幾種捕風器自然通風性能的研究

馬麗

西安建筑科技大學建筑設備科學與工程學院

合理的自然通風不僅能提供新鮮的空氣改善室內空氣品質，同時又能有效地實現被動式制冷，從而達到降低建筑能耗實現節能的目的[1]。因此，越來越多的人意識到自然通風的重要性，近年來，捕風器作為一種有效利用自然風，提高建筑通風效率的系統在中東國家和英國等國家得到了廣泛應用，目前我國對捕風器這種新型通風設備性能仍缺乏全面了解。本文以單側捕風器為研究對象，采用數值模擬的方法研究了不同風向角（a=0～90°）和不同風速（1～6 m/s）下平面型、斜面型（傾斜角45°）、弧面型單側捕風器的自然通風性能，通過對比分析房間進風量，工作區風速，室內平均空氣齡來確定最優捕風器類型及其安裝形式，對實際工程安裝提供一定指導作用。

1 數學模型

本文考慮風壓作用下的捕風器外部區域空氣流動通用控制方程。根據流體力學以及計算流體力學理論，此時只需求解連續性方程與動量方程，并通過realizable k-ε 模型建立封閉的控制方程組[2]。

2 物理模型

2.1 幾何建模及網格劃分

本文選取安裝不同類型單側捕風器的辦公建筑為研究對象，三種不同形狀捕風器即平面型、斜面型、弧面型捕風器具體見圖1，捕風器高1.5 m，風口面積為1 m×1 m，捕風器安裝在建筑尺寸為（長×寬×高）為8 m×6 m×3 m 的辦公室頂部，辦公室單側開窗，窗戶面積為1 m×1 m，具體安裝位置見圖1。

圖1 不同形狀單側捕風器及房間物理模型圖

在計算機模擬過程中，必須保證模擬區域的邊界對于模擬對象影響較小，需要將實際問題的無限空間轉化為具有一定大小的有限計算區域，因此計算域的設置顯得尤為重要，它將直接影響到計算的精確度。在此參考前人對計算模擬區域的經驗設定[3]，采用的三維模型計算域的長度，寬度和高度分別為建筑高度（包括捕風器高度）的20 倍，20 倍和6 倍，即計算區域的幾何尺寸（長×寬×高）為98 m×96 m×27m，上游為建筑物高度的5 倍，下游為建筑高度的15 倍（下游的作用：空氣出口的位置應設在充分發展流處，即出口處應盡量避免回流，以免對上游的流動產生影響）。整個計算區域包括建筑模型如圖2 所示。網格劃分采用結構性網格，捕風器及其風口區域局部加密，經過網格無關性驗證，最后確定網格數為2510845，以平面型捕風器為例，網格劃分見圖3。

圖2 計算域模型圖

圖3 模型網格劃分圖

2.2 邊界條件設置

1）入口面邊界條件設置：計算域內設為速度進口（velocity inlet）。因本研究中只考慮單個房間的自然通風情況，這個房間所處的大氣層高度變化不大，因此入口邊界上的風速設定為均勻流速[4]。速度入口邊界定常流v=1 m/s，2 m/s，3 m/s，4 m/s，5 m/s 和6 m/s 六種。除室外風向角S 為0°、90°直接設置外，其他風向角時，速度進口的風速用進行設置。

2）出流面邊界條件：假定出流面上流動已經充分發展，邊界條件按自由出流（outflow）設定。

3）其他面邊界條件設置：流域頂部和兩側采用對稱邊界條件（symmetry），等價于自由滑移的壁面。建筑物表面和地面采用無滑移的壁面條件（wall）。捕風器進口和窗戶設為內部面（interior）。

2.3 求解方法設置

采用基于Reynolds 時均的RealizableK-ε 兩方程渦粘湍流模型，湍流動能K 和湍流耗散率ε 按照以下公式計算[5]：

式中：I 是湍流強度，本研究中取3%；Cμ為經驗常數，取0.09；l 為湍流尺度，l=kZ（系數K 取0.4，Z 為捕風器進口高度）。

壓力與速度耦合的方式選擇SIMPLE，采用二階迎風差分的離散格式，亞松弛因子均保持默認值，各監視參數的殘差均按照10-5判定收斂。

3 數值計算有效性驗證

為了確定數值計算中所選擇的控制方程，控制方程的離散方法以及邊界條件的設置等是否正確，本文選擇了Montazeri HA 和Azizian R[6]的風洞實驗進行模擬驗證。實驗將單側捕風器的縮尺模型（縮尺比例為1:40）安裝在開放式風洞中，主要測量了外界風速為10 m/s 時不同風向角下，捕風器模型的三個內表面上的三條垂直線的靜壓力，每個內表面的垂線分成8個等距點，根據實測表面壓力計算得到這些點的壓力系數，然后通過壓力系數估算通風量的理論值，進而評價單側捕風器在自然通風研究中的應用潛力，風洞實驗中捕風器模型的尺寸為（長×寬×高）70 mm×40 mm×145 mm，風口尺寸為50 mm×50 mm。根據相關設置得到模擬數據，發現模擬結果與實驗數據基本一致，其中所有測點的最大偏差在15%以內，可以認為模擬結果可信。實驗數據與模擬數據對比如圖5 所示，圖中橫坐標Z 表示壓力系數，縱坐標中Z 表示各個測點的高度，H 為捕風器的高（H=0.145m），壓力系數按照式（3）[7]進行計算。

式中：Cp為模擬點的風壓系數；P 為模擬點處風壓值，Pa；P∞為無窮遠處參考高度處靜壓值，Pa；U0為參考高度處的平均風速，m/s；ρ 為空氣密度，kg/m3。

圖4 沿垂直線上的表面壓力系數的比較

經過上述的比較驗證，證明研究捕風器性能的數學模型選擇，邊界條件及其他參數設置是合理的。對于與實驗相似的單側捕風器新模型仍可以進行計算分析。

4 模擬結果分析

4.1 捕風量影響因素分析

圖5 給出了不同風速、風向角下三種不同類型捕風器的進風量變化圖。由圖5 可得，對于不同形狀的捕風器，進入室內的風量與外界風速和風向有關。風速越大，房間進風量越大，而隨著風向角增大，進風量不斷減小。模擬結果表明，當室外風向角為0°即風垂直進入捕風器時，進入房間內的風量達到最大。此外，該圖還描述了不同類型的單側捕風器對風向的敏感程度，當風向角在0°～45°變化時，風速一定，三種類型的捕風器通風量變化較小，然而，對于風向角較大的情況（a＞45°），通風量下降顯著，當風向角為90°時各類型捕風器進風量均達到最小。數據表明，對于平面型、弧面型、斜面型捕風器，當向風角從0°變為67.5°時，室內進風量分別降低約74%，67%和40%。

圖5 捕風器捕風量隨風速和風向的變化

圖6 給出了風向角為0°時，三種類型捕風器的通風量與外界風速v 的變化情況，從圖中可以看出，隨著風速增大，捕風器誘導進入室內的通風量增加。在風速較小的情況下（v≤3 m/s），三種類型捕風器的誘導進風量非常接近，最大偏差為0.3 m3/s，而當風速增大時（v＞3 m/s），弧面型捕風器較平面型捕風器和45°傾斜面的捕風器進風量更大，有更良好的捕風性能，斜面型捕風器的捕風能力相對較差，弧面型捕風器與斜面型相比，室內進風量的最大偏差約為30%。對于其他風向角的情況，捕風量變化趨勢基本與0°風向角呈現相似的變化規律。

由于我國大多數地區室外平均風速為3 m/s [8]左右，圖7 給出了v=3 m/s 時，不同類型捕風器在不同風向角下的進風量。從圖中可以看出，房間進風量隨著外界風向角呈曲線變化，風向角為0°時，弧面型捕風器進風量分別比平面型和斜面型捕風器的相應值高8%和15%。隨著風向角增大，三種類型捕風器進風量都呈現出下降趨勢，當風向角大于45°時，各類型捕風器捕風量下降趨勢明顯。從以上的分析可知，外界風速和風向對不同類型捕風器的影響較大，若要達到最好的進風效果，在安裝捕風裝置時，首先應考查當地的主要風向，應使其與主流風向成0°～45°的角度，風速大于3 m/s 時，盡可能選擇弧形捕風器。因此了解當地詳細的氣候數據是安裝和應用捕風器的重要前提條件。

圖7 通風量隨外界風向角的變化（v=3 m/s）

4.2 室內通風效果分析

當捕風器與來流方向垂直時，即捕風器的發現方向和外界的風向一致時，安裝弧面型和平面型捕風器的房間通風量風量較大，但并不是風量越大，室內通風效果越好，在室內通風效果的分析中，本文主要考慮的是人體辦公活動高度處的風速及空氣齡分布對人體的影響，所以取室內1.1 m 高（坐姿人員頭部呼吸高度）處的速度場、平均空氣齡場作為研究對象，全面考察平面型和弧面型捕風器的通風性能。由上述分析表明，弧面型捕風器和平面型捕風器在0°～45°有較好的捕風性能。本文選取風速為3 m/s，4 m/s，5 m/s，6 m/s，a=0°和a=45°幾種典型情況進行對比分析，由于篇幅原因，本文只給出了部分工況的云圖。圖8，圖9給出了當外界風速為3 m/s 時，風向角a=0°，45°時被測試房間高度為1.1 m 時水平截面上速度分布云圖。

圖8 安裝平面型捕風器的室內風速分布云圖

圖9 安裝弧面型捕風器的室內風速分布云圖

美國ASHARE 標準中對室內的自然通風環境有以下的規定：室內風速的標準是以不吹落桌面紙張而定，不宜超過1m/s。我國室內空氣質量標準里規定夏季風速不宜高于0.3 m/s[9]。同時結合有關文獻研究，發現室內氣流速度與人體舒適度的關系具體可以如表1所示。

表1 室內風速與人體熱舒適的關系

由圖8、圖9 可以觀察到：

1）各工況下，房間風速在0.1～0.3 m/s 區間所占的比例最大，說明當外界風速為3 m/s 時，室內風速基本能達到舒適性要求。

2）室內風速位于0.25～0.5 m/s 為人體最舒適的區間，對于平面型捕風器，室外風向角為0°時，室內風速位于這個區間所占的比例為40%，隨著風向角增大，當室外風向角為45°時，室內平均風速位于這個區間所占的比例增加，達到60%，因此改變捕風裝置的安裝角度可以明顯提高捕風裝置的舒適性。對于外界風速增加的工況，這里僅給出相關結論，當風速為4 m/s 時，室內平均風速明顯增加，室內平均風速位于舒適區間的比例達到80.3%，自然通風效果良好，當室外風速≥5 m/s 時，室內平均風速大于0.5 m/s，室內吹風感明顯，舒適度降低。

圖10 安裝平面型捕風器的室內平均空氣齡分布云圖

3）對比分析弧面型捕風器與平面型捕風器，二者室內平均風速分布情況基本相似，所不同的是，當室外風速增大到5 m/s 以上時，使用弧面型捕風器的房間室內平均風速仍在舒適性區間內。由此可得，弧面型捕風器適應范圍更廣泛，室外平均風速較大的地區，首選安裝弧面型捕風器。

圖10，圖11 給出了外界風速為3 m/s 時，風向角a=0°，45°時室內1.1 m 高度處平均空氣齡分布云圖。

圖11 安裝弧面型捕風器的室內平均空氣齡分布云圖

將模擬得到的結果進行對比，不同工況下室內1.1 m 高（坐姿人員頭部呼吸高度）處的平均空氣齡值列出如下，結果見表2。

表2 不同工況下室內空氣齡值

從表2 可以歸納出如下幾點：

1）不同類型的捕風器，風向角越大，室內空氣齡平均值越大。

2）當風向角為0°時，使用弧面型捕風器的房間室內空氣齡平均值最小，空氣新鮮度最好，而風向角在0°～45°時，不同類型捕風器室內空氣齡平均值變化不大，基本處于穩定范圍內，室內空氣品質相對較好。

3）通常室內空氣齡在180 s 以下時，空氣都較新鮮[10]。當風速增加時，各工況下室內平均空氣齡均小于180 s。

5 結論

本文采用數值模擬的方法研究了外界風速為1～6 m/s 和外界風向角a 為0°～90°范圍內不同類型單側捕風器的通風性能，通過對各種工況下捕風器進風量、室內風速、室內平均空氣齡對比分析，得出了如下結論：

1）對于不同形狀的捕風器，進入室內的風量與外界風速和風向有關，捕風器的捕風能力隨著外部風速的增加而增加，并隨著風向角的增加而減小。

2）當風向角為0°時，弧面型捕風器誘導進風量比平面型和斜面型捕風器的相應值高4.5%和10%。當風向角在0°～45°變化時，三種類型的捕風器通風量變化較小，然而，當風向角大于45°時，各類型捕風器捕風量下降趨勢明顯。數據表明，對于平面型、弧面型、斜面型捕風器，當向風角從0°變為67.5°時，室內進風量分別降低約74%，67%和40%。這表明，若要達到最好的通風效果，在安裝捕風裝置時，首先應考查當地的主要風向，應使其與主流風向成0°～45°的角度。

3）隨著風速增大，捕風器誘導進入室內的通風量增加。在風速較小的情況下（v≤3 m/s），三種類型捕風器的誘導進風量非常接近，偏差在5%以內。當風速增大時（v＞3 m/s），弧面型捕風器較平面型捕風器和45°傾斜面的捕風器進風量更大，有更良好的捕風性能。

4）綜合考慮室內平均風速，平均空氣齡等因素，外界風速在1～3 m/s 范圍內，房間選擇平面型捕風器和弧面型捕風器都可，但是隨著室內風速的增大，當室外風速大于3 m/s 時，實際工程中宜選擇弧面型捕風器。