性。

商業(yè)建筑被動(dòng)式通風(fēng)過濾式通風(fēng)CFD模擬

在我國(guó)建筑能耗中，公共建筑占有較大比重，其中商業(yè)與辦公樓建筑又占較大比重[1]。在大中型商業(yè)建筑能耗中，空調(diào)能耗比例較高，一般可達(dá)到其總能耗的50%左右[2]。目前，針對(duì)大中型商業(yè)建筑空調(diào)節(jié)能的研究，主要體現(xiàn)在對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的改善與控制等方面；關(guān)于商業(yè)建筑的被動(dòng)式過濾通風(fēng)技術(shù)的研究，尚未查閱到。因此，本論文具有一定的現(xiàn)實(shí)與理論意義。

1 大中型商業(yè)建筑能耗與空氣質(zhì)量特征

1.1能耗特征

在此，“普通大中型商業(yè)建筑”特指營(yíng)業(yè)空間設(shè)有集中空調(diào)系統(tǒng)的、規(guī)模較大的普通商業(yè)建筑，不含對(duì)空氣質(zhì)量要求更高的高檔商業(yè)建筑。一般而言，大中型商業(yè)建筑能耗可以分為空調(diào)能耗、照明系統(tǒng)與電梯運(yùn)行能耗三大部分。以夏熱冬冷地區(qū)為例，其能耗比例一般為：48%、43%、9%左右[3]。

由于大中型商業(yè)建筑對(duì)室內(nèi)空氣潔凈度、溫度、濕度都有一定要求，所以，即使在氣溫比較適宜的過渡季節(jié)，也多須開啟空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行通風(fēng)換氣，這是其空調(diào)能耗比例較高于一般建筑的重要原因。由此可見，如果能夠充分利用被動(dòng)式通風(fēng)技術(shù)，可能會(huì)大幅降低大中型商業(yè)建筑空調(diào)能耗。

1.2空氣質(zhì)量特征

目前，我國(guó)大中型商業(yè)建筑營(yíng)業(yè)空間換氣量往往不充分，加之人員密集、商品繁多等原因，空氣質(zhì)量往往不佳，部分商場(chǎng)經(jīng)常使人感覺新鮮空氣嚴(yán)重不足、部分區(qū)域氣味難聞，許多商場(chǎng)室內(nèi)CO2、甲醛、PM10和TVOC等都超標(biāo)[4]。如果能夠大幅提高換氣量，商場(chǎng)空氣舒適度、健康度都會(huì)大幅提高。

2 被動(dòng)式過濾通風(fēng)系統(tǒng)構(gòu)想及其技術(shù)難點(diǎn)分析

2.1基本構(gòu)想

針對(duì)上述問題，設(shè)想建立技術(shù)系統(tǒng)如下：利用煙囪效應(yīng)，在普通商業(yè)建筑中設(shè)置風(fēng)量可控的拔風(fēng)系統(tǒng)（拔風(fēng)管道可與建筑既有的新風(fēng)管網(wǎng)連接）；在外墻眾多部位設(shè)置相應(yīng)的空氣過濾網(wǎng)；在氣溫比較適宜的過渡季節(jié)（且室外空氣污染指數(shù)輕度以下、空氣濕度不高的條件下），關(guān)閉空調(diào)系統(tǒng)，開啟本技術(shù)系統(tǒng)，室外空氣經(jīng)過過濾網(wǎng)過濾后，進(jìn)入室內(nèi)，為商業(yè)建筑提供充足、清潔的新鮮空氣。系統(tǒng)由三個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成：拔風(fēng)系統(tǒng)、風(fēng)管系統(tǒng)和空氣過濾系統(tǒng)。①拔風(fēng)系統(tǒng)：在建筑內(nèi)部或外部設(shè)置眾多與風(fēng)管系統(tǒng)相連的“拔風(fēng)煙囪”；②風(fēng)管系統(tǒng)：在吊頂內(nèi)部設(shè)置眾多通風(fēng)管道，根據(jù)室內(nèi)空間特點(diǎn)，布置眾多位置不均勻的排風(fēng)口；③空氣過濾系統(tǒng)：在外墻設(shè)置眾多的、能夠滿足商場(chǎng)空氣質(zhì)量要求的窗式過濾網(wǎng)。

該技術(shù)系統(tǒng)基本工作原理及工作過程如下：①眾多的“拔風(fēng)煙囪”開始工作，由太陽能或其它熱能對(duì)“煙囪”上部空氣進(jìn)行不斷加熱，形成煙囪效應(yīng)，排出室內(nèi)空氣；②不同部位的室內(nèi)空氣，通過分布在不同部位的眾多排風(fēng)口，吸入風(fēng)管系統(tǒng)，被充分排出；③室外空氣通過外墻上的眾多過濾網(wǎng)，被過濾后進(jìn)入室內(nèi)，被不同部位的眾多排風(fēng)口所吸，使不同部位的室內(nèi)空氣換氣相對(duì)充分，并降低室溫（圖1）。

圖1 技術(shù)系統(tǒng)工作原理示意圖（局部）

2.2難點(diǎn)分析

根據(jù)本技術(shù)系統(tǒng)特征，按子系統(tǒng)與系統(tǒng)工作關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行分析。

1）拔風(fēng)系統(tǒng)技術(shù)根本難點(diǎn)分析。目前，利用煙囪效應(yīng)的被動(dòng)式通風(fēng)技術(shù)已相對(duì)成熟，利用太陽能的煙囪式拔風(fēng)系統(tǒng)，已有成熟的案例，其構(gòu)造研究也比較清晰[5]，利用其它熱源的“拔風(fēng)煙囪”案例也早有出現(xiàn)[6]，因此，與本系統(tǒng)相關(guān)的拔風(fēng)系統(tǒng)技術(shù)是成熟的。另外，關(guān)于拔風(fēng)系統(tǒng)的開關(guān)、風(fēng)量控制等，都可由自動(dòng)測(cè)溫、自動(dòng)測(cè)風(fēng)速、自動(dòng)控制風(fēng)量的自動(dòng)化控制系統(tǒng)完成，這些技術(shù)也都是成熟技術(shù)，可由自動(dòng)化專業(yè)工程師完成。由此可以認(rèn)為，與本系統(tǒng)相關(guān)的拔風(fēng)系統(tǒng)的真正技術(shù)難點(diǎn)是不存在的。

2）風(fēng)管系統(tǒng)根本技術(shù)難點(diǎn)分析。普通風(fēng)管系統(tǒng)的應(yīng)用早已比比皆是，與本系統(tǒng)相關(guān)的技術(shù)難點(diǎn)也是不存在的。

3）空氣過濾系統(tǒng)根本技術(shù)難點(diǎn)分析。由于本技術(shù)系統(tǒng)只適合室外空氣污染指數(shù)輕度以下、空氣濕度不高的條件，因此，本技術(shù)系統(tǒng)之空氣過濾系統(tǒng)的主要過濾目標(biāo)是懸浮顆粒物，避免懸浮顆粒物較多進(jìn)入室內(nèi)，造成清潔工作量較大。據(jù)研究，粗效空氣過濾網(wǎng)可滿足一般商業(yè)建筑室內(nèi)空氣質(zhì)量要求[7]。因此，本技術(shù)系統(tǒng)可采用粗效空氣過濾網(wǎng)，此類過濾網(wǎng)技術(shù)是成熟的。此外，窗式空氣過濾網(wǎng)的安裝、更換及清洗也是比較容易的。由此可見，與本系統(tǒng)相關(guān)的空氣過濾系統(tǒng)真正技術(shù)難點(diǎn)也是不存在的。

4）充分換氣的根本技術(shù)難點(diǎn)分析。對(duì)此，可以建立典型商業(yè)空間運(yùn)用本技術(shù)系統(tǒng)的工作模型，進(jìn)行通風(fēng)數(shù)值模擬分析，并根據(jù)分析結(jié)果，不斷調(diào)整模型，直至達(dá)到理想工況。這需要利用較大的計(jì)算機(jī)工作站進(jìn)行，且設(shè)計(jì)與調(diào)整工作量較大，其難點(diǎn)在于研究條件與研究過程，不存在理論上的根本技術(shù)難點(diǎn)。

5）門廳阻滯室外空氣進(jìn)入室內(nèi)的根本技術(shù)難點(diǎn)分析。在商業(yè)建筑中，由于主要出入口一般不能設(shè)置開合式大門，如果不經(jīng)特殊處理，在本技術(shù)系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，由于門口處的空氣阻力小于過濾網(wǎng)處，會(huì)造成該處直接吸入大量室外空氣、而且風(fēng)速較大的問題，使本技術(shù)系統(tǒng)無法滿足商業(yè)建筑需要。因此，研究如何避免產(chǎn)生上述問題，乃是本技術(shù)系統(tǒng)的根本技術(shù)難點(diǎn)之所在。

3 數(shù)值模擬

目前，國(guó)內(nèi)外研究自然通風(fēng)的方法主要有三種：理論分析法、實(shí)驗(yàn)法和數(shù)值模擬法[8]。針對(duì)上述根本技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行研究，理論分析法難以獲得較為可信的結(jié)果，實(shí)驗(yàn)法耗資耗時(shí)耗力巨大，因此，本研究階段采取數(shù)值模擬法，選用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬研究，并利用Tecplot進(jìn)行后期數(shù)據(jù)處理。

3.1模型建立

3.1.1模型基本空間設(shè)定

選取典型商業(yè)建筑，針對(duì)上述根本技術(shù)難點(diǎn)，選取單個(gè)門廳及其周邊區(qū)域，建立與其環(huán)境相近似的“簡(jiǎn)單模型”。為簡(jiǎn)化計(jì)算，暫忽略樓層之間的空氣流動(dòng)，暫忽略此模型之外的空氣流動(dòng)對(duì)本區(qū)域的影響，設(shè)定面寬24.2m、進(jìn)深10.2m的首層營(yíng)業(yè)空間為“簡(jiǎn)單模型”的空間范圍，對(duì)運(yùn)用本技術(shù)系統(tǒng)的大中型商業(yè)建筑門廳及其周邊區(qū)域通風(fēng)狀況進(jìn)行近似性模擬研究，并利用對(duì)稱性原則，選取該模型的一半作為計(jì)算域（圖2）。

圖2 模型綜合平面示意圖

3.1.2模型局部特征設(shè)定

1）拔風(fēng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的構(gòu)造形式多種多樣，煙囪內(nèi)部熱能可通過太陽能、人工熱能等多種手段獲得，且得熱量可控，因此，為簡(jiǎn)化計(jì)算，根據(jù)煙囪通風(fēng)技術(shù)特征，本階段研究對(duì)其初步設(shè)定如下：選取煙囪（out1、out2）截面尺寸1.2m×0.6m、豎向高6m；并設(shè)定陽光射在煙囪的東、西、南三個(gè)表面的熱能全部被煙囪內(nèi)部空氣吸收，煙囪北面壁為絕熱體。

2）管道系統(tǒng)、過濾系統(tǒng)。室內(nèi)通風(fēng)管道截面尺寸0.7m×0.4m，回排風(fēng)口（out1-1……）0.5m×0.5m。窗式過濾網(wǎng)離地0.9m，過濾網(wǎng)1（porous jump1）寬5.6m、高2.1m；過濾網(wǎng)2（porous jump2）寬1.5m、高2.1m。

圖3 模型網(wǎng)格

3）門廳。門（door）的尺寸為2.4m×2.4m。門廳阻滯室外空氣進(jìn)入室內(nèi)的措施有多種，包括設(shè)置門斗、門簾、風(fēng)幕等。其中只有風(fēng)幕有可能持續(xù)性阻滯室外空氣進(jìn)入室內(nèi)，因此，模型初步選擇在出入口設(shè)置風(fēng)幕，并與出入口不設(shè)任何阻礙的況進(jìn)行比較研究。

模型網(wǎng)格采用四邊形結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格結(jié)合的方法劃分網(wǎng)格（圖3）。

3.2基本假設(shè)

該模擬采用RNG的k-ε模型，下面是進(jìn)一步的簡(jiǎn)化和假設(shè)：

1）暫不考慮室外風(fēng)速與氣溫變化對(duì)室內(nèi)的影響；室內(nèi)氣流屬常壓、常溫、低速下的流動(dòng)，可視為不可壓縮理想氣體，且符合Boussinesq假設(shè)，認(rèn)為密度變化僅僅對(duì)浮升力產(chǎn)生影響[9]。

2）相關(guān)研究表明，任意分布纖維過濾網(wǎng)在v≤0.3m/s的低速情況下，壓降與風(fēng)速呈線性關(guān)系，過濾網(wǎng)壓降可以用Darcy定律進(jìn)行描述[10]。

式中：△p為壓降，Pa；μ是層流流體粘性；K為介質(zhì)的滲透率；v為垂直介質(zhì)的速度分量；△m為介質(zhì)的厚度。

3.3邊界條件

根據(jù)本技術(shù)系統(tǒng)工作特征與相關(guān)參數(shù)，在Fluent軟件中設(shè)定如下邊界條件。

1）通風(fēng)入口和煙囪頂部出口的邊界條件。門廳及風(fēng)道入口采用壓力入口邊界條件，所有煙囪出口采用壓力出口邊界條件。

2）過濾網(wǎng)的邊界條件。過濾網(wǎng)采用多孔介質(zhì)邊界條件。選用上海禾益設(shè)備制造有限公司生產(chǎn)的平板式粗效空氣過濾網(wǎng)。其具體參數(shù)為：材料為特制膨松型高通量低阻力纖維，厚度15mm，額定風(fēng)量1200m3/h，初阻力20Pa。代入式1，得到過濾網(wǎng)的滲透系數(shù)為：K=1.79E-08m2。

3）煙囪壁面邊界條件。依據(jù)武漢過渡季節(jié)太陽輻射量給出定熱流量，煙囪南面壁面墻熱流為307W/m2、西壁面墻熱流流量為268W/m2，北壁面為絕熱體。

4）人流和照明邊界條件。設(shè)定人員散熱量均布于地面，照明散熱量均布于天花板局部區(qū)域[11]（圖2中簡(jiǎn)化燈具區(qū)域）。兩者均考慮為平面熱源，采用第二類邊界，為定熱流邊界條件，人流熱流為68W/m2，燈光熱流為40W/m2。

5）風(fēng)幕機(jī)邊界條件。采用進(jìn)口風(fēng)扇邊界條件，給定壓力值為100Pa。

3.4數(shù)值模擬與分析

分別對(duì)“有過濾網(wǎng)但門廳不設(shè)阻礙的通風(fēng)狀況”（工況A）及“有過濾網(wǎng)且門廳設(shè)置風(fēng)幕的通風(fēng)狀況”（工況B）進(jìn)行模擬研究。工況A研究作為對(duì)工況B研究的比較。

3.4.1工況A數(shù)值模擬

模擬結(jié)果如圖4～5。

圖4 Case A y=1.5m平面速度云圖

圖5 Case A x=11.5m截面速度云圖

3.4.2工況B數(shù)值模擬

模擬結(jié)果如圖6～9所示。

圖6 Case B y=1.5m平面速度云圖

圖7 Case B x=1m截面速度云圖

圖8 Case B x=7.5m截面速度云圖

圖9 Case B x=11.5m截面速度云圖

3.4.3模擬結(jié)果分析

分析研究云圖及數(shù)據(jù)表明：①工況A中，室外空氣從出入口處大量、直接流入室內(nèi)；②工況B中，室外空氣通過過濾網(wǎng)能夠較為充分地進(jìn)入到室內(nèi)各部分，但室內(nèi)空氣風(fēng)速不等；風(fēng)幕較為成功地阻滯了室外空氣的進(jìn)入，并對(duì)室內(nèi)空氣流動(dòng)產(chǎn)生一定擾動(dòng)；③風(fēng)幕風(fēng)速出風(fēng)速度在6.5599m/s的情況下（商業(yè)建筑風(fēng)幕出風(fēng)速度為一般為4～9m/s），距地1.5m處的風(fēng)幕風(fēng)速約為3m/s，不會(huì)對(duì)人的舒適性造成影響。

4 結(jié)論

本文研究表明，在應(yīng)用本技術(shù)系統(tǒng)的“一般大中型商業(yè)建筑”中，在出入口設(shè)置風(fēng)幕，可以有效阻滯未過濾的室外空氣進(jìn)入室內(nèi)，并不影響室外空氣經(jīng)過設(shè)置在外墻上的過濾網(wǎng)進(jìn)入室內(nèi)。由此，可以初步表明，本文所構(gòu)想的被動(dòng)式過濾通風(fēng)技術(shù)系統(tǒng)，在理論上是能夠成立的。

不過，本文的研究，只是初步的、概念性的，更為深入、全面的研究，如全系統(tǒng)綜合運(yùn)行狀況、氣流相對(duì)均勻度問題、空氣干燥條件下的加濕問題、系統(tǒng)控制問題、關(guān)鍵構(gòu)造問題等，都還有賴于更為全面的數(shù)值模擬研究、實(shí)驗(yàn)研究，甚至是接近真實(shí)建筑空間尺度的全面實(shí)驗(yàn)研究。本構(gòu)想的提出與初步研究，期望能夠起到拋磚引玉的效果。

[1]吳鋒,劉國(guó)賢.杭州市公共建筑能耗調(diào)查與分析[J].建筑節(jié)能, 2009,37(11):63-65

[2]薛軍.商業(yè)建筑空調(diào)節(jié)能技術(shù)探討[J].能源與環(huán)境,2007,(2): 111-112

[3]王樹鍵,彭家惠.重慶市既有大中型商場(chǎng)建筑特征及能耗調(diào)研分析[J].建筑節(jié)能,2008,36(1):58-59

[4]鄧高峰,王志勇.公共建筑室內(nèi)空氣品質(zhì)與人體舒適性關(guān)系研究[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào),2011,30(5):29-29

[5]薛宇峰,蘇亞欣.太陽能煙囪結(jié)構(gòu)對(duì)通風(fēng)效果的數(shù)值研究[J].暖通空調(diào),2011,41(10):80-83

Study on the Te c hnic a l Conc e pt a nd Proble m of Pa s s ive Filte r Ve ntila tion of La rge a nd Me dium-s ize Com m e rc ia l Building

CHEN Hao1,WANG Xiao1,ZHOU Jun-li1,HONG Xue-xin2
1 School of Civil Engineering and Architecture,Wuhan University of Technology
2 Design&Research Institute of Wuhan University of Technology

The Large and medium-sized commercial buildings in our country have problems of large energy consumption,poor air quality.Therefore,this paper presents the basic idea about passive filtered ventilation system, conceived using the stack effect,set the wind pull system in the building and set up the air filter on the wall to provide adequate clean and fresh air for building.Then,analysis the core issues about this system,and researched by CFD software,theoretical proof the technical feasibility of this system.

commercial buildings,passive ventilation,filter ventilation,CFD simulation

1003-0344（2014）06-015-4

2013-8-15

王曉（1963～），男，教授：武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院（430070）：E-mail：wxap2@163.com

武漢市建委科研項(xiàng)目（201242）