冬季自然通风与室内污染物的迁移特性

王烨, 管国祥，付银安，孙鹏宝，王靖文

(1.兰州交通大学 环境与市政工程学院，甘肃 兰州 730070；2.兰州交通大学 铁道车辆热工教育部重点实验室，甘肃 兰州 730070)



冬季自然通风与室内污染物的迁移特性

王烨1,2, 管国祥1，付银安1，孙鹏宝1，王靖文1

(1.兰州交通大学 环境与市政工程学院，甘肃 兰州 730070；2.兰州交通大学 铁道车辆热工教育部重点实验室，甘肃 兰州 730070)

为研究冬季自然通风条件下室内污染物的分布及迁移规律，以非稳定传热方法确定了建筑围护结构的等热流边界条件，在此基础上，采用FLUENT中的Realizablek-ε湍流模型对兰州地区某住宅内的污染物浓度场进行了数值分析。结果表明：通过围护结构的耦合传热过程使得室内不同房间污染物浓度场的时空分布存在较大差异，房间整体通风效率随通风时间延长呈逐渐下降趋势；在51 min的通风期间，工况10、11、12的通风效率均在95%以上，而“双进口、单出口”的工况12通风效率达到了97%以上；综合考虑室内采暖温度、污染物浓度限值以及室内竖向温差，最终确定了工况12为最佳通风模式。

寒冷地区；非稳定传热；自然通风；通风模式；通风效率；室内空气品质；数值模拟； 室内污染物

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20160623.0827.008.html

随着经济的发展，人们对室内空气品质的要求不断提高。自然通风由于其“节能、环境效益好”等优势，越来越受到人们的关注。文献[1]提出了一种对自然通风、天花板射流送风与热活性建筑系统进行动态调节的室内热环境控制策略。文献[2]实验研究了自然通风对意大利教室内空气品质的影响，发现仅利用建筑缝隙渗透作用来进行通风换气是不能满足秋、冬季节室内空气品质要求的。文献[3]研究了地下建筑在不同室内外环境条件下的自然通风机理，发现室内和室外间温度梯度对自然通风过程影响很大，室内外空气温度的相对高低决定自然通风气流的参数值和流动特征。文献[4]对雅典主要利用自然通风的教室通风率与室内污染物浓度水平关联性进行了现场测试，发现所测试的污染物颗粒尺寸在上课期间要大于课余时间，即使在通风率满意的情况下，测试所得污染物浓度依旧高于相关标准的要求值。文献[5]实验研究了重庆某建筑夏季自然通风对室内污染物排除效果、室内温度、湿度的影响关系。文献[6]利用CFD软件对自然通风条件下不同排风口布置方式对热压通风的影响进行了数值研究，结果表明：天花板上分散布置散热排风口可以提高热压通风效率。文献[7]对教室的自然通风效果进行了能耗分析，结果表明：无论是过渡季还是冬季，不改变换气次数而只提升通风效率或者不改变送风温度只降低通风效率，都会使教室的能耗降低。文献[8] 分析了住宅缝隙空气渗透率、人为通风、居住者的生活方式对建筑能耗的影响，获得了自然通风率、建筑能耗与室内空气品质间的关系，发现居住者的生活方式与室内发生凝结密切相关。文献[9]对英国南安普敦的小学教室在自然通风条件下室内热舒适性的调查结果表明：现行的成人的热舒适标准可能并不适用于儿童，需要调整当前的热舒适标准以便更适合儿童的热感知。文献[10]通过对意大利的200间教室超过4 000名学生在冬季和夏季的主观热感觉进行了调查研究，结合客观的自然通风条件给出了地中海气候PMV的预期因子的建议值。以上国内外研究工作主要是针对夏季或者过渡季展开的。而寒冷地区冬季气温低、昼夜温度波动大，人们通常利用长时间关闭窗户来维持室内温度的恒定。这样，就产生了节能与改善室内空气品质之间的矛盾。本文试图通过自然通风数值试验，探寻既不影响室内采暖又能保证室内空气质量的冬季自然通风模式。

1　物理模型和数学模型

1.1物理模型

所研究住宅物理模型如图1所示。

图1　计算房间平面示意图Fig.1　Physical model of the calculating room

位于8层建筑的中间楼层，结构尺寸为：X×Y×Z=10.5 m×13.2 m×2.9 m;C1、C2为北外窗，C3、C4为南外窗;外墙传热系数K=0.46 W/(m2·K);窗户传热系数Kc=2.2 W/(m2·K);采用地板供暖;窗户的最小可开启面积为：宽×高=0.1 m×1.5 m(下文中简称为A)；最大可开启面积为：宽×高=0.2 m×1.5 m(下文中简称为2A)。

1.2数学模型

采用Realizablek-ε模型和标准壁面函数法进行模拟。室内空气湍流流动与组分输运方程具有相同的形式[11]，对于非稳态传热问题，通用控制方程形式均可表示为

(1)

式中:φ分别代表连续性方程及动量方程中的速度在x轴向的分量u、在y轴向的分量v、在z轴向的分量w、能量方程中的流体温度T、湍流动能方程中的湍流动能k、湍流动能耗散率方程中的湍流动能耗散率 ε、组分输运方程中的污染物体积分数τp；Γφ分别代表相应方程中的有效扩散系数0、μ+μt、Pr+μt/σt、 μ+μt/σk、μ+μt/σε、μ+μt/στ；Sφ分别代表相应方程中的源项，组分输运方程中的源项为空气密度ρ，其它方程中源项具体表达式见文献[12]。μ为分子粘性系数；μt为湍流粘性系数，μt=cμρk2/ε，cμ为经验常数；σt为能量方程中的湍流普朗特数；σk为湍流动能方程中的普朗特数；σε为湍流动能耗散率方程中的普朗特数；στ为组分输运方程中的普朗特数。

方程中各系数取值[12]：cμ=0.09,σk=1.0, σε=1.2, σt=1.0, στ=1.0, c2=1.9。

为简化计算，假定：室内空气不可压缩，密度的变化采用Boussinesq假设，忽略流体粘性力作功而引起的耗散热，室内空气为辐射透明介质，不参与辐射换热。流动为非稳态，流态为湍流。

1.3边界条件

1) 入口边界：兰州在供暖期以北风为主导风向，故本文设定北外窗C1、C2为速度入口边界，风速取1.2 m/s和0.4 m/s两个值；进风温度取0 ℃(即273.15 K)。

2) 出口边界：排风口C3、C4设为自由出流边界条件[13]。

3) 壁面边界：气固交界面的空气流动取速度无滑移条件。

4) 热边界设置： 采用非稳定传热方法得到不同时刻通过围护结构的热流密度，以此为围护结构的热边界条件。具体数值为：东墙-8.26 W/m2，西墙-8.44 W/m2，南墙-8.00 W/m2，北墙-8.65 W/m2，南窗-20.68 W/m2，北窗-33.29 W/m2，负号表示热流为自室外传向室内。室内采暖热负荷均由地板提供，设为定热流边界条件，根据文献[14]设定地板的热流密度为45 W/m2。内墙、天花板均设为绝热边界。

5) 污染源条件设置：选取来自地板的污染物C7H8为室内主要污染源，假定其沿地板外法线方向向上均匀散发，散发速率为5×10-9kg/s。选用Realizablek-ε模型模拟了污染物的扩散过程(限于篇幅，扩散过程已另文讨论)。对计算房间密闭情况下污染物散发1、6、12和15 h后的浓度分布进行分析并结合人们冬季开关窗的习惯，确定以密闭15 h后的室内污染物浓度场为自然通风数值模拟的初始条件。

2　数值求解方法

2.1网格划分及独立性验证

采用六面体结构网格对计算区域进行离散。考虑进、排风口处流动参数的高梯度变化，对这些区域的网格进行了局部加密。分别采用三套网格(网格数分别为520 590、672 138和868 434)进行了数值试验，所得(X=8.98 m，Y=3 m)处的速度和温度计算结果均吻合得很好，说明本文所得解是网格独立性的。考虑计算的经济性，决定选用672 138作为后续计算的网格数。

2.2数值方法

采用有限体积法对控制方程(1)进行离散；应用SIMPLE算法求解速度/压力耦合问题[15]；梯度项方程采用Green-Gauss Cell Based格式离散；动量方程、能量方程、湍流动能方程、湍流动能耗散率方程、组分输运方程均采用二阶迎风格式离散。

2.3模拟工况及收敛准则

2.3.1工况确定

进风温度为0 ℃，进风速度为1.2和0.4 m/s，与不同进风口开启面积、排风口开启面积组合，形成12个工况。为了确定合理的通风工况，规定同时满足：通风1 h后距地面1.1 m高度水平面(规定为工作区高度)上温度的平均值不低于16.0 ℃和该平面上污染物浓度不高于文献[16]的要求值2.17×10-9kmol/m3,并且，地面上方0.1～1.1 m竖向温差不大于3.0 ℃，则认为该工况是可行的自然通风工况。据此，最终得到了表2所示工况10～12为可行的通风工况，作为后续分析的3个工况。

2.3.2收敛准则

计算中，同时满足以下条件，认为计算已收敛：

1) 连续性方程及动量方程残差设为10-3；

2) 能量方程求解残差设为10-6；

3) 监视位置气流参数不再波动；

4) 进出口流体质量守恒。

表1　自然通风模拟工况

3　计算结果及分析

3.1通风效率分析

一般利用工作区的通风效率来评价室内污染物的排除效果，其定义式为

(2)

式中，η为通风效率；Cg为工作区平均浓度，kmol/m3；CP为排风口浓度，kmol/m3；CS为进风口浓度，kmol/m3。

对工况10～12，统计不同通风时长Z=1.1m平面上的C7H8平均浓度作为工作区污染物平均浓度，同样的方法得到排风口对应时长的污染物平均浓度CP，进入室内的新风中认为不含有C7H8，所以，取CS=0。据此得到3种工况下的通风效率，如图2(a)所示。可以看出，3种工况的通风效率均在0.95～1.0波动。通风15 min后通风效率均呈下降趋势。这是因为通风开始时，房间内C7H8分布较均匀，随着通风的持续进行，C7H8浓度出现分层现象，Z=1.1 m水平面上的C7H8面平均浓度下降趋势因此变缓，从而导致排风口的C7H8平均浓度下降速率比Z=1.1 m水平面上的C7H8面平均浓度下降速率高。但总体上，工况12的通风效率要高于工况10和工况11的通风效率，这正体现了气流组织形式与污染物迁移特性之间的关联性。

为了对比不同室内污染物浓度确定方法对通风效果的评价影响，以室内体积平均浓度代替Z=1.1 m平面上的C7H8面平均浓度作为式(2)中的Cg值，得到了3种工况的通风效率，如图2(b)所示。可以看出，3种工况通风15 min后的通风效率均在0.93～0.98波动，略低于图2(a)所示情况。但工况12仍旧保持了较高的通风效率，而工况11的通风效率波动较大。

由以上分析可知，“双进口、单出口”的开窗方式对于污染物的排除效率较高。这也是自然通风中流场、温度场与污染物浓度场耦合作用的结果。限于篇幅，本文只给出浓度场模拟结果，速度场和温度场的变化另文讨论。

图2　通风效率变化曲线Fig.2　Ventilation efficiency profile

3.2污染物浓度场分析

同时考虑通风不能使室内温度平均值低于16.0 ℃以及污染物浓度平均值不能高于文献[16]规定的上限值，确定工况10～12通风时长为51 min[17]。下面给出这3个工况通风51 min时的模拟结果。

图3为不同工况时客厅进风窗口中轴线(X=1.15 m)纵截面上C7H8浓度分布。可以看出，3个工况表现出了相似的污染物分布特征：自地面朝天花板方向，C7H8浓度由低到高呈层状分布，地面附近区域C7H8浓度梯度较大。这是因为温度较低的室外新风进入房间后，沿窗台下内墙壁形成下降气流，与地板附近的热空气相遇后，便朝远离窗口的方向运动，沿地面形成“冷气湖”，其厚度自北向南逐渐变薄，地面附近的污染物同时被稀释。相对而言，工况12的地面污染物低浓度区域范围较大。地面附近向南运动的冷气流和被加热后向北运动的热气流交汇处，形成了浓度高于2.13×10-9kmol/m3的带状区域，其中心最高浓度达到了2.35×10-9kmol/m3，略高于文献[16]规定的上限值。在密度差形成的浮升力作用下，污染物随着自然对流边界层的运动，在北外墙上部和天花板所成的角落处形成了聚集，导致该区域污染物浓度最高达到了2.77×10-9kmol/m3(工况12)。但就人员活动区污染物浓度沿客厅纵向的变化而言，工况12的污染物浓度平均水平要比其他两个工况的低，空气质量更好一些。

图4为不同工况时Y=3 m横截面(包含了3#房间、4#房间以及客厅部分区域)上的C7H8浓度分布。可以看出，工况10和工况11各房间内的C7H8沿高度方向分布特征很接近。但对于工况12，1#房间人员活动区C7H8浓度比工况10和工况11的要低，靠近天花板附近C7H8高浓度区域则比工况10和工况11的都要大；4#房间天花板附近C7H8浓度比工况10和工况11的要低，这是因为该房间排风口面积大，有利于污染物的快速排出；3#房间上部区域污染物浓度比工况10和工况11的要高，范围也更大。这是因为工况12的通风方式导致了在3#房间内形成了较大范围的污染物滞留区，这与该房间较大范围的热滞留区及较慢的气流速度有关。

图5为不同工况时Z=1.1 m水平面上的C7H8浓度分布。可以看出，3种工况下客厅C7H8浓度分布表现出了较一致的特征：靠近客厅西墙附近区域C7H8浓度较高，沿着墙体呈带状分布。这是因为室外的低温气体进入室内后，绝大部分很快下沉并与地面附近的污染物进行热质交换，只有少部分气体在客厅西北角落处形成了回流区，与主流区新鲜空气的热质交换远不及其它区域充分。所以，随着低温气体自北朝南方向运动，有一部分污染物便被“压制”在了回流区及客厅西墙附近区域[18]。客厅绝大部分区域空气质量符合文献[16]要求。3种工况下，2#房间内污染物的分布差异很微弱，只是在房门附近污染物有集聚现象，这是该区域气流过流断面突然收缩所致。对于3#房间，工况12的污染物浓度值整体上稍高于其他两个工况，但3种工况下污染物浓度均未超标。对于4#房间，工况11的污染物浓度在该平面上稍高于其他两个工况。这是因为工况11中窗户4的开度要大于其他两个工况的开度，减小了室内气流运动的阻力，原来流经4#房间外通道并流向3#房间的部分气流此时会“短路”进入4#房间，并在4#房间北墙内侧靠近房门区域形成了一个回流区，这是流体扰流运动中漩涡产生过程的体现。与此类似，工况12中由于未开4#窗户，更多的污染物则集聚在了3#房间内。

由以上分析可知，并不是开大排风口开度对每一个房间内污染物的排除效果贡献相同。建筑室内不同障碍物的“棱角”结构特点，决定了由此产生的回流区必然导致污染物的局部区域滞留现象。

图3　X=1.15 m截面C7H8浓度场Fig.3　C7H8 concentration profile in X=1.15 m section

自然通风是将当地气候条件和居住者的生活习惯紧密结合的一种改善室内空气品质的措施，是我国目前建筑节能工作的重要内容，还有很多亟待研究的问题。就本文研究的兰州地区而言，近十年来兰州的大气质量发生了显著变化，主要归功于供暖锅炉的“煤改气”以及“两山绿化”。这种室外环境空气质量的改善，为自然通风的推行提供了更为有利的条件。本文只是研究了11:00开窗通风在热压、风压共同作用下的室内污染物时空分布。实际生活中，每个居住者的生活习惯有所不同，何时开窗通风完全取决于个人的主观意愿。这就引发我们思考这样一个问题：在不同季节、不同外气温度下，在哪个时段以怎样的模式通风能同时达到“节能、保证舒适性、改善空气品质”的目的，这也是我们下一步要做的工作。

图4　Y=3 m截面C7H8浓度场 Fig.4　C7H8 concentration profile in Y=3 m section

图5　Z=1.1 m截面C7H8浓度场 Fig.5　C7H8 concentration profile in Z=1.1 m section

4　结论

以兰州某民用住宅为研究对象，采用Realizablek-ε模型对冬季自然通风时室内污染物浓度场进行了数值分析，得到了如下主要结论：

1)寒冷地区住宅冬季进行自然通风是可行的，通风期间室内外的耦合传热过程对室内不同房间内污染物的时空分布影响不同；

2)本文所得3种可行的通风模式对应的通风效率均大于95%；其中“双进口、单出口”的开窗方式为最佳通风模式；

3)同时考虑室内温度、污染物浓度以及竖向温差等因素确定的3种可行的通风模式，是特定条件下的研究结论，居住者可以根据实际感受和居住需求以及室外天气变化情况适时调节开窗方式和开度。

[1]YU Tao, HEISELBERG P, LEI Bo, et al. Experimental study on the dynamic performance of a novel system combining natural ventilation with diffuse ceiling inlet and TABS[J]. Applied energy, 2016, 169: 218-229.

[2]STABILE L, DELL’ISOLA M, FRATTOLILLO A, et al. Effect of natural ventilation and manual airing on indoor air quality in naturally ventilated Italian classrooms[J]. Building and environment, 2016, 98: 180-189.

[4]DORIZAS P V, ASSIMAKOPOULOS M N, HELMIS C, et al. An integrated evaluation study of the ventilation rate, the exposure and the indoor air quality in naturally ventilated classrooms in the Mediterranean region during spring[J]. Science of the total environment, 2015, 502: 557-570.

[5]刘庆. 自然通风下门窗开启对室内环境的影响研究[D]. 重庆: 重庆大学, 2014.

LIU Qing. Research of indoor environment affected by opening door and window in the condition of natural ventilation[D]. Chongqing: Chongqing University, 2014.

[6]SUI Xuemin, MA Jianping, GUAN Yanling. Optimized design of outlets layout in thermal pressure naturally ventilated rooms[J]. Research journal of applied sciences, engineering and technology, 2013, 5(11): 3124-3129.

[7]WANG Yang, ZHAO Fuyun, KUCKELKORN J, et al. Classroom energy efficiency and air environment with displacement natural ventilation in a passive public school building[J]. Energy and buildings, 2014, 70: 258-270.

[8]HASHEMI A, KHATAMI N. The effects of air permeability, background ventilation and lifestyle on energy performance, indoor air quality and risk of condensation in domestic buildings[J]. Sustainability, 2015, 7(4): 4022-4034.

[9]TELI D, JAMES P A B, JENTSCH M F. Thermal comfort in naturally ventilated primary school classrooms[J]. Building research & information, 2013, 41(3): 301-316.

[10]D′AMBROSIO ALFANO F R, IANNIELLO E, PALELLA B I. PMV-PPD and acceptability in naturally ventilated schools[J]. Building and environment, 2013, 67: 129-137.

[11]李先庭, 江亿. 用计算流体动力学方法求解通风房间的空气年龄[J]. 清华大学学报: 自然科学版, 1998, 38(5): 28-31.

LI Xianting, JIANG Yi. Calculating air age in a ventilated room with CFD method[J]. Journal of Tsinghua University: science & technology, 1998, 38(5): 28-31.

[12]陶文铨. 数值传热学[M]. 2版. 西安: 西安交通大学出版社, 2001.

TAO Wenquan. Numerical Heat Transfer[M]. 2nd Ed. Xi′an: Xi′an Jiaotong University Press, 2001.

[13]张卓鹏. 广州地区围合式住区室内自然通风研究[D]. 广州: 华南理工大学, 2013.

ZHANG Zhuopeng. Research on indoor natural ventilation of enclosed residential districts in Guangzhou[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2013.

[14]陆耀庆. 实用供热空调设计手册[M]. 2版. 北京: 中国建筑工业出版社, 2008.

[15]PATANKAR S V. Numerical Heat Transfer and Fluid Flow[M]. New York: Hemisphere, 1980: 330-351.

[16]国家质量监督检验检疫总局. GB/T 18883-2002, 室内空气质量标准[S]. 北京: 中国标准出版社, 2003.

General Administration of Quality Supervision, Inspection and Quarantine of China. GB/T 18883-2002, Indoor air quality standard[S]. Beijing: Standards Press of China, 2003.

[17]王烨, 王靖文. 寒冷地区民用住宅冬季自然通风数值分析[J]. 重庆大学学报, 2016, 39(3): 28-36.

WANG Ye, WANG Jingwen. Numerical analysis on the natural ventilation of a residence in winter in cold zone[J]. Journal of Chongqing University, 2016, 39(3): 28-36.

[18]王烨, 张文霞, 胡文婷. 室内环境参数对室外气象参数瞬时变化的动态响应研究[J]. 重庆大学学报, 2015, 38(3): 8-14.

WANG Ye, ZHANG Wenxia, HU Wenting. Dynamic response study of the indoor environmental parameters for variable outdoor meteorological conditions[J]. Journal of Chongqing University, 2015, 38(3): 8-14.

本文引用格式：

王烨, 管国祥，付银安，等. 冬季自然通风与室内污染物的迁移特性[J]. 哈尔滨工程大学学报, 2016, 37(8): 1151-1156.

WANG Ye,GUAN Guoxiang,FU Yin′an, et al. Natural ventilation in winter and migration characteristics of indoor pollutants[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2016, 37(8): 1151-1156.

Natural ventilation in winter and migration characteristics of indoor pollutants

WANG Ye1,2,GUAN Guoxiang1,FU Yin′an1,SUN Pengbao1,WANG Jingwen1

(1. School of Environmental and Municipal Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China; 2. Key Laboratory of Railway Vehicle Thermal Engineering, Ministry of Education of China, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)

To study the profile of indoor pollutants and their migration characteristics under natural ventilation in winter, in this study, we adopted the realizablek-εturbulent model of computational fluid dynamics (CFD) to numerically analyze the pollutant concentration field in a Lanzhou residence. We used the unsteady heat transfer method to obtain the wall boundary condition of the uniform heat flux. The results indicate that the pollutant concentration profiles in different rooms differ significantly with respect to the coupled heat transfer through the building envelope. The average ventilation efficiency decreases with increasing ventilation time. During a ventilation time of 51 minutes, the ventilation efficiencies of cases 10, 11, and 12 were all over 95%, and the ventilation efficiency of case 12, which had two inlets and one outlet, was over 97%. By simultaneously considering the differences in heating temperature, pollutant concentration, and indoor vertical temperature, our study results show that case 12 is the optimum ventilation mode.

cold zone; unsteady heat transfer; natural ventilation; ventilation mode; ventilation efficiency; indoor air quality; numerical simulation； indoor pollutants

2015-05-15.网络出版日期：2016-06-23.

国家自然科学基金项目(51266004,51476073)；甘肃省自然科学基金项目(1308RJZA151).

王烨(1972-), 男,教授, 博士生导师.

王烨, E-mail:wangye@mail.lzjtu.cn.

10.11990/jheu.201505032

TU832

A

1006-7043(2016)08-1151-06