分内外区的多室房间自然通风性能的数值研究

李芃 廉嘉玮 郭域 吕维勋 臧建彬 吴妍

1 同济大学机械与能源工程学院

2 华润置地（东莞）有限公司

0 引言

捕风器作为建筑自然通风技术的装置之一，具有加强自然通风、降低建筑通风能耗、提高建筑室内热舒适性的功能。目前已在中东国家、英国等地广泛应用，如英国肯特郡的蓝水购物中心。

捕风器的通风原理是利用风压差使室内获得新风。影响捕风器通风性能的因素包括结构尺寸、室内布局、应用场景等[1]。捕风器的性能评价指标包括通风量，空气龄，室内温湿度，风速和污染物浓度等参数[2-10]。

在一些分内外区的建筑中，内区自然通风条件差，若有效利用捕风器，将改善自然通风效果。本文针对内外区多房间模型进行数值模拟，研究捕风器与窗户之间的耦合效应对通风性能的影响，研究结果对捕风器的应用设计具有参考价值。

1 数值模拟

1.1 计算模型

使用CFD 方法完成数值模拟，湍流模型选用RNGk-ε模型，求解方法选择SIMPLE 算法。在压力-速度耦合的情况下，压力采用二阶差分，动量方程采用二阶迎风差分，湍流动能和湍流耗散率方程采用一阶迎风差分。

1.2 计算域和工况设置

在此仿真中，计算域包括外部流场、捕风器和房屋。房屋距风洞的上游入口和下游出口10 m 和40 m。为了确保风洞的横截面堵塞率小于3%[11]，确定风洞的宽度（D）为35 m×高（H）为25 m=875 m2，阻塞率为2.5%，以满足模拟要求。最终计算域的尺寸为W×D×H=56 m×35 m×25 m。

为了简化计算过程，模拟对象是一套由两个分别位于建筑内外区房间组成的套房，其中内区房间顶部的中心安装了一个带有四个开口的方形捕风器，外区房间的一面外墙设有一个打开的外窗。计算域和房屋的示意图、透视图及模型尺寸如图1 所示。根据外窗的位置、有无窗户、有无捕风器，将模拟分为九个工况。详情见表1。

图1 模型示意图

表1 根据房间相对位置、窗户和捕风器划分的九个工况

1.3 边界条件

将捕风器的四个开口、外墙窗户、房屋内门设置为内部流场，其他边界设置为无滑移的光滑壁面，并使用标准壁面函数进行计算。入口为均匀流速入口，风速为2 m/s，表压设定为0 Pa（标准大气压），入口湍流强度为10%，湍流粘度比为10。计算域出口为压力出口，表压为0 Pa（标准大气压）。

1.4 网格划分及独立性检验

网格大小设置为建筑物尺寸的十分之一（0.5～5 m）[11]。使用非结构化四面体网格，全局网格大小设置为1 m，并对房屋和捕风器等区域进行局部加密，以获得更准确的仿真结果。为了减少计算量，同时保证仿真的准确性，选择了约400 万个网格进行仿真，最大网格体积和最小网格体积分别为0.09 m3和3.2 mm3。

对于收敛判断的依据，如果X，Y，Z 方向速度分量的残余误差小于10-3、k，ε和连续性方程的残差小于10-2，观测点速度的不平衡百分比的数值变化低于0.1%，则判断该计算收敛。

2 模型验证

模拟的场景本质上是关于建筑绕流的现象，Wilson[12]提供了有关带有平屋面的长方体建筑物周围流态和特征的详细信息。当不受扰动的稳定流入气流吹向矩形建筑物的一侧时，可以根据建筑尺度长度R通过理论公式近似计算由建筑物顶部的分离流引起的涡流循环区域的位置，高度和长度。根据本文模拟结果，得到气流再贴附点（Reattachment）距离屋顶迎风边缘8.7 m，与理论计算的特征涡的长度（Lc=9 m）较接近，偏离度约为3%，满足仿真精度要求。

3 结果和讨论

根据外区房间的外窗相对来流风的位置，分为背风，迎风和侧风展开分析。

3.1 内区房间相邻背风外区房间

内区房间与背风外区房间相邻的组中设置了三种情况。如图2 所示，1 号房间是内区房间，2 号房间是外区房间。各工况如下：仅在外区房间背风侧开一扇外窗的场景（工况1-1），仅在内区房间使用捕风器的场景（工况1-2），以及外窗和捕风器都使用的场景（工况1-3）。

图2 内区房间与背风外区房间相邻

3.1.1 流场

图3 和图4 分别给出了三个工况在纵向垂直房屋中心平面（y=0 m）和1.5 m 高度（z=1.5 m）平面的风速流线云图和风速矢量云图。从图3 中来流流线可以看出，除了捕风器背风区域的涡流分布稍有不同，其他区域的气流特征基本类似。房屋迎风面顶部形成了明显的分离流。在工况1-2 和工况1-3 中，分离气流一部分撞击到捕风器迎风面壁面后向下流入室内，这部分空气流速较高，室内进口平均风速达到了2.1 m/s 左右，中心部分风速达到2.4 m/s。捕风器下方风速达到1.2 m/s 左右。进入室内的新风速度不断衰减，室内1.5 m 高度处的风速在0.2～0.4 m/s 之间，与室内舒适度标准所规定的室内风速夏季不应大于0.25 m/s、冬季不应大于0.2 m/s 的规定值相比[13-15]，室内工作区风速偏高。工况1-1 的外区及内区房间室内风速都较低，基本位于0.2 m/s 以内。

图3 组一的纵向垂直房屋中心平面风速流线云图

图4 组一的1.5 m 高度房屋中心俯视平面风速矢量云图

3.1.2 通风性能

表2 为组一中三个工况的通风性能参数。从表中可以看出，工况1-3 中房间的通风率和换气率最高、通风效果最好，其次是工况1-2，工况1-1 通风效果最差。由于存在隔墙，2 号房间（外区房间）的换气次数明显低于带有捕风器的1 号房间（内区房间）。工况1-3 内区房间的换气次数比工况1-2 的高约57%，比工况1-1的高约63 倍。外区房间的换气次数比工况1-2 的高约36%，比工况1-1 的高约9 倍。值得注意的是，除了内区房间没有捕风器的工况1-1，房间2 中的所有“新鲜空气”都来自安装了捕风器的房间1，均为二次新鲜空气，这些区域的空气质量比外面的新鲜空气差。

表2 组一的通风量Q 和换气次数I

图5 为纵向垂直房屋中心平面和1.5 m 高度平面的局部空气龄分布云图。在三种工况中，具有捕风器的房间（工况1-2 和工况1-3）的空气龄分布是均匀的，并且捕风器的进气口附近空气龄最低。随着高度的降低，带有捕风器的房间中央区域的空气龄逐渐增加。工况1-3 中空气龄分布最均匀。安装了捕风器的房间（1 号房间）中的平均空气龄约为100 s。由于存在隔墙影响新鲜空气扩散到另一个房间，可以清楚地看到2号房间中每个点的局部空气龄高于1 号房间，大多数区域约为240 s。对于工况1-1，空气龄在1 号房间中最高达到380 0 s，且整体明显高于2 号房间，空气质量比其他两种工况差。

图5 组一在垂直中心平面（a）和水平面z=1.5 m（b）中的平均空气龄云图

3.2 内区房间相邻迎风外区房间

在内区房间与迎风外区房间相邻的组中设置了三种工况。如图6 所示，各工况如下：仅在外区房间的迎风侧开一扇窗的场景（工况2-1），仅在内区房间使用捕风器的场景（工况2-2），以及窗口和捕风器都使用的场景（工况2-3）。与组一不同的是靠近迎风侧的1号房间是外区房间，2 号房间是内区房间。

图6 内区房间与迎风外区房间相邻

3.2.1 流场

图7 和图8 分别给出了三种工况纵向垂直房屋中心平面（y=0 m）和1.5 m 高度（z=1.5 m）平面的风速流线云图和风速矢量云图。由图可知，在房屋后部安装捕风器的组中，研究对象产生的流场和经典的钝体流现象相似，因此捕风器安装位置相对靠后使其完全位于屋面分离流之下，捕风器的通风效果比组一差。因此如果捕风器在单栋建筑的屋面上未能达到一定高度，将无法捕捉到分离流，导致捕风器的通风能力被削弱。

图8 组二的1.5 m 高度房屋中心俯视平面风速矢量云图

在工况2-1 中，少量的新鲜空气通过外区房间窗户进入，室内风速低。在工况2-2 中，捕风器位于屋面的分离流下方，因此只能捕获少量的新鲜空气。捕风器的迎风侧有少量新鲜空气以约0.2 m/s 的风速进入。在工况2-3 中，进入的气流以1.6 m/s 的入口风速从窗户进入1 号房间，并通过门形成穿堂风，从而推动气流在室内流通和扩散，风速逐渐衰减至0.4 m/s。在这种情况下，穿堂风覆盖的区域内1.5 m 高的室内风速要比舒适空调房间的建议值高。同时，捕风器中所有开口均为排风。

3.2.2 通风性能对比

表3 显示了组二中三个工况的通风性能参数。从表中可以看出，当房屋的迎风面窗户打开且屋面安装了捕风器时（工况2-3），两个房间的通风量和换气次数最高，通风效果最佳。同时值得注意的是，2 号房间中的所有“新鲜空气”都来自1 号房间，空气质量在某种程度上比外部的一次新鲜空气差。工况2-3 内区房间的换气次数比工况2-2 的高约21 倍，比工况2-1 的高约32 倍。外区房间的换气次数比工况2-2 的高约103 倍，比工况2-1 的高约24 倍。

表3 组二的通风量Q 和换气次数I

如图9 所示为纵向垂直房屋中心平面和1.5 m 高度平面的局部空气龄分布云图。在工况2-3 中，空气龄分布均匀，并且穿堂风通过的所有区域的空气局部空气龄都非常低。随着穿堂风路径的延长，局部空气龄逐渐增加。值得注意的是，由于大多数穿堂风都是通过门进入2 号房间，因此整个2 号房间的空气龄分布值比1 号房间的空气龄值低。2 号房间大部分区域的空气龄都低于100 s，而大多数1 号房间的空气龄低于180 s。在工况2-1 及工况2-2 中，空气龄分布的均匀性都很差。在工况2-2 中，2 号房间空气龄较低（约500 s），房屋其他区域的局部空气年龄在1400 s 以上。对于工况2-1，两个房间中的空气龄比工况2-2 稍微均匀一些，但均处于较高水平。1 号房间大部分区域的空气龄都高于900 s，而2 号房间的空气龄则高于1200 s。

图9 组二在垂直中心平面（a）和水平面z=1.5 m（b）中的平均空气龄云图

3.3 内区房间相邻侧面外区房间

在内区房间与侧面外区房间相邻的组中设置了三种工况。如图10 所示，仅外区一侧窗户打开（工况3-1），仅内区安装捕风器（工况3-2），窗口和捕风器都设置（工况3-3）。外区1 号房间的侧壁带有窗户，而内区2 号房间安装捕风器。

图10 内区房间与侧面外区房间相邻

3.3.1 流场

图11 和图12 分别给出了三种工况下纵向垂直房屋中心平面（y=0 m）和1.5 m 高度（z=1.5 m）平面的风速流线云图和风速矢量云图。从图中可以看出，在组三中，捕风器的上部位于屋面上部分离的气流中。在工况3-1 中，两个房间内的风速很低，并且外区房间的窗户附近没有明显的速度梯度。在工况3-2 中，捕风器的上风侧的风速较高，约为2.4 m/s，在室内形成了向地面流动的气流。同时，2 号房间的风速高于1 号房间。2 号房间的中心存在较高的风速区域，在1.5 m 的平面高度处，风速可以达到1.2 m/s。工况3-3 的通风条件相似，窗户为排风，其附近的风速为0.4 m/s。

图11 组三的纵向垂直房屋中心平面风速流线云图

图12 组三的1.5 m 高度房屋中心俯视平面风速矢量云图

3.3.2 通风性能对比

表4 为组三中每个工况的通风性能参数。从表中可以看出，工况3-3 中两个房间的空气流量和换气率最高，通风效果最佳。工况3-3 内区房间的换气次数比工况3-2 的高约74%，比工况3-1 的高约134 倍。外区房间的换气次数比工况3-2 的高约3 倍，比工况3-1的高约5 倍。图13 所示为纵向垂直房屋中心平面和1.5 m 高度平面中生成的局部空气龄分布云图。在工况3-3 中，空气龄分布相对均匀，2 号房间中的空气龄最低（约100 s），1 号房间中的空气龄较高，上部区域可以达到240 s。整体上1 号房间的空气龄低于2 号房间。在工况3-2 中，2 号房间中的空气龄分布与工况3-3 中的相似，但是在1 号房间中没有窗户，因此空气龄整体较高。该房间中央的空气龄可以达到350 s。在工况3-1 中，空气龄分布的均匀性很差，在2 号房间中尤为明显。1 号房间的大多数区域的局部空气龄高于800 s，而2 号房间的大多数区域的局部空气龄高于2500。

表4 组三的通风量Q 和换气次数I

图13 组三在垂直中心平面（a）和水平面z=1.5 m（b）中的平均空气龄云图

4 结论

本文利用CFD 数值模拟方法研究了捕风器在多房间房屋的不同通风场景，使用通风量，换气次数和空气龄评估室内通风性能。发现当外区外窗位于迎风侧时，整体通风换气量最大，同时会造成较明显的吹风感。位于侧风侧和背风侧时，捕风器主要承担进风作用，且能够有效弥补仅窗户工作时换气量不足、空气品质较差的问题。

无论外区房间位于何处，在捕风器能够捕获屋面上部的分离流的前提下，外区房中的窗与内区房间中的捕风器耦合通风的方式都可以增强室内通风效果。与不开窗场景相比，外区房间换气次数的增量达0.57到21 倍，内区房间换气次数的增量达0.36 到近百倍。但是，当捕风器无法捕捉到屋面上部的分离流时，仅依靠捕风器而没有窗户，室内的通风效果很差，而且没有与室外直接通风的房间的空气质量甚至比外区房间只有一个打开的窗口的场景还要差。

值得注意的是，本文仅考虑纵向和横向来流的场景，没有考虑屋面形式对顶部分离流流型的影响，且热浮升力对捕风器的通风效果的影响也不容忽视。因此，其他来流角度，屋面形式和热浮升力对捕风器通风效果的影响值得进一步研究。