窗口开启度对室外颗粒传播的影响研究

李雪洋

摘 要：室内外环境的空气品质与人们的健康有着密切关联，而不同的窗口开启度对室内外空气品质有不同的影响。为营造良好的室内环境，文章研究了开窗建筑穿堂风情况下室外颗粒污染物的传播特性，为改善室内空气品质提供很好的参考依据。

关键词：开窗建筑；窗口开启度；室内外空气品质

由于人们70%～90%的时间是在室内度过的，室内空气品质对于健康起着关键性作用[1]。通过研究大量国内外文献可以发现，已有相当多的学者对建筑空间（包括街谷与建筑群）中风场以及对污染物扩散、温度场以及对污染物扩散、室内外颗粒物污染特性等规律进行了研究，但是这些研究中都将建筑物简化为了封闭的长方体，鲜有针对建筑壁面存在通风口（门或窗口）时以及不同窗口开启度情况下室外颗粒污染物在建筑周围传播规律的研究。根据已有实测调查数据（东华大学实测调查数据），选取不同建筑窗口开启度进行数值模拟计算，分别为：不开窗、中等窗口开启度（窗口总面积与建筑立面面积之比为4.44%）、高等窗口开启度（窗口总面积与建筑立面面积之比为9.78%）。文章针对建筑壁面存在通风口（门或窗口）时以及不同窗口开启度情况下室外颗粒污染物在建筑周围传播规律的研究。

1 物理模型及数值方法的描述

文章的研究对象选取了对称分布的住宅小区为模型背景，建立了如图1所示的物理模型。

图1 住宅小区物理模型

图1中，计算模型的坐标系中X=0位于前栋建筑的横向中心，Y=0位于地面，Z=0位于前栋建筑迎风面，方形建筑尺寸为15m×45m×15m（宽×长×高），建筑之间街谷的宽度为20m。每栋建筑都布置有15个开窗房间，房间尺寸为3m×15m×3m（宽×长×高），建筑两侧的窗口面积相等，当窗口尺寸为1m×2m时表示中等窗口开启度，当窗口尺寸为2m×2.2m时表示高等窗口开启度。文章划分网格选取非结构化六面体网格，文章的网格数为177万。

2 边界条件的设定

文章选用以欧拉-拉格朗日方法为基础的DPM模型。将气体相视为三维连续不可压缩流体，在欧拉坐标系下满足N-S方程；将颗粒相视为离散体系，通过积分拉氏坐标系下的颗粒作用力微分方程来求解离散相颗粒的轨道。

文章颗粒源为1m宽的面源，位于街谷中央，颗粒源的质量流量为3g/s，由于颗粒污染物选取室外PM2.5，因此颗粒粒径选取2.5？滋m[2]，颗粒密度取1550kg/m3。采用数值方法模拟计算的边界条件设置如下。

连续相边界条件：采用标准模型（双方程模型）。对整个计算域来说，入口采用UDF根据风速随高度变化曲线编写的速度廓线，其中地面粗糙度m=0.2375，并设置为速度入口（velocity inlet）。

出口和计算域上部截面采用压力出口（pressure outlet），计算区域前后侧面采用对称边界（symmetry），所有建筑壁面以及地面采用无滑移边界条件。求解器选择定常压力求解器。

离散相边界条件：壁面（wall）、对称面（symmetry）均为反射（reflect）边界条件，并且恢复系数均为1.0，速度入口（velocity inlet）、压力出口（pressure outlet）均采用逃逸（escape）边界条件。粒子追踪选择非定常追踪。

3 模拟计算结果及分析

建筑立面的窗口开启度不同，对街谷中的颗粒物浓度场产生影响，文章将对颗粒物的浓度随窗口开启度不同而变化的情况进行分析。

通过研究分析得到，不开窗情况下沿X方向污染物在街谷中的传播过程，首先会在地面沉积，然后随着气流的运动，形成漩涡式分布并在靠近屋顶处集聚。随剖面向区域边缘靠近，建筑街区中上部颗粒浓度减少，反而集中在街区下部，并且远离背风建筑而靠近迎风建筑的背风侧。

开窗情况下，由于建筑立面存在通风口，通风口加强了建筑流场的运动，颗粒物的分布开始呈现分散的趋势，靠近建筑中心的颗粒分散相对明显，反而建筑边缘处颗粒浓度相对集中，并且漩涡中心浓度达到最大。

随着开窗面积的增大，背风建筑的每一层开窗室内均会有颗粒扩散进去，越低层的住户室内颗粒浓度越高，说明了建筑中部区域的低层住户受污染程度是最严重的。但在最大开窗情况下的背风建筑底层通风房间有颗粒扩散进去，说明此处气流不稳定程度较大，增强自然通风的同时容易受到外界污染物的侵袭。

整体而言，建筑立面存在通风口时，对整个流场的运动有加强作用，窗口开启度越大，这种作用越明显。此外，位于建筑中心面附近的通风住户受到污染的程度比边缘处住户的大，位于建筑底层的通风住户受到的污染程度比上层住户的大。

4 结束语

文章通过数值模拟的方法，分析建筑立面不同开窗情况下建筑周围颗粒污染物浓度场的变化规律，得到以下结论：（1）窗口开启度对迎风房间室内空气扰动有一定的加强作用，对背风建筑则效果不大，污染物到达背风建筑后不易扩散。（2）位于建筑中心面附近的通风住户受到污染的程度比边缘处住户的大，位于建筑底层的通风住户受到的污染程度比上层住户的大。因此位于容易受污染位置的住户应该加强防污措施，对建筑小区进行设计时也应考虑到这方面因素，加大前后建筑间的距离，以降低对住户的污染。

参考文献

[1]蔡欢欢.建筑物附近颗粒污染物分布规律的研究[D].上海：东华大学环境学院，2007.

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