分內外區的多室房間自然通風性能的數值研究

李芃 廉嘉瑋 郭域 呂維勛 臧建彬 吳妍

1 同濟大學機械與能源工程學院

2 華潤置地（東莞）有限公司

0 引言

捕風器作為建筑自然通風技術的裝置之一，具有加強自然通風、降低建筑通風能耗、提高建筑室內熱舒適性的功能。目前已在中東國家、英國等地廣泛應用，如英國肯特郡的藍水購物中心。

捕風器的通風原理是利用風壓差使室內獲得新風。影響捕風器通風性能的因素包括結構尺寸、室內布局、應用場景等[1]。捕風器的性能評價指標包括通風量，空氣齡，室內溫濕度，風速和污染物濃度等參數[2-10]。

在一些分內外區的建筑中，內區自然通風條件差，若有效利用捕風器，將改善自然通風效果。本文針對內外區多房間模型進行數值模擬，研究捕風器與窗戶之間的耦合效應對通風性能的影響，研究結果對捕風器的應用設計具有參考價值。

1 數值模擬

1.1 計算模型

使用CFD 方法完成數值模擬，湍流模型選用RNGk-ε模型，求解方法選擇SIMPLE 算法。在壓力-速度耦合的情況下，壓力采用二階差分，動量方程采用二階迎風差分，湍流動能和湍流耗散率方程采用一階迎風差分。

1.2 計算域和工況設置

在此仿真中，計算域包括外部流場、捕風器和房屋。房屋距風洞的上游入口和下游出口10 m 和40 m。為了確保風洞的橫截面堵塞率小于3%[11]，確定風洞的寬度（D）為35 m×高（H）為25 m=875 m2，阻塞率為2.5%，以滿足模擬要求。最終計算域的尺寸為W×D×H=56 m×35 m×25 m。

為了簡化計算過程，模擬對象是一套由兩個分別位于建筑內外區房間組成的套房，其中內區房間頂部的中心安裝了一個帶有四個開口的方形捕風器，外區房間的一面外墻設有一個打開的外窗。計算域和房屋的示意圖、透視圖及模型尺寸如圖1 所示。根據外窗的位置、有無窗戶、有無捕風器，將模擬分為九個工況。詳情見表1。

圖1 模型示意圖

表1 根據房間相對位置、窗戶和捕風器劃分的九個工況

1.3 邊界條件

將捕風器的四個開口、外墻窗戶、房屋內門設置為內部流場，其他邊界設置為無滑移的光滑壁面，并使用標準壁面函數進行計算。入口為均勻流速入口，風速為2 m/s，表壓設定為0 Pa（標準大氣壓），入口湍流強度為10%，湍流粘度比為10。計算域出口為壓力出口，表壓為0 Pa（標準大氣壓）。

1.4 網格劃分及獨立性檢驗

網格大小設置為建筑物尺寸的十分之一（0.5～5 m）[11]。使用非結構化四面體網格，全局網格大小設置為1 m，并對房屋和捕風器等區域進行局部加密，以獲得更準確的仿真結果。為了減少計算量，同時保證仿真的準確性，選擇了約400 萬個網格進行仿真，最大網格體積和最小網格體積分別為0.09 m3和3.2 mm3。

對于收斂判斷的依據，如果X，Y，Z 方向速度分量的殘余誤差小于10-3、k，ε和連續性方程的殘差小于10-2，觀測點速度的不平衡百分比的數值變化低于0.1%，則判斷該計算收斂。

2 模型驗證

模擬的場景本質上是關于建筑繞流的現象，Wilson[12]提供了有關帶有平屋面的長方體建筑物周圍流態和特征的詳細信息。當不受擾動的穩定流入氣流吹向矩形建筑物的一側時，可以根據建筑尺度長度R通過理論公式近似計算由建筑物頂部的分離流引起的渦流循環區域的位置，高度和長度。根據本文模擬結果，得到氣流再貼附點（Reattachment）距離屋頂迎風邊緣8.7 m，與理論計算的特征渦的長度（Lc=9 m）較接近，偏離度約為3%，滿足仿真精度要求。

3 結果和討論

根據外區房間的外窗相對來流風的位置，分為背風，迎風和側風展開分析。

3.1 內區房間相鄰背風外區房間

內區房間與背風外區房間相鄰的組中設置了三種情況。如圖2 所示，1 號房間是內區房間，2 號房間是外區房間。各工況如下：僅在外區房間背風側開一扇外窗的場景（工況1-1），僅在內區房間使用捕風器的場景（工況1-2），以及外窗和捕風器都使用的場景（工況1-3）。

圖2 內區房間與背風外區房間相鄰

3.1.1 流場

圖3 和圖4 分別給出了三個工況在縱向垂直房屋中心平面（y=0 m）和1.5 m 高度（z=1.5 m）平面的風速流線云圖和風速矢量云圖。從圖3 中來流流線可以看出，除了捕風器背風區域的渦流分布稍有不同，其他區域的氣流特征基本類似。房屋迎風面頂部形成了明顯的分離流。在工況1-2 和工況1-3 中，分離氣流一部分撞擊到捕風器迎風面壁面后向下流入室內，這部分空氣流速較高，室內進口平均風速達到了2.1 m/s 左右，中心部分風速達到2.4 m/s。捕風器下方風速達到1.2 m/s 左右。進入室內的新風速度不斷衰減，室內1.5 m 高度處的風速在0.2～0.4 m/s 之間，與室內舒適度標準所規定的室內風速夏季不應大于0.25 m/s、冬季不應大于0.2 m/s 的規定值相比[13-15]，室內工作區風速偏高。工況1-1 的外區及內區房間室內風速都較低，基本位于0.2 m/s 以內。

圖3 組一的縱向垂直房屋中心平面風速流線云圖

圖4 組一的1.5 m 高度房屋中心俯視平面風速矢量云圖

3.1.2 通風性能

表2 為組一中三個工況的通風性能參數。從表中可以看出，工況1-3 中房間的通風率和換氣率最高、通風效果最好，其次是工況1-2，工況1-1 通風效果最差。由于存在隔墻，2 號房間（外區房間）的換氣次數明顯低于帶有捕風器的1 號房間（內區房間）。工況1-3 內區房間的換氣次數比工況1-2 的高約57%，比工況1-1的高約63 倍。外區房間的換氣次數比工況1-2 的高約36%，比工況1-1 的高約9 倍。值得注意的是，除了內區房間沒有捕風器的工況1-1，房間2 中的所有“新鮮空氣”都來自安裝了捕風器的房間1，均為二次新鮮空氣，這些區域的空氣質量比外面的新鮮空氣差。

表2 組一的通風量Q 和換氣次數I

圖5 為縱向垂直房屋中心平面和1.5 m 高度平面的局部空氣齡分布云圖。在三種工況中，具有捕風器的房間（工況1-2 和工況1-3）的空氣齡分布是均勻的，并且捕風器的進氣口附近空氣齡最低。隨著高度的降低，帶有捕風器的房間中央區域的空氣齡逐漸增加。工況1-3 中空氣齡分布最均勻。安裝了捕風器的房間（1 號房間）中的平均空氣齡約為100 s。由于存在隔墻影響新鮮空氣擴散到另一個房間，可以清楚地看到2號房間中每個點的局部空氣齡高于1 號房間，大多數區域約為240 s。對于工況1-1，空氣齡在1 號房間中最高達到380 0 s，且整體明顯高于2 號房間，空氣質量比其他兩種工況差。

圖5 組一在垂直中心平面（a）和水平面z=1.5 m（b）中的平均空氣齡云圖

3.2 內區房間相鄰迎風外區房間

在內區房間與迎風外區房間相鄰的組中設置了三種工況。如圖6 所示，各工況如下：僅在外區房間的迎風側開一扇窗的場景（工況2-1），僅在內區房間使用捕風器的場景（工況2-2），以及窗口和捕風器都使用的場景（工況2-3）。與組一不同的是靠近迎風側的1號房間是外區房間，2 號房間是內區房間。

圖6 內區房間與迎風外區房間相鄰

3.2.1 流場

圖7 和圖8 分別給出了三種工況縱向垂直房屋中心平面（y=0 m）和1.5 m 高度（z=1.5 m）平面的風速流線云圖和風速矢量云圖。由圖可知，在房屋后部安裝捕風器的組中，研究對象產生的流場和經典的鈍體流現象相似，因此捕風器安裝位置相對靠后使其完全位于屋面分離流之下，捕風器的通風效果比組一差。因此如果捕風器在單棟建筑的屋面上未能達到一定高度，將無法捕捉到分離流，導致捕風器的通風能力被削弱。

圖8 組二的1.5 m 高度房屋中心俯視平面風速矢量云圖

在工況2-1 中，少量的新鮮空氣通過外區房間窗戶進入，室內風速低。在工況2-2 中，捕風器位于屋面的分離流下方，因此只能捕獲少量的新鮮空氣。捕風器的迎風側有少量新鮮空氣以約0.2 m/s 的風速進入。在工況2-3 中，進入的氣流以1.6 m/s 的入口風速從窗戶進入1 號房間，并通過門形成穿堂風，從而推動氣流在室內流通和擴散，風速逐漸衰減至0.4 m/s。在這種情況下，穿堂風覆蓋的區域內1.5 m 高的室內風速要比舒適空調房間的建議值高。同時，捕風器中所有開口均為排風。

3.2.2 通風性能對比

表3 顯示了組二中三個工況的通風性能參數。從表中可以看出，當房屋的迎風面窗戶打開且屋面安裝了捕風器時（工況2-3），兩個房間的通風量和換氣次數最高，通風效果最佳。同時值得注意的是，2 號房間中的所有“新鮮空氣”都來自1 號房間，空氣質量在某種程度上比外部的一次新鮮空氣差。工況2-3 內區房間的換氣次數比工況2-2 的高約21 倍，比工況2-1 的高約32 倍。外區房間的換氣次數比工況2-2 的高約103 倍，比工況2-1 的高約24 倍。

表3 組二的通風量Q 和換氣次數I

如圖9 所示為縱向垂直房屋中心平面和1.5 m 高度平面的局部空氣齡分布云圖。在工況2-3 中，空氣齡分布均勻，并且穿堂風通過的所有區域的空氣局部空氣齡都非常低。隨著穿堂風路徑的延長，局部空氣齡逐漸增加。值得注意的是，由于大多數穿堂風都是通過門進入2 號房間，因此整個2 號房間的空氣齡分布值比1 號房間的空氣齡值低。2 號房間大部分區域的空氣齡都低于100 s，而大多數1 號房間的空氣齡低于180 s。在工況2-1 及工況2-2 中，空氣齡分布的均勻性都很差。在工況2-2 中，2 號房間空氣齡較低（約500 s），房屋其他區域的局部空氣年齡在1400 s 以上。對于工況2-1，兩個房間中的空氣齡比工況2-2 稍微均勻一些，但均處于較高水平。1 號房間大部分區域的空氣齡都高于900 s，而2 號房間的空氣齡則高于1200 s。

圖9 組二在垂直中心平面（a）和水平面z=1.5 m（b）中的平均空氣齡云圖

3.3 內區房間相鄰側面外區房間

在內區房間與側面外區房間相鄰的組中設置了三種工況。如圖10 所示，僅外區一側窗戶打開（工況3-1），僅內區安裝捕風器（工況3-2），窗口和捕風器都設置（工況3-3）。外區1 號房間的側壁帶有窗戶，而內區2 號房間安裝捕風器。

圖10 內區房間與側面外區房間相鄰

3.3.1 流場

圖11 和圖12 分別給出了三種工況下縱向垂直房屋中心平面（y=0 m）和1.5 m 高度（z=1.5 m）平面的風速流線云圖和風速矢量云圖。從圖中可以看出，在組三中，捕風器的上部位于屋面上部分離的氣流中。在工況3-1 中，兩個房間內的風速很低，并且外區房間的窗戶附近沒有明顯的速度梯度。在工況3-2 中，捕風器的上風側的風速較高，約為2.4 m/s，在室內形成了向地面流動的氣流。同時，2 號房間的風速高于1 號房間。2 號房間的中心存在較高的風速區域，在1.5 m 的平面高度處，風速可以達到1.2 m/s。工況3-3 的通風條件相似，窗戶為排風，其附近的風速為0.4 m/s。

圖11 組三的縱向垂直房屋中心平面風速流線云圖

圖12 組三的1.5 m 高度房屋中心俯視平面風速矢量云圖

3.3.2 通風性能對比

表4 為組三中每個工況的通風性能參數。從表中可以看出，工況3-3 中兩個房間的空氣流量和換氣率最高，通風效果最佳。工況3-3 內區房間的換氣次數比工況3-2 的高約74%，比工況3-1 的高約134 倍。外區房間的換氣次數比工況3-2 的高約3 倍，比工況3-1的高約5 倍。圖13 所示為縱向垂直房屋中心平面和1.5 m 高度平面中生成的局部空氣齡分布云圖。在工況3-3 中，空氣齡分布相對均勻，2 號房間中的空氣齡最低（約100 s），1 號房間中的空氣齡較高，上部區域可以達到240 s。整體上1 號房間的空氣齡低于2 號房間。在工況3-2 中，2 號房間中的空氣齡分布與工況3-3 中的相似，但是在1 號房間中沒有窗戶，因此空氣齡整體較高。該房間中央的空氣齡可以達到350 s。在工況3-1 中，空氣齡分布的均勻性很差，在2 號房間中尤為明顯。1 號房間的大多數區域的局部空氣齡高于800 s，而2 號房間的大多數區域的局部空氣齡高于2500。

表4 組三的通風量Q 和換氣次數I

圖13 組三在垂直中心平面（a）和水平面z=1.5 m（b）中的平均空氣齡云圖

4 結論

本文利用CFD 數值模擬方法研究了捕風器在多房間房屋的不同通風場景，使用通風量，換氣次數和空氣齡評估室內通風性能。發現當外區外窗位于迎風側時，整體通風換氣量最大，同時會造成較明顯的吹風感。位于側風側和背風側時，捕風器主要承擔進風作用，且能夠有效彌補僅窗戶工作時換氣量不足、空氣品質較差的問題。

無論外區房間位于何處，在捕風器能夠捕獲屋面上部的分離流的前提下，外區房中的窗與內區房間中的捕風器耦合通風的方式都可以增強室內通風效果。與不開窗場景相比，外區房間換氣次數的增量達0.57到21 倍，內區房間換氣次數的增量達0.36 到近百倍。但是，當捕風器無法捕捉到屋面上部的分離流時，僅依靠捕風器而沒有窗戶，室內的通風效果很差，而且沒有與室外直接通風的房間的空氣質量甚至比外區房間只有一個打開的窗口的場景還要差。

值得注意的是，本文僅考慮縱向和橫向來流的場景，沒有考慮屋面形式對頂部分離流流型的影響，且熱浮升力對捕風器的通風效果的影響也不容忽視。因此，其他來流角度，屋面形式和熱浮升力對捕風器通風效果的影響值得進一步研究。