窗口開啟度對室外顆粒傳播的影響研究

李雪洋

摘 要：室內外環境的空氣品質與人們的健康有著密切關聯，而不同的窗口開啟度對室內外空氣品質有不同的影響。為營造良好的室內環境，文章研究了開窗建筑穿堂風情況下室外顆粒污染物的傳播特性，為改善室內空氣品質提供很好的參考依據。

關鍵詞：開窗建筑；窗口開啟度；室內外空氣品質

由于人們70%～90%的時間是在室內度過的，室內空氣品質對于健康起著關鍵性作用[1]。通過研究大量國內外文獻可以發現，已有相當多的學者對建筑空間（包括街谷與建筑群）中風場以及對污染物擴散、溫度場以及對污染物擴散、室內外顆粒物污染特性等規律進行了研究，但是這些研究中都將建筑物簡化為了封閉的長方體，鮮有針對建筑壁面存在通風口（門或窗口）時以及不同窗口開啟度情況下室外顆粒污染物在建筑周圍傳播規律的研究。根據已有實測調查數據（東華大學實測調查數據），選取不同建筑窗口開啟度進行數值模擬計算，分別為：不開窗、中等窗口開啟度（窗口總面積與建筑立面面積之比為4.44%）、高等窗口開啟度（窗口總面積與建筑立面面積之比為9.78%）。文章針對建筑壁面存在通風口（門或窗口）時以及不同窗口開啟度情況下室外顆粒污染物在建筑周圍傳播規律的研究。

1 物理模型及數值方法的描述

文章的研究對象選取了對稱分布的住宅小區為模型背景，建立了如圖1所示的物理模型。

圖1 住宅小區物理模型

圖1中，計算模型的坐標系中X=0位于前棟建筑的橫向中心，Y=0位于地面，Z=0位于前棟建筑迎風面，方形建筑尺寸為15m×45m×15m（寬×長×高），建筑之間街谷的寬度為20m。每棟建筑都布置有15個開窗房間，房間尺寸為3m×15m×3m（寬×長×高），建筑兩側的窗口面積相等，當窗口尺寸為1m×2m時表示中等窗口開啟度，當窗口尺寸為2m×2.2m時表示高等窗口開啟度。文章劃分網格選取非結構化六面體網格，文章的網格數為177萬。

2 邊界條件的設定

文章選用以歐拉-拉格朗日方法為基礎的DPM模型。將氣體相視為三維連續不可壓縮流體，在歐拉坐標系下滿足N-S方程；將顆粒相視為離散體系，通過積分拉氏坐標系下的顆粒作用力微分方程來求解離散相顆粒的軌道。

文章顆粒源為1m寬的面源，位于街谷中央，顆粒源的質量流量為3g/s，由于顆粒污染物選取室外PM2.5，因此顆粒粒徑選取2.5？滋m[2]，顆粒密度取1550kg/m3。采用數值方法模擬計算的邊界條件設置如下。

連續相邊界條件：采用標準模型（雙方程模型）。對整個計算域來說，入口采用UDF根據風速隨高度變化曲線編寫的速度廓線，其中地面粗糙度m=0.2375，并設置為速度入口（velocity inlet）。

出口和計算域上部截面采用壓力出口（pressure outlet），計算區域前后側面采用對稱邊界（symmetry），所有建筑壁面以及地面采用無滑移邊界條件。求解器選擇定常壓力求解器。

離散相邊界條件：壁面（wall）、對稱面（symmetry）均為反射（reflect）邊界條件，并且恢復系數均為1.0，速度入口（velocity inlet）、壓力出口（pressure outlet）均采用逃逸（escape）邊界條件。粒子追蹤選擇非定常追蹤。

3 模擬計算結果及分析

建筑立面的窗口開啟度不同，對街谷中的顆粒物濃度場產生影響，文章將對顆粒物的濃度隨窗口開啟度不同而變化的情況進行分析。

通過研究分析得到，不開窗情況下沿X方向污染物在街谷中的傳播過程，首先會在地面沉積，然后隨著氣流的運動，形成漩渦式分布并在靠近屋頂處集聚。隨剖面向區域邊緣靠近，建筑街區中上部顆粒濃度減少，反而集中在街區下部，并且遠離背風建筑而靠近迎風建筑的背風側。

開窗情況下，由于建筑立面存在通風口，通風口加強了建筑流場的運動，顆粒物的分布開始呈現分散的趨勢，靠近建筑中心的顆粒分散相對明顯，反而建筑邊緣處顆粒濃度相對集中，并且漩渦中心濃度達到最大。

隨著開窗面積的增大，背風建筑的每一層開窗室內均會有顆粒擴散進去，越低層的住戶室內顆粒濃度越高，說明了建筑中部區域的低層住戶受污染程度是最嚴重的。但在最大開窗情況下的背風建筑底層通風房間有顆粒擴散進去，說明此處氣流不穩定程度較大，增強自然通風的同時容易受到外界污染物的侵襲。

整體而言，建筑立面存在通風口時，對整個流場的運動有加強作用，窗口開啟度越大，這種作用越明顯。此外，位于建筑中心面附近的通風住戶受到污染的程度比邊緣處住戶的大，位于建筑底層的通風住戶受到的污染程度比上層住戶的大。

4 結束語

文章通過數值模擬的方法，分析建筑立面不同開窗情況下建筑周圍顆粒污染物濃度場的變化規律，得到以下結論：（1）窗口開啟度對迎風房間室內空氣擾動有一定的加強作用，對背風建筑則效果不大，污染物到達背風建筑后不易擴散。（2）位于建筑中心面附近的通風住戶受到污染的程度比邊緣處住戶的大，位于建筑底層的通風住戶受到的污染程度比上層住戶的大。因此位于容易受污染位置的住戶應該加強防污措施，對建筑小區進行設計時也應考慮到這方面因素，加大前后建筑間的距離，以降低對住戶的污染。

參考文獻

[1]蔡歡歡.建筑物附近顆粒污染物分布規律的研究[D].上海：東華大學環境學院，2007.

[2]KITTELSON D B.Engines and nanoparticles：a review[J].Journal of Aerosol Science，1998，29（5，6）：575-588.