交通污染下臨街建筑自然通風采風口形式探究

馬廣興 潛 雨 劉鵬飛

交通污染下臨街建筑自然通風采風口形式探究

馬廣興 潛 雨 劉鵬飛

內(nèi)蒙古工業(yè)大學土木工程學院

應用計算流體力學對交通污染情況下的街道污染物分布和街道臨街建筑自然通風情況進行數(shù)值計算。以實測數(shù)據(jù)作為邊界條件建立了街道峽谷污染物擴散數(shù)學模型，采用街區(qū)模擬結果對臨街建筑自然通風情況進行模擬計算，分析了建筑表面南風北風高濃度區(qū)域四個工況下室外壓力、污染物濃度對室內(nèi)自然通風的影響，并在其中一種工況下對室內(nèi)自然通風采風口形式進行優(yōu)化。

自然通風街道峽谷污染物擴散計算流體力學

當前對自然通風的研究只在通過換氣次數(shù)對舒適性和節(jié)能通風的評價，但城市街道峽谷的特殊條件對城市中街道峽谷周邊建筑的自然通風有著很強的局限性。本文以一實際街道的尾氣成分CO為研究對象，采用CFD數(shù)值模擬的手段預測街道流場結構，研究交通擁堵情況下的臨街建筑自然通風形式。

1 街區(qū)污染物濃度分布數(shù)值模擬

1.1 幾何模型的建立

選擇的街區(qū)由四個建筑物組成，高度及錯落形態(tài)形成典型街谷形式[1]。按照街區(qū)大致形態(tài)構建街谷建立幾何模型（圖1），并畫出計算網(wǎng)格（圖2），網(wǎng)格近地面加密，以更好捕捉近地面人員活動地帶污染物分布情況。

圖1 幾何模型等視圖

圖2 網(wǎng)格全局

1.2 邊界條件及參數(shù)確定

本文對街區(qū)污染物濃度分布的數(shù)值模擬，計算采用標準湍流方程，速度入口、無滑移邊界、對稱邊界、出流等邊界條件。輸入實測尾氣溫度、大氣溫度、污染源強等實際參數(shù)。

1.3 街區(qū)污染物濃度分布

由于街區(qū)的峽谷形態(tài)，來流在與街道垂直方向的情況下峽谷內(nèi)流場最不利于污染物的擴散[2]，本文以垂直街道的南風和北風兩個工況作為研究對象進行數(shù)值模擬。計算結果如圖3～4。

圖3 南風工況下污染物濃度分布

圖4 北風工況污染物濃度分布

由圖3～4看出，街道峽谷的建筑背風面污染物濃度在數(shù)值上有所差別。南風工況下街谷背風面建筑表面濃度明顯比北風工況污染物濃度高，污染面積大。南風工況和北風工況的區(qū)別在于，南風工況風從較高的建筑吹向較矮的建筑；北風工況風從較矮的建筑吹向較高的建筑。兩種方式流場形成的漩渦強度不同，從高建筑吹過的風，來流只有小部分低于矮建筑的區(qū)域被遮擋形成回流漩渦；而從矮建筑吹過的風，來流幾乎全部被高建筑遮擋回流形成大漩渦。這與參考文獻[3～5]的研究不謀而合。這證明了筆者建立的數(shù)值模型是可信的，可以近似真實地反應街道峽谷流場形態(tài)及污染物擴散分布。

2 臨街建筑自然通風數(shù)值模擬

自然通風分穿越式通風、浮力煙囪式通風、單側式局部通風三種不同的方式。由于模擬對象的街區(qū)建筑結構復雜，功能多樣，且進深較大，建筑內(nèi)通風形式復雜。所以本文在對建筑臨街的房間通風方式的研究中只考慮到單側局部通風這種自然通風方式。

2.1 幾何模型介紹

對比這兩種伏安特性曲線測試平臺，可以發(fā)現(xiàn)，采用DH6101平臺測試不能實時繪制I-V曲線圖，而采用電化學工作站能實時繪制I-V曲線圖，直觀地觀察二極管的伏安特性。在實驗數(shù)據(jù)處理階段，相比手工繪圖，利用Origin軟件繪圖降低了繪圖誤差，提高了實驗數(shù)據(jù)處理的效果。同時，利用Origin軟件還可以擬合曲線，本次實驗中利用Origin軟件擬合了高斯曲線，擬合優(yōu)度很高。

基于目前國內(nèi)公共辦公建筑和民用住宅建筑的一般結構形式[6]，本文所選用的幾何模型如圖5。模型房間尺寸為3.6m×3.6m×2.7m，整個房間采用單側局部通風形式進行自然通風，臨街側有兩個采風口作為進出風口，開口尺寸為0.8m×0.8m。

圖5 室內(nèi)三維模擬模型

采用室內(nèi)零方程對室內(nèi)自然通風進行數(shù)值計算。環(huán)境溫度為室內(nèi)標準溫度20℃，壓力為1個標準大氣壓（忽略室內(nèi)其他因素產(chǎn)生的氣壓）。由于模型結構簡單形狀規(guī)則，計算使用結構網(wǎng)格。網(wǎng)格數(shù)為4.4萬。以壓力、溫度和濃度三個參數(shù)描述開口邊界。計算輸運方程和能量方程，關注污染物的擴散分布，考慮室內(nèi)外空氣溫差引起的自然對流。

2.2 模擬工況

基于以上對街區(qū)污染物濃度分布的模擬計算，取建筑表面濃度值較高的直線數(shù)據(jù)，做濃度隨高度變化的曲線圖，觀察濃度最大出現(xiàn)的位置。對于南風工況，選取建筑表面的四條直線。例如選取建筑表面x=-74m平面的一條直線line15，模擬結果如圖6～7。

圖6 CO濃度隨高度的變化（line15）

圖7 壓力隨高度的變化（line15）

從圖6～7可知，濃度與壓力分布圖沒有相關性，濃度最高的地方壓力并不是最高。自然通風影響因素主要是風速和風壓，本研究重點在于自然通風所帶進室內(nèi)污染物，所以要將污染濃度和風壓二者一同考慮。

在本文中，南風工況建筑表面濃度存在比較高的地帶，但整個建筑表面都主要處于較大的負壓區(qū)，街道的污染空氣不會輕易地進入建筑臨街的室內(nèi)，所以對此工況，只研究建筑表面濃度最高的區(qū)域，最高濃度出現(xiàn)在高建筑表面；對于北風工況，建筑表面為較小的負壓和正壓，污染空氣容易進入室內(nèi)造成室內(nèi)污染，主要污染區(qū)域在矮建筑表面，所以此工況要研究矮建筑表面各個高濃度區(qū)域的自然通風情況；對于穿堂風工況，整個街道的污染程度比較低，建筑表面大多也是較低的負壓和正壓的情況，因此此工況也只研究污染濃度最高區(qū)域的自然通風情況。

根據(jù)以上要求，列出幾個需要模擬工況，見表1。

表1 工況參數(shù)

2.3 計算結果

室內(nèi)1.5m處為人員呼吸帶，所以研究平面選擇z=1.5m，計算結果示意圖如圖8。

圖8 z=1.5m平面CO濃度分布

由圖8可以看出，只有工況2由室外進入的污染空氣大部分直接進入室內(nèi)，造成室內(nèi)的空氣污染；而工況1、3、4，室外的污染空氣都被稀釋后進入室內(nèi)，與工況2相比沒有造成太嚴重的室內(nèi)空氣污染。這是由于工況2房屋采風口處于正壓區(qū)，室外新風會直接進入室內(nèi)。比較采風口同樣處于負壓區(qū)的工況1、3、4，綜合開口進入污染物濃度的程度，室內(nèi)受到最小污染影響的工況1。由于工況1開口處負壓最小，可以說在開口處于負壓的情況下，負壓越小，進入室內(nèi)的空氣越小，室內(nèi)受到室外空氣污染的幾率越??；負壓越大，室內(nèi)受室外空氣污染影響越大。

圖9為y=1.8m平面速度矢量圖，從圖中可以看到，負壓情況房間上下兩個采風口，總是下開口進風，上開口出風。這是由于室內(nèi)空氣溫度與室外空氣溫度存在溫差，室外進入的冷風使室內(nèi)熱空氣上升，形成環(huán)流，置換出室內(nèi)空氣。這符合自然通風單側局部形式室內(nèi)空氣流動規(guī)律。正壓情況兩開口都會進風，下風口主要出風，是由于上風口進風氣流所致。

圖9 y=1.8m平面速度矢量

四種工況的進風質量流量分別為0.004543m3/s，0.004928m3/s，0.004871m3/s，0.004779m3/s。說明工況2的通風效率比較高，較容易稀釋室內(nèi)產(chǎn)生的污染氣體，但同時此工況也是受室外空氣污染影響最嚴重的情況。

因此，室外空氣對室內(nèi)的污染隨著風壓絕對值的減小而較小，通風效率也隨之變差。通風效率與被室外空氣污染程度成負相關趨勢。所以在臨街建筑自然通風工程中，不能單單考慮通風效率這一個因素來評價自然通風的效果好壞，還要注意室外空氣對室內(nèi)空氣的污染。

3 通風形式優(yōu)化

本文通過改變采風口的位置、形狀、大小，探究既能加大通風效率又不會受到室外空氣污染的通風方式。為此，設計了三種開口形式，如圖10，三種采風口形式的模型參數(shù)見表2。

圖10 采風口形式

表2 開口形式模型參數(shù)

以室內(nèi)受室外污染最嚴重的最不利正壓情況（工況2）為研究對象，進行3種不同通風形式的數(shù)值模擬。計算結果見圖11。

從圖11可以看出，與前節(jié)工況2相比，3種形式的室內(nèi)污染程度都比工況2的污染程度要小。3種形式都在一定程度上稀釋了室外污染空氣對室內(nèi)的污染，而工況2室內(nèi)平均污染物濃度為8.75078×10-5%是由于被污染的室外空氣直接進入室內(nèi)造成室內(nèi)空氣污染。說明這3種形式都有利于阻止室外空氣對室內(nèi)空氣的污染。3種形式相互比較，形式1室內(nèi)污染程度最低，室內(nèi)平均污染濃度為8.73889×10-5%；形式2的污染程度最高，平均濃度8.74855×10-5%。

圖11室內(nèi)z=1.5m平面CO濃度分布

圖12 為3種形式的速度矢量圖。從圖中可以看出，形式2和形式3都保持了開口處于正壓區(qū)通風的特點，上風口進風，下風口出風；形式1相反的產(chǎn)生上風口出風，下風口進風的現(xiàn)象。3種形式都存在室內(nèi)空間由受迫進風和溫差產(chǎn)生浮升力等驅動形成形態(tài)各異的漩渦，擾動室內(nèi)氣流流動，不同的開口形式形成室內(nèi)氣流不同的擾動。從數(shù)值上來看，形式1室內(nèi)平均風速略高為0.1m/s，入口風速較大，其他兩種形式室內(nèi)風速相對較低分別為0.05m/s和0.06m/s。原因是形式1開口處于房屋兩端，室內(nèi)空氣會經(jīng)過更長的路程和更大的驅動力才能從上側的開口流出，造成室內(nèi)氣流產(chǎn)生更強的擾動，加大凈化污染的能力。

圖13為3種形式的室內(nèi)空氣齡分布，數(shù)據(jù)顯示，形式1的室內(nèi)平均空氣齡為2076s，形式2為1553s，形式3為6874s?？諝恺g分布圖說明，形式3空氣在室內(nèi)滯留的時間最長，室內(nèi)氣流流動性較差。而形式1平均空氣齡比另兩種形式相對較小，室內(nèi)空氣流動性強。

圖12 y=1.8m平面速度矢量

圖13 y=1.8m平面室內(nèi)空氣齡分布

結合各形式的通風體積流量0.008054m3/s， 0.01106m3/s，0.0009174m3/s來評價3種通風形式的通風效果。很明顯，形式2的通風效果較高，明顯優(yōu)于其他兩種形式。與工況2的0.0049m3/s相比，形式3反而明顯惡化了室內(nèi)通風效果。因為上開口尺寸的減小，使室內(nèi)進風量減小，這就減緩了室內(nèi)氣流流動，減小擾動，從室外進入室內(nèi)的污染空氣難以排出室外。形式1和2都相對提高了通風效率。

總的來說，形式1和形式2與工況2相比較都減少了室內(nèi)的污染程度同時還提高了通風效果。所以，改變采風口位置和形狀有利于防止室外污染在房屋自然通風時加重室內(nèi)污染。

4 結論

本文以實際街區(qū)為模型，利用CFD軟件進行數(shù)值模擬，分析街區(qū)污染物濃度分布情況。

1）考慮到大型建筑內(nèi)通風形式的復雜性，假設建筑臨街的房間采用單側局部式自然通風。以目前住宅和辦公建筑的一般室內(nèi)模型作為臨街建筑自然通風研究對象，在建筑表面有規(guī)律的設置采風口，將街區(qū)模擬的建筑表面風壓、污染物濃度和溫度作為邊界條件進行室內(nèi)自然通風模擬計算。經(jīng)數(shù)值計算發(fā)現(xiàn)處在正壓區(qū)的采風口對室內(nèi)空氣污染嚴重，而在負壓區(qū)的采風口相對污染較輕，并且風壓的絕對值越大室內(nèi)受到室外空氣污染越嚴重。但風壓小的區(qū)域通風效果變差，不能很好地凈化室內(nèi)空氣。

2）探究減小室外對室內(nèi)污染程度又同時加大通風效果的方式。計算結果表明，采風口位置和形狀的改變可以改善室外污染氣體對室內(nèi)空氣污染的情況，并加大通風效果。

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Explore the Air Ope ning of Stre e t Fronta ge Building Na tura l Ve ntila tion on Tra ffic Pollution

MA Guang-xing,QIAN Yu,LIU Peng-fei
College of Civil Engineering,Inner Mongolia University of Technology

The street pollutants in the case of traffic pollution distribution and street frontage building natural ventilation were simulated by Computational Fluid Dynamics.The mathematical model of the street canyon dispersion of pollutant was established based on the measured data as a boundary condition,and the street construction natural ventilation was simulated based on block simulation results.The influence of indoor natural ventilation on the four conditions of outdoor pressure and concentration in the building surface areas of high concentration southerly and northerly were analyzed. Finally,the air opening of indoor natural ventilation was optimized in the form of one of the conditions.

natural ventilation,street canyon,diffusion of pollutants,computational fluid dynamics

1003-0344（2014）04-020-5

2013-5-7

馬廣興（1972～），男，博士研究生，副教授；內(nèi)蒙古呼和浩特市內(nèi)蒙古工業(yè)大學土木工程學院（010051）；E-mail:mgx126@126.com