几种捕风器自然通风性能的研究

马丽

西安建筑科技大学建筑设备科学与工程学院

合理的自然通风不仅能提供新鲜的空气改善室内空气品质，同时又能有效地实现被动式制冷，从而达到降低建筑能耗实现节能的目的[1]。因此，越来越多的人意识到自然通风的重要性，近年来，捕风器作为一种有效利用自然风，提高建筑通风效率的系统在中东国家和英国等国家得到了广泛应用，目前我国对捕风器这种新型通风设备性能仍缺乏全面了解。本文以单侧捕风器为研究对象，采用数值模拟的方法研究了不同风向角（a=0～90°）和不同风速（1～6 m/s）下平面型、斜面型（倾斜角45°）、弧面型单侧捕风器的自然通风性能，通过对比分析房间进风量，工作区风速，室内平均空气龄来确定最优捕风器类型及其安装形式，对实际工程安装提供一定指导作用。

1 数学模型

本文考虑风压作用下的捕风器外部区域空气流动通用控制方程。根据流体力学以及计算流体力学理论，此时只需求解连续性方程与动量方程，并通过realizable k-ε 模型建立封闭的控制方程组[2]。

2 物理模型

2.1 几何建模及网格划分

本文选取安装不同类型单侧捕风器的办公建筑为研究对象，三种不同形状捕风器即平面型、斜面型、弧面型捕风器具体见图1，捕风器高1.5 m，风口面积为1 m×1 m，捕风器安装在建筑尺寸为（长×宽×高）为8 m×6 m×3 m 的办公室顶部，办公室单侧开窗，窗户面积为1 m×1 m，具体安装位置见图1。

图1 不同形状单侧捕风器及房间物理模型图

在计算机模拟过程中，必须保证模拟区域的边界对于模拟对象影响较小，需要将实际问题的无限空间转化为具有一定大小的有限计算区域，因此计算域的设置显得尤为重要，它将直接影响到计算的精确度。在此参考前人对计算模拟区域的经验设定[3]，采用的三维模型计算域的长度，宽度和高度分别为建筑高度（包括捕风器高度）的20 倍，20 倍和6 倍，即计算区域的几何尺寸（长×宽×高）为98 m×96 m×27m，上游为建筑物高度的5 倍，下游为建筑高度的15 倍（下游的作用：空气出口的位置应设在充分发展流处，即出口处应尽量避免回流，以免对上游的流动产生影响）。整个计算区域包括建筑模型如图2 所示。网格划分采用结构性网格，捕风器及其风口区域局部加密，经过网格无关性验证，最后确定网格数为2510845，以平面型捕风器为例，网格划分见图3。

图2 计算域模型图

图3 模型网格划分图

2.2 边界条件设置

1）入口面边界条件设置：计算域内设为速度进口（velocity inlet）。因本研究中只考虑单个房间的自然通风情况，这个房间所处的大气层高度变化不大，因此入口边界上的风速设定为均匀流速[4]。速度入口边界定常流v=1 m/s，2 m/s，3 m/s，4 m/s，5 m/s 和6 m/s 六种。除室外风向角S 为0°、90°直接设置外，其他风向角时，速度进口的风速用进行设置。

2）出流面边界条件：假定出流面上流动已经充分发展，边界条件按自由出流（outflow）设定。

3）其他面边界条件设置：流域顶部和两侧采用对称边界条件（symmetry），等价于自由滑移的壁面。建筑物表面和地面采用无滑移的壁面条件（wall）。捕风器进口和窗户设为内部面（interior）。

2.3 求解方法设置

采用基于Reynolds 时均的RealizableK-ε 两方程涡粘湍流模型，湍流动能K 和湍流耗散率ε 按照以下公式计算[5]：

式中：I 是湍流强度，本研究中取3%；Cμ为经验常数，取0.09；l 为湍流尺度，l=kZ（系数K 取0.4，Z 为捕风器进口高度）。

压力与速度耦合的方式选择SIMPLE，采用二阶迎风差分的离散格式，亚松弛因子均保持默认值，各监视参数的残差均按照10-5判定收敛。

3 数值计算有效性验证

为了确定数值计算中所选择的控制方程，控制方程的离散方法以及边界条件的设置等是否正确，本文选择了Montazeri HA 和Azizian R[6]的风洞实验进行模拟验证。实验将单侧捕风器的缩尺模型（缩尺比例为1:40）安装在开放式风洞中，主要测量了外界风速为10 m/s 时不同风向角下，捕风器模型的三个内表面上的三条垂直线的静压力，每个内表面的垂线分成8个等距点，根据实测表面压力计算得到这些点的压力系数，然后通过压力系数估算通风量的理论值，进而评价单侧捕风器在自然通风研究中的应用潜力，风洞实验中捕风器模型的尺寸为（长×宽×高）70 mm×40 mm×145 mm，风口尺寸为50 mm×50 mm。根据相关设置得到模拟数据，发现模拟结果与实验数据基本一致，其中所有测点的最大偏差在15%以内，可以认为模拟结果可信。实验数据与模拟数据对比如图5 所示，图中横坐标Z 表示压力系数，纵坐标中Z 表示各个测点的高度，H 为捕风器的高（H=0.145m），压力系数按照式（3）[7]进行计算。

式中：Cp为模拟点的风压系数；P 为模拟点处风压值，Pa；P∞为无穷远处参考高度处静压值，Pa；U0为参考高度处的平均风速，m/s；ρ 为空气密度，kg/m3。

图4 沿垂直线上的表面压力系数的比较

经过上述的比较验证，证明研究捕风器性能的数学模型选择，边界条件及其他参数设置是合理的。对于与实验相似的单侧捕风器新模型仍可以进行计算分析。

4 模拟结果分析

4.1 捕风量影响因素分析

图5 给出了不同风速、风向角下三种不同类型捕风器的进风量变化图。由图5 可得，对于不同形状的捕风器，进入室内的风量与外界风速和风向有关。风速越大，房间进风量越大，而随着风向角增大，进风量不断减小。模拟结果表明，当室外风向角为0°即风垂直进入捕风器时，进入房间内的风量达到最大。此外，该图还描述了不同类型的单侧捕风器对风向的敏感程度，当风向角在0°～45°变化时，风速一定，三种类型的捕风器通风量变化较小，然而，对于风向角较大的情况（a＞45°），通风量下降显著，当风向角为90°时各类型捕风器进风量均达到最小。数据表明，对于平面型、弧面型、斜面型捕风器，当向风角从0°变为67.5°时，室内进风量分别降低约74%，67%和40%。

图5 捕风器捕风量随风速和风向的变化

图6 给出了风向角为0°时，三种类型捕风器的通风量与外界风速v 的变化情况，从图中可以看出，随着风速增大，捕风器诱导进入室内的通风量增加。在风速较小的情况下（v≤3 m/s），三种类型捕风器的诱导进风量非常接近，最大偏差为0.3 m3/s，而当风速增大时（v＞3 m/s），弧面型捕风器较平面型捕风器和45°倾斜面的捕风器进风量更大，有更良好的捕风性能，斜面型捕风器的捕风能力相对较差，弧面型捕风器与斜面型相比，室内进风量的最大偏差约为30%。对于其他风向角的情况，捕风量变化趋势基本与0°风向角呈现相似的变化规律。

由于我国大多数地区室外平均风速为3 m/s [8]左右，图7 给出了v=3 m/s 时，不同类型捕风器在不同风向角下的进风量。从图中可以看出，房间进风量随着外界风向角呈曲线变化，风向角为0°时，弧面型捕风器进风量分别比平面型和斜面型捕风器的相应值高8%和15%。随着风向角增大，三种类型捕风器进风量都呈现出下降趋势，当风向角大于45°时，各类型捕风器捕风量下降趋势明显。从以上的分析可知，外界风速和风向对不同类型捕风器的影响较大，若要达到最好的进风效果，在安装捕风装置时，首先应考查当地的主要风向，应使其与主流风向成0°～45°的角度，风速大于3 m/s 时，尽可能选择弧形捕风器。因此了解当地详细的气候数据是安装和应用捕风器的重要前提条件。

图7 通风量随外界风向角的变化（v=3 m/s）

4.2 室内通风效果分析

当捕风器与来流方向垂直时，即捕风器的发现方向和外界的风向一致时，安装弧面型和平面型捕风器的房间通风量风量较大，但并不是风量越大，室内通风效果越好，在室内通风效果的分析中，本文主要考虑的是人体办公活动高度处的风速及空气龄分布对人体的影响，所以取室内1.1 m 高（坐姿人员头部呼吸高度）处的速度场、平均空气龄场作为研究对象，全面考察平面型和弧面型捕风器的通风性能。由上述分析表明，弧面型捕风器和平面型捕风器在0°～45°有较好的捕风性能。本文选取风速为3 m/s，4 m/s，5 m/s，6 m/s，a=0°和a=45°几种典型情况进行对比分析，由于篇幅原因，本文只给出了部分工况的云图。图8，图9给出了当外界风速为3 m/s 时，风向角a=0°，45°时被测试房间高度为1.1 m 时水平截面上速度分布云图。

图8 安装平面型捕风器的室内风速分布云图

图9 安装弧面型捕风器的室内风速分布云图

美国ASHARE 标准中对室内的自然通风环境有以下的规定：室内风速的标准是以不吹落桌面纸张而定，不宜超过1m/s。我国室内空气质量标准里规定夏季风速不宜高于0.3 m/s[9]。同时结合有关文献研究，发现室内气流速度与人体舒适度的关系具体可以如表1所示。

表1 室内风速与人体热舒适的关系

由图8、图9 可以观察到：

1）各工况下，房间风速在0.1～0.3 m/s 区间所占的比例最大，说明当外界风速为3 m/s 时，室内风速基本能达到舒适性要求。

2）室内风速位于0.25～0.5 m/s 为人体最舒适的区间，对于平面型捕风器，室外风向角为0°时，室内风速位于这个区间所占的比例为40%，随着风向角增大，当室外风向角为45°时，室内平均风速位于这个区间所占的比例增加，达到60%，因此改变捕风装置的安装角度可以明显提高捕风装置的舒适性。对于外界风速增加的工况，这里仅给出相关结论，当风速为4 m/s 时，室内平均风速明显增加，室内平均风速位于舒适区间的比例达到80.3%，自然通风效果良好，当室外风速≥5 m/s 时，室内平均风速大于0.5 m/s，室内吹风感明显，舒适度降低。

图10 安装平面型捕风器的室内平均空气龄分布云图

3）对比分析弧面型捕风器与平面型捕风器，二者室内平均风速分布情况基本相似，所不同的是，当室外风速增大到5 m/s 以上时，使用弧面型捕风器的房间室内平均风速仍在舒适性区间内。由此可得，弧面型捕风器适应范围更广泛，室外平均风速较大的地区，首选安装弧面型捕风器。

图10，图11 给出了外界风速为3 m/s 时，风向角a=0°，45°时室内1.1 m 高度处平均空气龄分布云图。

图11 安装弧面型捕风器的室内平均空气龄分布云图

将模拟得到的结果进行对比，不同工况下室内1.1 m 高（坐姿人员头部呼吸高度）处的平均空气龄值列出如下，结果见表2。

表2 不同工况下室内空气龄值

从表2 可以归纳出如下几点：

1）不同类型的捕风器，风向角越大，室内空气龄平均值越大。

2）当风向角为0°时，使用弧面型捕风器的房间室内空气龄平均值最小，空气新鲜度最好，而风向角在0°～45°时，不同类型捕风器室内空气龄平均值变化不大，基本处于稳定范围内，室内空气品质相对较好。

3）通常室内空气龄在180 s 以下时，空气都较新鲜[10]。当风速增加时，各工况下室内平均空气龄均小于180 s。

5 结论

本文采用数值模拟的方法研究了外界风速为1～6 m/s 和外界风向角a 为0°～90°范围内不同类型单侧捕风器的通风性能，通过对各种工况下捕风器进风量、室内风速、室内平均空气龄对比分析，得出了如下结论：

1）对于不同形状的捕风器，进入室内的风量与外界风速和风向有关，捕风器的捕风能力随着外部风速的增加而增加，并随着风向角的增加而减小。

2）当风向角为0°时，弧面型捕风器诱导进风量比平面型和斜面型捕风器的相应值高4.5%和10%。当风向角在0°～45°变化时，三种类型的捕风器通风量变化较小，然而，当风向角大于45°时，各类型捕风器捕风量下降趋势明显。数据表明，对于平面型、弧面型、斜面型捕风器，当向风角从0°变为67.5°时，室内进风量分别降低约74%，67%和40%。这表明，若要达到最好的通风效果，在安装捕风装置时，首先应考查当地的主要风向，应使其与主流风向成0°～45°的角度。

3）随着风速增大，捕风器诱导进入室内的通风量增加。在风速较小的情况下（v≤3 m/s），三种类型捕风器的诱导进风量非常接近，偏差在5%以内。当风速增大时（v＞3 m/s），弧面型捕风器较平面型捕风器和45°倾斜面的捕风器进风量更大，有更良好的捕风性能。

4）综合考虑室内平均风速，平均空气龄等因素，外界风速在1～3 m/s 范围内，房间选择平面型捕风器和弧面型捕风器都可，但是随着室内风速的增大，当室外风速大于3 m/s 时，实际工程中宜选择弧面型捕风器。