交通污染下临街建筑自然通风采风口形式探究

马广兴 潜 雨 刘鹏飞

交通污染下临街建筑自然通风采风口形式探究

马广兴 潜 雨 刘鹏飞

内蒙古工业大学土木工程学院

应用计算流体力学对交通污染情况下的街道污染物分布和街道临街建筑自然通风情况进行数值计算。以实测数据作为边界条件建立了街道峡谷污染物扩散数学模型，采用街区模拟结果对临街建筑自然通风情况进行模拟计算，分析了建筑表面南风北风高浓度区域四个工况下室外压力、污染物浓度对室内自然通风的影响，并在其中一种工况下对室内自然通风采风口形式进行优化。

自然通风街道峡谷污染物扩散计算流体力学

当前对自然通风的研究只在通过换气次数对舒适性和节能通风的评价，但城市街道峡谷的特殊条件对城市中街道峡谷周边建筑的自然通风有着很强的局限性。本文以一实际街道的尾气成分CO为研究对象，采用CFD数值模拟的手段预测街道流场结构，研究交通拥堵情况下的临街建筑自然通风形式。

1 街区污染物浓度分布数值模拟

1.1 几何模型的建立

选择的街区由四个建筑物组成，高度及错落形态形成典型街谷形式[1]。按照街区大致形态构建街谷建立几何模型（图1），并画出计算网格（图2），网格近地面加密，以更好捕捉近地面人员活动地带污染物分布情况。

图1 几何模型等视图

图2 网格全局

1.2 边界条件及参数确定

本文对街区污染物浓度分布的数值模拟，计算采用标准湍流方程，速度入口、无滑移边界、对称边界、出流等边界条件。输入实测尾气温度、大气温度、污染源强等实际参数。

1.3 街区污染物浓度分布

由于街区的峡谷形态，来流在与街道垂直方向的情况下峡谷内流场最不利于污染物的扩散[2]，本文以垂直街道的南风和北风两个工况作为研究对象进行数值模拟。计算结果如图3～4。

图3 南风工况下污染物浓度分布

图4 北风工况污染物浓度分布

由图3～4看出，街道峡谷的建筑背风面污染物浓度在数值上有所差别。南风工况下街谷背风面建筑表面浓度明显比北风工况污染物浓度高，污染面积大。南风工况和北风工况的区别在于，南风工况风从较高的建筑吹向较矮的建筑；北风工况风从较矮的建筑吹向较高的建筑。两种方式流场形成的漩涡强度不同，从高建筑吹过的风，来流只有小部分低于矮建筑的区域被遮挡形成回流漩涡；而从矮建筑吹过的风，来流几乎全部被高建筑遮挡回流形成大漩涡。这与参考文献[3～5]的研究不谋而合。这证明了笔者建立的数值模型是可信的，可以近似真实地反应街道峡谷流场形态及污染物扩散分布。

2 临街建筑自然通风数值模拟

自然通风分穿越式通风、浮力烟囱式通风、单侧式局部通风三种不同的方式。由于模拟对象的街区建筑结构复杂，功能多样，且进深较大，建筑内通风形式复杂。所以本文在对建筑临街的房间通风方式的研究中只考虑到单侧局部通风这种自然通风方式。

2.1 几何模型介绍

对比这两种伏安特性曲线测试平台，可以发现，采用DH6101平台测试不能实时绘制I-V曲线图，而采用电化学工作站能实时绘制I-V曲线图，直观地观察二极管的伏安特性。在实验数据处理阶段，相比手工绘图，利用Origin软件绘图降低了绘图误差，提高了实验数据处理的效果。同时，利用Origin软件还可以拟合曲线，本次实验中利用Origin软件拟合了高斯曲线，拟合优度很高。

基于目前国内公共办公建筑和民用住宅建筑的一般结构形式[6]，本文所选用的几何模型如图5。模型房间尺寸为3.6m×3.6m×2.7m，整个房间采用单侧局部通风形式进行自然通风，临街侧有两个采风口作为进出风口，开口尺寸为0.8m×0.8m。

图5 室内三维模拟模型

采用室内零方程对室内自然通风进行数值计算。环境温度为室内标准温度20℃，压力为1个标准大气压（忽略室内其他因素产生的气压）。由于模型结构简单形状规则，计算使用结构网格。网格数为4.4万。以压力、温度和浓度三个参数描述开口边界。计算输运方程和能量方程，关注污染物的扩散分布，考虑室内外空气温差引起的自然对流。

2.2 模拟工况

基于以上对街区污染物浓度分布的模拟计算，取建筑表面浓度值较高的直线数据，做浓度随高度变化的曲线图，观察浓度最大出现的位置。对于南风工况，选取建筑表面的四条直线。例如选取建筑表面x=-74m平面的一条直线line15，模拟结果如图6～7。

图6 CO浓度随高度的变化（line15）

图7 压力随高度的变化（line15）

从图6～7可知，浓度与压力分布图没有相关性，浓度最高的地方压力并不是最高。自然通风影响因素主要是风速和风压，本研究重点在于自然通风所带进室内污染物，所以要将污染浓度和风压二者一同考虑。

在本文中，南风工况建筑表面浓度存在比较高的地带，但整个建筑表面都主要处于较大的负压区，街道的污染空气不会轻易地进入建筑临街的室内，所以对此工况，只研究建筑表面浓度最高的区域，最高浓度出现在高建筑表面；对于北风工况，建筑表面为较小的负压和正压，污染空气容易进入室内造成室内污染，主要污染区域在矮建筑表面，所以此工况要研究矮建筑表面各个高浓度区域的自然通风情况；对于穿堂风工况，整个街道的污染程度比较低，建筑表面大多也是较低的负压和正压的情况，因此此工况也只研究污染浓度最高区域的自然通风情况。

根据以上要求，列出几个需要模拟工况，见表1。

表1 工况参数

2.3 计算结果

室内1.5m处为人员呼吸带，所以研究平面选择z=1.5m，计算结果示意图如图8。

图8 z=1.5m平面CO浓度分布

由图8可以看出，只有工况2由室外进入的污染空气大部分直接进入室内，造成室内的空气污染；而工况1、3、4，室外的污染空气都被稀释后进入室内，与工况2相比没有造成太严重的室内空气污染。这是由于工况2房屋采风口处于正压区，室外新风会直接进入室内。比较采风口同样处于负压区的工况1、3、4，综合开口进入污染物浓度的程度，室内受到最小污染影响的工况1。由于工况1开口处负压最小，可以说在开口处于负压的情况下，负压越小，进入室内的空气越小，室内受到室外空气污染的几率越小；负压越大，室内受室外空气污染影响越大。

图9为y=1.8m平面速度矢量图，从图中可以看到，负压情况房间上下两个采风口，总是下开口进风，上开口出风。这是由于室内空气温度与室外空气温度存在温差，室外进入的冷风使室内热空气上升，形成环流，置换出室内空气。这符合自然通风单侧局部形式室内空气流动规律。正压情况两开口都会进风，下风口主要出风，是由于上风口进风气流所致。

图9 y=1.8m平面速度矢量

四种工况的进风质量流量分别为0.004543m3/s，0.004928m3/s，0.004871m3/s，0.004779m3/s。说明工况2的通风效率比较高，较容易稀释室内产生的污染气体，但同时此工况也是受室外空气污染影响最严重的情况。

因此，室外空气对室内的污染随着风压绝对值的减小而较小，通风效率也随之变差。通风效率与被室外空气污染程度成负相关趋势。所以在临街建筑自然通风工程中，不能单单考虑通风效率这一个因素来评价自然通风的效果好坏，还要注意室外空气对室内空气的污染。

3 通风形式优化

本文通过改变采风口的位置、形状、大小，探究既能加大通风效率又不会受到室外空气污染的通风方式。为此，设计了三种开口形式，如图10，三种采风口形式的模型参数见表2。

图10 采风口形式

表2 开口形式模型参数

以室内受室外污染最严重的最不利正压情况（工况2）为研究对象，进行3种不同通风形式的数值模拟。计算结果见图11。

从图11可以看出，与前节工况2相比，3种形式的室内污染程度都比工况2的污染程度要小。3种形式都在一定程度上稀释了室外污染空气对室内的污染，而工况2室内平均污染物浓度为8.75078×10-5%是由于被污染的室外空气直接进入室内造成室内空气污染。说明这3种形式都有利于阻止室外空气对室内空气的污染。3种形式相互比较，形式1室内污染程度最低，室内平均污染浓度为8.73889×10-5%；形式2的污染程度最高，平均浓度8.74855×10-5%。

图11室内z=1.5m平面CO浓度分布

图12 为3种形式的速度矢量图。从图中可以看出，形式2和形式3都保持了开口处于正压区通风的特点，上风口进风，下风口出风；形式1相反的产生上风口出风，下风口进风的现象。3种形式都存在室内空间由受迫进风和温差产生浮升力等驱动形成形态各异的漩涡，扰动室内气流流动，不同的开口形式形成室内气流不同的扰动。从数值上来看，形式1室内平均风速略高为0.1m/s，入口风速较大，其他两种形式室内风速相对较低分别为0.05m/s和0.06m/s。原因是形式1开口处于房屋两端，室内空气会经过更长的路程和更大的驱动力才能从上侧的开口流出，造成室内气流产生更强的扰动，加大净化污染的能力。

图13为3种形式的室内空气龄分布，数据显示，形式1的室内平均空气龄为2076s，形式2为1553s，形式3为6874s。空气龄分布图说明，形式3空气在室内滞留的时间最长，室内气流流动性较差。而形式1平均空气龄比另两种形式相对较小，室内空气流动性强。

图12 y=1.8m平面速度矢量

图13 y=1.8m平面室内空气龄分布

结合各形式的通风体积流量0.008054m3/s， 0.01106m3/s，0.0009174m3/s来评价3种通风形式的通风效果。很明显，形式2的通风效果较高，明显优于其他两种形式。与工况2的0.0049m3/s相比，形式3反而明显恶化了室内通风效果。因为上开口尺寸的减小，使室内进风量减小，这就减缓了室内气流流动，减小扰动，从室外进入室内的污染空气难以排出室外。形式1和2都相对提高了通风效率。

总的来说，形式1和形式2与工况2相比较都减少了室内的污染程度同时还提高了通风效果。所以，改变采风口位置和形状有利于防止室外污染在房屋自然通风时加重室内污染。

4 结论

本文以实际街区为模型，利用CFD软件进行数值模拟，分析街区污染物浓度分布情况。

1）考虑到大型建筑内通风形式的复杂性，假设建筑临街的房间采用单侧局部式自然通风。以目前住宅和办公建筑的一般室内模型作为临街建筑自然通风研究对象，在建筑表面有规律的设置采风口，将街区模拟的建筑表面风压、污染物浓度和温度作为边界条件进行室内自然通风模拟计算。经数值计算发现处在正压区的采风口对室内空气污染严重，而在负压区的采风口相对污染较轻，并且风压的绝对值越大室内受到室外空气污染越严重。但风压小的区域通风效果变差，不能很好地净化室内空气。

2）探究减小室外对室内污染程度又同时加大通风效果的方式。计算结果表明，采风口位置和形状的改变可以改善室外污染气体对室内空气污染的情况，并加大通风效果。

[1]Nicholson S E.A Pollution Model for Street 2 Level Air[J].Atmospheric Environment,1975,9(1):19-31

[2]谢海英.风向对街道峡谷内污染物扩散的影响[J].环境科学研究,2011,24(5):497-504

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Explore the Air Ope ning of Stre e t Fronta ge Building Na tura l Ve ntila tion on Tra ffic Pollution

MA Guang-xing,QIAN Yu,LIU Peng-fei
College of Civil Engineering,Inner Mongolia University of Technology

The street pollutants in the case of traffic pollution distribution and street frontage building natural ventilation were simulated by Computational Fluid Dynamics.The mathematical model of the street canyon dispersion of pollutant was established based on the measured data as a boundary condition,and the street construction natural ventilation was simulated based on block simulation results.The influence of indoor natural ventilation on the four conditions of outdoor pressure and concentration in the building surface areas of high concentration southerly and northerly were analyzed. Finally,the air opening of indoor natural ventilation was optimized in the form of one of the conditions.

natural ventilation,street canyon,diffusion of pollutants,computational fluid dynamics

1003-0344（2014）04-020-5

2013-5-7

马广兴（1972～），男，博士研究生，副教授；内蒙古呼和浩特市内蒙古工业大学土木工程学院（010051）；E-mail:mgx126@126.com