非稳态风边界条件下的自然通风机理及效率

谭洪卫^{1, 2}，季亮^{1, 2}，KATO Shinsuke³，卜震³

(1. 同济大学 机械工程学院，上海，200092

2. 同济大学 绿色建筑及新能源中心，上海，200092

3. 东京大学 生产技术研究所，东京，153-8505)

摘要：研究动态自然风风向情况下的自然通风效果，对自然风基础数据进行长期实测，并分析自然风风向动态变化的特征。设计风向动态变化的风洞试验及CFD数值模拟分析，对非稳态自然风条件下的自然通风进行定量化研究，并定性解释不同建筑条件下的非稳态自然通风机理。结果表明：自然风风向在主导风向两侧±45°范围内随机振动，客观动态变化的自然风相对于假定的稳态自然风而言，打破了通风短路的情况，根据建筑条件不同，通风效果提高10%~50%。

关键词：非稳态；自然通风；通风效率；风洞试验；数值模拟

中图分类号：TU834.5        文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2012)06-2424-10

Natural ventilation performance and mechanism on condition of fluctuating wind

TAN Hong-wei^{1, 2}, JI Liang^{1, 2}, KATO Shinsuke³, BU Zhen³

(1. School of Mechanical Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China;

2. Research Center of Green Building and New Energy, Tongji University, Shanghai 200092, China;

3. Institute of Industrial Science, University of Tokyo, Tokyo 153-8505, Japan)

Abstract: Natural ventilation was studied considering fluctuating wind direction. A long-term field measurement offered rich fundamental data of wind and then the characteristics of wind direction were analyzed. Wind tunnel experiment in which the wind direction was fluctuating was carried out and unsteady CFD simulations were done as well. Both qualitative ventilation mechanism and quantitative ventilation performance were explained. It can be concluded that the wind direction fluctuates ±45 degrees around the prevailing wind direction. Compared to the steady wind direction, the fluctuating wind can reduce the short circuit effect of ventilation and improve the ventilation efficiency by 10% to 50%.

Key words: unsteady; natural ventilation; ventilation performance; wind tunnel experiment; numerical simulation

自然通风技术是关系到建筑领域利用自然能源改善环境，实现节能减排的一项关键技术。相对于机械通风和空调而言，自然通风具有显著降低建筑能耗的潜力。在过渡季节采用自然通风，可以显著降低机械通风的开机时间^[1]，减少建筑运行能耗。同时，自然通风引入了室外新风，对于排除室内污染物和提高室内空气品质具有重要作用。因此，自然通风日益得到设计人员的重视^[2]。对于自然通风的研究，也已经颇具成效，自然通风的计算和评价方法、评价工具的评价效率和精度都得到了显著的提升^[3-6]。自然通风的效果依赖于外界风场条件和建筑自身空间构成及内部条件。传统的风压和热压通风理论解释了自然通风的机理^[4]，但在实际应用中，外部风场边界条件的不确定性和不稳定性^[7]是影响建筑内部通风效果的关键因素，也是规划设计建筑自然通风利用的最重要条件。现实状况是自然通风的设计和评价，不论是模型实  验^[8-9]或是数值模拟计算^[10-13]，往往简单地以气象台提供的主导风向和平均风速作为恒定的外场边界条件来探讨建筑室内的自然通风效果，虽然这样处理比较便捷，却可能偏离了实际情况，难以客观评价自然通风的利用效果，可能导致过高或过低甚至错误地评价自然通风的效果^[14]。而除边界条件问题之外，在对自然通风的效果进行评价时，也存在问题一般多采用ACH(换气次数，Air change per hour)指标^[15]。该指标直观地体现了通风量和建筑体量的比，容易在简单工程设计中使用。但ACH将整个室内全体空气视为一个节点，仅仅考虑进出建筑物量的因素，没有考虑室内气流分布的不均匀度导致的实际通风效果偏差，在评价大空间建筑和非稳态自然通风的问题上，具有较大的误差，在使用上受到限制。随着数值模拟工具的发展和进化，另一个常用的自然通风效果评价标准——空气龄也逐渐得到应用^[16]，然而，空气龄也是一个基于稳态计算和稳态边界条件下的计算结果，对于非稳态问题，必然存在时间上和空间上的差异，因此，空气龄指标在非稳态通风问题的评价上也具有局限性。对于非稳态边界条件下的自然通风而言，必须提出适用于非稳态问题的新的评价方法和评价指标。鉴于此，本研究对自然风基础特征进行长期高频实测，对实测数据进行分析，基于这些数据所反映的非稳态边界条件的特点，进行丰富工况的风洞实验及CFD数值模拟分析，对非稳态自然风边界条件下的自然通风进行定量化的通风效率研究，与稳态风边界条件下的通风效率进行对比；并定性化解释不同建筑条件下的非稳态自然通风的机理。本研究流程如图1所示。

1  研究手段及方法

1.1  自然风实测

尽管通过气象台站的实测，可以获取自然风的动态数据，但存在诸多限制，例如：(1) 国内的气象数据除月平均数据以外，日平均和逐时数据均为非公开数据，需要联系气象站购买，耗费人力物力；(2) 气象台站的数据，最小的时间分辨率为逐时，无法提供所需要的时间尺度数据。对于非稳态的自然通风分析而言，把握逐分的数据尤其必要。

为了分析非稳态自然风在中等时间尺度上的变化，首先需要把握自然风的基础数据。为此，本研究设置了2个小型气象站和1个超声波风速风向仪，均采用逐分的频率进行测试，它们的测试条件如表1所示。

图1  非稳态自然通风的分析流程

Fig.1  Flow chart of researching unsteady natural ventilation

表1  测试条件

Table 1  Profile of measurement points

自然通风科学的大多数研究均采用恒定的边界条件，即选取当地的平均风速以及选取当地某季节的主导风向。在此基础上，进行相关的风洞试验或者CFD数值模拟。尽管有时研究者们也进行逐月的动态分析，但仍然是一个准稳态的分析，而不是真正的动态分析。对非稳态自然风的研究，必须将动态变化的时间尺度缩小，这样才能充分反映出非稳态通风的特征。本研究即选取了较小的时间尺度，着重研究自然风从逐分到逐时这个时间尺度下的特征。

1.2  自然风风向的主要特征

图2和图3所示为2个不同时间尺度的风向变化数据。从图2可以看出自然风逐时主导风向的变化特征的主要特点是：在一定的时间跨度内(几小时至几十小时)，自然风的逐时主导风向呈现出较稳定的     特征。

而图3则说明了在另一个时间尺度上的自然风风向的变化特征。图3中的2个主要特征及其物理含义是：(1) 和逐时主导风向的稳定特征相比，自然风的逐分风向时刻都在变化，呈现显著的非稳态特征。(2) 自然风的逐分风向变化的幅度不大，在围绕着主导风向两侧±45 ℃范围内波动(图4)。图3中的纵坐标是圆周角，图中的+180°和-180°实际上是相同的风向角，因此，图3所示的840~1 080 min之间的风向震动幅度较大，但实际上的波动幅度仍然不大。

图2和图3描述了中等时间尺度内的2个不同尺度内的风向变化特征，该变化特征也服从自然风风向变化的物理本质。自然风是大气环流运动和地形地貌两者影响作用下的结果。大气环流在一定时间范围内方向较为稳定，是自然风的背景风场；而自然风在经过一定地形地貌后，会产生绕流和涡，绕流和涡对下游的风向产生影响，呈现出随机的波动特性，且该波动呈现出正态分布的参数特征(图4)，这是自然风的波动风场。实际的自然风就是背景风场和波动风场的  叠加。

下面进行的风洞试验和CFD数值模拟中的自然风边界条件均是参考自然风实测数据表现出来的特征进行设定。

1.3  风洞试验

风洞试验在东京大学生产技术研究所环境无音风洞实验室进行。该风洞测定段为2.2 m(宽)×1.8 m(高)，边界层高度为0.15 m。建筑模型的长×宽×高为0.25 m×0.25 m×0.15 m，建筑的迎风面和背风面各有1个开口，以便形成穿堂风效果。模型处于风洞的边界层内。

图2  自然风风向的逐时变化时序图

Fig.2  Hourly time series of natural wind direction

图3  自然风风向的逐分变化时序图

Fig.3  Minutely time series of natural wind direction

图4  自然风风向分布图

Fig.4  Distribution of wind direction

为在模型试验中合理评估风向变动周期带来的通风效果影响，必须选取关键的相似准数。除了几何相似和流态相似(Re数进入自模区)以外，还需要确保风向变动周期的相似。因此，定义无量纲风向波动周期为：

                          (1)

其中：τ为无量纲风向周期；R和R′分别为原型和模型中的风向变动周期；l和l′分别为原型和模型的定性尺寸(本研究中定性尺寸为模型前后开口之间的距离)；u和u′分别为原型和模型中的风速。

该无量纲参数(无量纲风向波动周期)表征了风速、风向变动周期和建筑定性尺寸之间的相互关系。其数学定义是风向变动周期和自然风从入口到出口穿过建筑的时间之比。自然通风稀释室内污染物的基本原理是：室外自然风穿过建筑的同时将室内的污染物通过排风口“挤出”室外。因此，该无量纲风向波动周期涵盖了自然风风向变动周期和自然风稀释室内污染物能力2个信息，能够综合表征自然风风向变动和自然风穿过室内空间的能力的联合作用对自然通风效果的影响。根据式(1)以及模型和原型的几何尺寸比例，对4个模型周期分别为6，9，18和36 s进行实验，分别代表了原型中的风向变动周期T=400，600，1 200和2 400 s。

基于前面分析，通过对风洞的模型转盘进行改装，设计了动态风向的风洞试验，使其风向在主导风向两侧的±45 ℃内周期变化。试验装置如图5所示。通过一套和模型相连接的机械传动装置，可以将电动机的圆周运动转化为±45 ℃范围内的往复运动，从而产生通风风向在主导风向两侧±45 ℃范围内周期性波动的效果。同时，通过变频器控制电动机的转速，经过机械传动装置后即可调整往复回转的周期。

图5  非稳态风向下的风洞试验装置图

Fig.5  Installation of wind tunnel experiment to generate fluctuating wind direction

该试验采用体积分数为1.2%的乙烯(C₂H₄)气体作为示踪气体，采用高速FID(火焰离子化检测仪)设备进行示踪气体的浓度测量。高速FID设备的响应时间极快，约为0.005 s。这样的响应速度，有助于精确测量动态风向情况下的污染物浓度变化，从而可以对通风效果进行定量分析。如图5所示，FID采样仪器和模型之间相对静止，FID1的采样管固定在模型出口处，FID2的采样点固定在模型室内。

在实验中，先将模型的门关闭，向整个空间充满乙烯气体，并放置一段时间，待其整个空间示踪气体分布均匀后，迅速打开模型前后的门，开始通风。同一时间内，机械装置开始工作，控制建模模型往复回转。同时FID设备开始测量污染物浓度变化情况。

除了FID的定量测量外，还设计了可视化实验，通过面光源照射透明的建筑模型获取气流断面的流态动画，有助于分析非稳态自然通风的特点。

对自然通风效果而言，主要影响因素有，建筑的开口面积，风速和风向变动周期等。因此，设计了如表2所列的工况，综合分析非稳态自然通风的特征、效率及各影响因子的影响程度。

1.4  CFD数值模拟

为把握非稳态的自然风边界条件在不同的建筑类型中的通风效果，分别对3种典型的建筑类型进行模拟，分别是：大空间大开口的厂房建筑；小开口具有中庭的办公建筑；小开口小空间的居住建筑，其模型分别如图6所示。

表2  高速FID测试的风洞试验工况

Table 2  Tested cases by rapid response FID

图6  CFD数值模拟各类型建筑结构图

Fig.6  Sketches of different types of buildings

各建筑的主要体积和开口面积参数如表3所示。

表3  不同类型建筑的建筑体积和开口面积

Table 3  Volume and opening area of different types of buildings

一般的自然通风设计中，设计者多倾向于构建“穿堂风”效果，即，将建筑空间的主要开口之间的连线设计为和当地的主导风向平行。因此，在CFD数值模拟中，假定建筑的主要开口正对着当地的主导风向，按照最有利通风的情况进行设定。在非稳态边界条件的模拟中，边界条件设定为风向以正对着建筑的主要开口方向的两侧进行周期波动。CFD模拟的工况设定如表4所示。

由于k-ε模型存在其固有的缺陷，且不适用于非稳态的数值模拟，本研究采用大涡模拟(LES)数值计算模型。大涡模拟将湍流瞬时运动通过滤波的方法，分解为大尺度运动及小尺度运动2部分，然后，对大尺度涡采用直接求解N-S方程的方法进行求解，并应用亚格子应力模型(SGS)对小尺度涡进行求解。

表4  CFD模拟工况清单

Table 4  List of CFD simulation

2  非稳态自然通风的评价指标

本研究采用“等效稀释通风量”指标对非稳态自然通风的效果进行量化评估。

在经典的全面通风理论中，假定室外通入室内的新鲜空气和室内污染的空气瞬间均匀混合，然后将混合后的空气排出室外，逐渐稀释室内污染物浓度。因此，全面稀释通风的室内污染物平均质量浓度为：

                  (2)

其中：为t时刻室内污染物平均质量浓度，kg/m³；C₀为室内污染物平均质量浓度初始值，kg/m³；q为通风量，m³/s；V为室内空间体积，m³；t为通风开始后的时间，s。

根据式(2)，的曲线是一条指数衰减曲线。但式(2)仅仅表达了全面通风情况下的理论稀释速率，但是在实际非稳态的风洞试验和CFD模拟中，由于建筑条件、开口条件和边界条件的多种多样，的衰减速率不完全服从该理论。但是，通过求取该公式的反函数，即通过的衰减速率反推q，这样反推得到的q才是真正有效的自然通风。而可以通过实测或数值模拟的结果来获得。在本研究所设计的风洞试验中，通过FID1测量得到的排风质量浓度，即可算出剩余污染物总量，从而计算出室内污染物质量浓度。而在CFD数值模拟中，可以通过子程序让CFD软件直接输出室内污染物平均质量浓度。

等效稀释通风量和换气次数的指标相比，前者通过污染物稀释的实际速率来反映实际有效的通风量，反映了通风的“质”，而后者仅仅反映了通风量的“量”，因此前者的评价更精确和有效，也适用于评价非稳态的自然通风。

3  结果分析与讨论

3.1  风洞试验的结果分析

在风洞试验中，除了FID的定量测量外，图7的可视化数据直观地展示了稳定风向的通风效果和非稳态风向下的通风效果。图7中颜色较深的区域代表新鲜空气，较亮区域代表污染空气。

从图7可以看出：在非稳态自然风风向情况下，室外新鲜空气可以周期性地到达室内的各个角落，有助于充分地将滞留在死角的污染空气“挤压”出室外。而在固定风向的工况中，室外新鲜空气进入室内后，发生了“短路”效应，即一部分轴心部分的新鲜空气未能与室内污染空气充分混合，便离开了建筑物。因此，这一部分通风空气实际上是无效的。

图7  不同风向下的可视化通风效果

Fig.7  Visualization of natural ventilation under different wind directions

图8所示为风洞试验中的2个工况的FID测试设备测试获得的定量测试数据。这是FID1测试到的数据，即排风浓度。其中上面1条平滑曲线是45°风向时的的理论排风浓度，下面1条平滑曲线是0°风向时的理论排风浓度。

图8  2个典型工况的排风浓度衰减图

Fig.8  Decaying of concentration of dispelled air of two typical cases

由图8的实验工况1可见：在通风刚刚开始的1 s内，排风浓度显著降低，这也进一步说明了“短路”效应的影响。但随后的5~20 s时间里，排风浓度始终超出理论的排风浓度，这是由于污染物被排出，导致稀释能力减弱，始终存在污染物残留。由图8实验工况4可见：实验工况中的排风浓度呈现出周期性变化，和风向变动的周期相同，但在后期的时间里，排风浓度基本接近0，可见污染物在风向周期变化后，被充分“挤压”排出室外。图8展示了风洞试验的27个工况中的2个典型工况的下的排风浓度变化。为避免过多展示冗余的衰减曲线。表5仅通过“等效稀释通风量”参数来量化反映所有工况的通风效果。

表5  风洞试验各工况量化结果

Table 5  Results of wind tunnel experiments

从表5中所列的量化指标可以看出如下一些显著的特征：

(1) 尽管通风角为0°的工况中的通风量最大，但是等效稀释通风量却是同开口工况中最小的。根据风速不同，非稳态边界条件下的通风效率，是稳态边界条件通风效率的1.0~1.6倍。

(2) 选取风向变化和风速相同的工况，仅对比开口面积的影响。可以发现：开口面积越大，稳态通风和非稳态通风的差距越大，说明大开口会加剧“短路”效应。

(3) 选取风速相同与开口面积相同的工况，仅对比分析风向变化带来的通风效果影响。可以看出：自然通风的效果，对风向是否存在变动具有敏感性，而对风向变动周期并不敏感。

(4) 选取风向变化和开口面积相同的工况，仅对比风速对通风效果的影响。可以看出：风速越大，稳态通风与非稳态通风的差距越大，说明高风速也会加剧“短路”效应。

综上分析，可以看出非稳态自然通风和稳态自然通风的最大区别在于“短路”效果。非稳态的自然风风向的边界条件，有助于打破固有的自然通风的室内流场，减少短路效应导致的实际通风效率降低的情况。

3.2  非稳态通风机理分析

基于上述的风洞试验中的信息，结合各工况通风效果的对比分析，可以对非稳态自然通风的通风机理作出阐述。可以将自然通风的进风看作是一股新风射流，该射流的边界层区域在射流前进方向上，逐渐与周边的污染物区域混合，而轴心区域未和室内原有污染物混合的新风充分混合，且该部分逐渐缩小。当轴心区域未充分混合的新风流出室外时，就产生了通风“短路”效果(如图7)所示。因此，根据这种对通风的理解方式，可以推断出：开口越大，这种短路效果越明显；风速越大，这种短路效果也更加明显。这与表5中的信息相吻合。表6所示为等效稀释通风量的变化趋势。

表6  等效稀释通风量随其他条件更改的变化趋势

Table 6  Variation trend of diluting flow rate with other factors

3.3  CFD数值模拟的结果分析

对CFD数值模拟，采用相同的评价指标(等效稀释通风量)进行评价。CFD数值模拟采用的是原型尺寸，为了更直观地表示出通风量和空间体量的关系，且为了使该指标具有工程直观性，对等效稀释通风量做了简单的处理，即将等效稀释通风量除以空间体积，计算出等效稀释换气次数。表7所示为各CFD工况的计算结果。从表7可以看出：

(1) 对于厂房建筑而言，非稳态自然通风要显著优于稳态自然通风。且风速较大的情况下，非稳态通风和稳态通风的相对差值较大。在风速较低时，非稳态通风的效率要高18.2%；在风速较大时，非稳态通风的效率要高41.6%。这是由于厂房建筑体积和开口都较大，室外的新鲜自然风的射流半径非常粗，新鲜空气和室内污染空气的混合是由外向内逐渐进行的，因此，在稳态风情况下，进入室内的新鲜空气射流无法完全和室内污染空气混合，导致实际的通风效率相对低下。而在非稳态风情况下，则立刻可以改善此种情况，促进新旧空气的混合，从而大大提高通风效果。

表7  各工况等效稀释换气次数及相对差异

Table 7  Diluting air change rate of different types of buildings

 (2) 对于办公建筑而言，非稳态自然通风和稳态自然通风的相对差异不明显。办公建筑虽然中庭空间相对较大，但开口面积也较小，新鲜空气射流前进的距离足够长，能够确保无论稳态还是非稳态自然通风，从射流的轴心区域到边界区域均能均匀混合，因此，通风效率相差不大。

(3) 对于居住建筑而言，非稳态自然通风要略差于稳态自然通风。且不论风速大小，两者的相对差异均在10%左右。在低风速下，非稳态通风的效率要低10.9%；在高风速下，非稳态通风的效率要低9%。这是因为，居住建筑虽然开口面积也很小，但是其体积相对更小，在这样的情况下，室外新风只要能进入室内，便基本可以和室内空气混合，并将室内空气充分排出室外，“短路”效应造成的通风差异几乎可以忽略不计。因而造成通风效果差异的主要因素，不再是“短路”效应，而是通风量本身。非稳态通风由于通风角度发生改变，和0°通风角的最佳“穿堂风”相比，通风量不及0°通风角的稳态通风量，从而导致通风效果变差。

因此，综上分析可以看出：要评估非稳态自然通风效果是改善还是恶化，不能一概而论，而应当对建筑条件和通风路径进行综合分析，才能得到合理的估计结果。

3.4  非稳态自然通风分析的实际意义

当前常见的自然通风评价和预测手段，大多数都是基于CFD数值模拟或者简单的风洞试验。然而，实际上，客观自然界的风永远是处于不断变化中的。所谓的“稳态风向”仅仅是一个人为的假定，在客观世界中是不存在的。

本研究所讨论的非稳态自然通风的机理(新风射流混合)有助于帮助设计者对真实的通风效果进行趋势判断。且本研究的量化分析，提供了一个对稳态计算和稳态实验的修正系数，从而可以获得更接近真实值的通风效率。

4  结论

 (1) 对自然风进行长期高频实测，分析有关自然风变化的特征。在典型日内，自然风风向在主导风向两侧±45°范围内随机振动。

(2) 设计非稳态风向的风洞试验，分析非稳态自然通风和稳态自然通风的差异性以及产生差异性的原因，解释非稳态自然通风的通风机理。动态风向下的自然通风中，通风死角较少，短路效应明显减弱，有助于提高自然通风效果。

(3) 提出适用于评价非稳态自然通风效率的评价方法，该方法可以应用于非稳态自然通风效果的评价，其适应性和评价精度要优于传统的ACH等评价指标。

(4) 进行CFD数值模拟和风洞试验，对非稳态自然通风效果进行量化评估。根据建筑条件不同，通风效果提高10%~50%。

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(编辑 何运斌)

收稿日期：2011-10-25 ；修回日期：2011-12-06

基金项目：国家自然科学基金资助项目(50778128)；高等学校博士学科点基金资助项目(20090072110016)

通信作者：谭洪卫(1959-)，男，广西桂林人，博士，教授，从事绿色建筑及可再生能源在建筑中的利用研究；电话：021-65980685；E-mail: flowingdaysc@gmail.com