自然通风条件下室内外脉动风的相关性研究

李 超，罗会龙，谷宇新，刘显瑞

(1.昆明理工大学 建筑工程学院，云南 昆明 650500;2.江苏合筑建筑设计有限公司，江苏 无锡 214001)

0 引言

相对于空调和机械通风，自然通风具有舒适、节能等优点［1－3］，更利于人的身心健康［4］，因此自然通风在国内外得到广泛研究和应用。2001年，Per Heiselberg等针对通过两种类型窗户——侧悬窗和底悬窗的室内气流流动情况进行了实验研究［5］。2010年，董成杰等分析了建筑户型对自然通风效果的影响［6］。2011年，张明瑞做了自然通风耦合模拟分析［7］。文献［8］列举了国外四处最著名的自然通风建筑。国内，上海市建筑科学研究院建筑环境所，采用了自然通风、天然采光、太阳能利用等技术，使该建筑为同类建筑能耗的25%，可再生能源利用率占建筑使用能耗的20%［9］。%自然通风与室外气象参数有关，为研究建筑自然通风设计用气象参数，要将室内自然通风设计与室外建筑群内部自然通风场紧密联系起来［10－11］。通过研究找到室内外风时均值与脉动特性的相关性特征，将对建筑自然通风设计用气象参数的获得起到重要作用。在过渡季节，采用自然通风的房间，气流还具备一定的动态特征，其湍流度、湍流积分尺度、脉动风频等动态特征参数与室外有一定的关联。

本文将针对深圳市某办公大楼室内外空气流动的特性规律进行探讨，分析其中的相互关系和影响规律，确定室内的时均值是否取决于室外的时均值，室内的脉动值是否取决于室外的脉动值，通过分析讨论它们之间的关联性，确定哪些脉动特性参数是自然通风设计用的气象参数筛选的条件。

1 室内外的风速时均值的相关性分析

为研究室内脉动特性参数是否由室外脉动参数决定的，本文将对室内外的风速时均值与脉动特性的相关性进行分析。选取深圳市某办公大楼作为实测对象，实测时间取在通风季的某一时段，由于被测试建筑与时间不具有普遍的代表性，本实测仅作为一个测试和分析方法在此论述，该实验结果是否具有代表性还应在以后的研究中深入探讨。

1.1 测试位置与测试时间

测试位置:室外测试位置在该办公大楼的楼顶(68 m)，室内的测试位置位于该办公大楼的十二层(60 m)室内窗边的办公桌上。因条件限制不能满足室内外测点在同一高度处，但是由于该办公大楼的46 m以上的空间无任何建筑物遮挡，而室内外测试点均高于46 m，故近似认为室内外测点在同一水平高度处。测试期间始终保持室内门窗开启，且开启角度不变。

测试时间:2012年4月10日～4月17日，测试时间段为每天的7:30～18:00，因测量仪器的条件限制，仪器的自动采样时间为1 min。测试期间每天的室内外平均风速汇总如表1。

表1 测试期间全天的室内外平均风速(m/s)汇总Table.1 Summary of indoor and outdoor average wind speed all day during the test

1.2 室内外的风时均值相关性分析

相关性分析是对室内外风速时均值关联度的直观评价，本文运用相关性的计算对每天测试数据进行了独立的相关性分析，见图1。图中所示，室内外风速都有良好的正相关关系，其中4月13日、15日、17日室内外风速时均值的相关性为均小于10%，4月10日、11日、12日及16日室内外风速时均值均的相关性为30% ～40%之间，而4月12日室内外的风速时均值相关性则高达40%。

图1 室内外风速时均值的相关性Figure 1 Correlation of time mean of indoor and outdoor wind speed

室内外风速时均值的灰色关联分析:

通过计算结果的比较可以清晰地看出室内外风速时均值的关联度多数集中在0.60以上，最高可达0.72，只有4月17日的关联度相对较低为0.54，见图2，即说明室内外风速时均值关联度较高。本研究计算过程中使用邓氏关联度［12］的计算结果，能够更加直观地显示出室外与室内脉动风特性的关联度，提高评价的科学准确性。

图2 室内外风速时均值灰色关联度Figure2 The gray relational degree of time mean of indoor and outdoor wind speed

2 室内外的风脉动特性相关性分析

通过对2012年4月10日～4月17日每日7:30～18:00同一高度处的室内外两个固定测点的风速数据进行分析，分析方法是将测试期间内每天的室内外风速数据每10 min取一个平均值，并经过相应的湍流强度、湍流积分尺度、脉动风频等数学模型的计算，得出以10 min为间隔的湍流强度、湍流积分尺度、脉动风频的数值。继而通过灰色相关度软件的分析，得到如下三种风特征参数室内外的灰色相关性分析。

(1)室内外湍流强度灰色相关性分析

图3 室内外湍流强度灰色相关性分析Figure3 Gray correlation analysis of indoor and outdoor turbulence intensity

(2)室内外湍流积分尺度灰色相关分析

图4 室内外湍流积分尺度灰色相关分析Figure4 Gray corelation analysis of indoor and outdoor integral scale

(3)室内外脉动风频灰色相关分析

图5 室内外脉动风频灰色相关分析Figure5 Gray correlation analysis of indoor and outdoor pulsation wind frequence

通过对选定时段平均风速、湍流强度、湍流积分尺度、脉动风频等的灰色相关分析，可得统计表2。从表中结果可知，平均风速的室内外关联程度最高，其平均值为0.65，其次湍流强度、周期性波动气流频率室内外关联度也比较明显，关联度的平均值均可达到0.62，由表中的相关度分析结果可知湍流积分尺度的室内外相关程度很低，不到0.01，可近似考虑为完全不相关，因此在设计建筑室内自然通风的过程中，可以忽略室外气象参数中湍流积分尺度对室内自然风的影响。通过以上对室内外自然风的特征参数关联度分析可知，在研究建筑用室外气象参数过程中，仅需考虑室外自然风的平均风速、湍流强度、脉动风频对室内相关参数的影响即可。

3 结论

建筑能耗是能源消费构成的重要部分，占相当大的比重，合理采用自然通风，在降低建筑能耗和提高室内空气质量方面有着巨大的应用潜力和价值。为研究自然通风时室内外风速时均值与脉动特性的相互关系及其影响规律，本文选取深圳市某办公大楼作为实测对象，测试了该大楼同一高度室内外4月10日～4月17日每天的7:30～18:00风速值，将测试数据进行了相关数学计算和分析，得到如下结论:

(1)自然通风条件下，室内外风湍流积分尺度的相关程度很低，不到0.01，可近似考虑为完全不相关。所以，在建筑自然通风的设计过程中，可忽略室外自然风湍流积分尺度对室内自然风的影响。

表2 时均值、脉动特性参数的室内外相关度Table2 Indoor and outdoor relevance of time mean，pulsating characteristic parameters

(2)建筑室内外自然通风的风特性参数高度相关的有平均风速、湍流强度与脉动风频，其关联性均高达0.60以上，并且三个参数均呈现出正相关的关系，即室内脉动风的平均风速值、湍流强度与脉动风频取决于室外脉动风的对应参数。

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