穆    迪，高乃平

（同濟大學機械與能源工程學院，上海   200092）

摘   要：本文以上海地區一棟單側開口自然通風的二十層建筑為研究對象，選取4月21日為過渡季節代表日，計算出晴天時各朝向立面接受的太陽輻射強度，進而根據圍護結構熱平衡方程求解墻體外壁面的溫度以及與周圍環境之間的溫差，最后以丙烷作為示蹤氣體模擬污染物，采用計算流體力學（CFD）的方法模擬了浮升力作用下污染物在垂直方向上的跨戶傳播現象，比較朝陽面和背陽面氣流流動及污染物傳播特性的差異。結果表明，中午時段朝陽側和背陽側的垂直壁面獲得的太陽輻射量差距較大，太陽輻射強度變化范圍較小，兩側壁面之間溫差約為10℃。污染源以定強度點源釋放時，在熱羽流主導的作用下或與風壓作用相當時，污染源房間以上的至少兩層濃度在10^-4~1的量級范圍內。

關鍵詞：太陽輻射；高層建筑；跨戶傳播

基金項目：國家自然科學基金（No.51278348）。

0   引言

自然通風是實現建筑節能的重要途徑之一，在室內外溫差不大的過渡季節，居住建筑的通風換氣常常通過開啟門窗實現，然而自然通風在稀釋室內污染物的同時也會造成樓層之間的污染物跨戶傳播^[1]。筆者此前通過風洞實驗^[2,3]對比了風壓驅動下建筑物在不同樓層散發的污染物在迎風側、背風側和垂直風向側由下而上、由上而下或由中間向兩端的遷移過程。而在無風或微風的晴天條件下，日照作用使得建筑外立面得熱，表面溫度升高，從而在貼近壁面處形成熱羽流^[4]，建筑低層散發的污染物在浮升力作用下會傳播到高層，形成自上而下的跨戶傳播，若綜合考慮浮升力和風壓的共同作用，則其在豎直方向上的遷移路徑則會隨兩個作用力的相對大小發生變化。目前還未見有文獻關注太陽輻射作用形成的近壁面熱羽流造成的污染物傳播問題，本文將對該部分內容進行研究，選取過渡季節某代表日，對上海地區某建筑不同朝向壁面所獲得的太陽輻射強度進行計算，進而建立壁面熱平衡方程計算建筑朝陽側和背陽側的壁面溫度，以此為基礎對建筑壁面及周圍氣流形式進行數值模擬，并用示蹤氣體法模擬污染物的傳播規律。

1   計算方法和模型

1.1   太陽輻射強度計算

根據文獻[5]，計算上海地區4月21日（過渡季節）晴天時，逐時水平面H及各朝向垂直壁面（南向S、北向N、東向E、西向W、東南向SE、西南向SW、東北向NE、西北向NW）的太陽總輻射強度（W/m²）， 取大氣透明度為0.62，計算結果如圖1所示。

圖1 各朝向垂直壁面所接受的太陽輻照度

由圖1可知，上午8~10時，東向和東南向為朝陽面，得到的日照比較強烈，太陽總輻射強度分別在520~610W/m²和460~560W/m²范圍內，而西向等背陽面的壁面接收的太陽總輻射強度在105~155W/m²之間；中午11~13時，正南向為朝陽面，總輻射強度在410~440W/m²范圍內，而背陽的正北向壁面接收的太陽輻射量在165W/m²左右；下午14~16時，朝陽面為西向和西南向，所接收的太陽輻射量分別在520~610W/m²和450~560W/m²范圍內，背陽面為東向等立面，太陽輻射強度在100~155W/m²之間?？傮w而言，南面墻能接收到太陽輻射的時間較長，而北面墻始終接受不到太陽直射輻射，朝陽面和背陽面所獲得的太陽總輻射強度差距較大。以中午的時間段為例，對于朝陽或背陽的立面而言，雖然太陽輻射量在波動，但是變化范圍不大，理想情況下按照穩態計算壁面溫度結果誤差較小。

1.2   圍護結構壁面溫度計算

墻體外壁面吸收太陽輻射后溫度升高，同時向室內傳熱，并通過與外界環境的對流和輻射換熱散失一部分熱量。墻體內壁面與周圍環境的熱交換主要包括外壁面向內壁面的導熱、與室內空氣的對流換熱和室內其他表面的輻射換熱。對于較空曠環境中單棟建筑的圍護結構外壁面，假設壁面溫度均勻，無水平溫差和垂直溫差，可用以下公式描述穩態熱平衡：

式中：Q_solar為墻體外表面接受的太陽輻射熱量（W/m²），如式2所示：

其中α_w為壁面吸收率，這里取0.56。

Q_conduc表示墻體外表面向內表面的導熱量（W/m²），如式3所示：

這里取導熱熱阻δ_w /λ為1.1m²·K/W。

Q_convec表示墻體外表面與外界空氣的對流換熱量（W/m²），如式4所示：

這里對流換熱系數h_out根據式5進行取值^[6]，來流風速U < 2m/s時，迎風側風速取0.5m/s，此時h_out = 12.2W/(m²·K)。

Q_lw 表示墻體外表面與周圍環境之間的長波輻射換熱，這里僅考慮對天空的大氣長波輻射，則有式6：

其中σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數，5.67×10^-8W/(m²·K4)；?w為墻體外表面對長波輻射的系統黑度，取值0.9；x_sky為垂直壁面對天空的角系數，為0.5；T_sky為天空有效溫度，如式7所示^[7]：

這里T_aout為周圍環境溫度。

對于圍護結構內壁面，假定各壁面溫差較小，忽略壁面間的輻射換熱，則其熱平衡方程為：

Q_conducin表示墻體內表面接受的導熱量，其數值等于Q_conduc（W/m²）；Qconvecin表示墻體內表面與室內空氣的對流換熱量（W/m²）如式9所示：

對流換熱系數h_in取值為5W/(m²·K)。

基于以上參數選取，參考上海典型氣象年逐時溫度分布，計算出4月21日上海地區12時朝陽側和背陽側的垂直壁面溫度，結果如表1所示。觀察表中數據可知，朝陽側和背陽側壁面溫差約為10℃，朝陽側壁面與周圍空氣之間的溫差為13℃。

表1   不同時刻朝陽側和背陽側的壁面溫度

1.3   建筑模型

本文借助商業軟件Fluent進行數值模擬，研究對象如圖2所示，1棟20的建筑被置于一個大的計算區域中，建筑總高Hb=58m，長Lb=18m，寬Wb=9m，重點關注同一個立面上的6個房間，分別位于2層、3層、10層、11層、18層和19層，每個房間的尺寸為H(y)×L(x) ×W(z) = 2.9m×3.0m×3.6m，窗戶尺寸為H(y) × W(z) = 1.5m × 0.9m，窗底邊距地板0.9m高。根據Gao^[1]的經驗，此計算區域足夠大。

圖2   建筑模型及計算域

圖3   網格示意

在邊界條件的設定中，將迎風側壁面作為有熱源的壁面，參考表1的計算結果設置定壁溫邊界類型，其他壁面為絕熱邊界。在迎風側近壁面處進行了網格加密，使得y+＜5，如圖3所示，對于其他壁面，30＜y+＜300。計算區域入口為梯度風，取建筑高度處風速作為參考風速值，U_ref。風速剖面遵循以下公式：

入口的湍流強度和尺度分別為8%和1m，湍流現象采用RNG k-ε模型處理，近壁面采用Enhanced wall function處理，壓力速度耦合方法為SIMPLE，壓力差分格式為PRESTO！動量差分格式為second order upwind。以丙烷作為示蹤氣體模擬污染物，分別在建筑的2層、10層和18層房間的窗戶中心以定強度點源釋放。用理查森數表征風壓和熱壓的相對大小，如式11所示：

考慮不同風速、溫差和污染源位置，共計算了24個工況，如表2所示，包含了自然對流到強制對流的過程，其中O表示開窗模式(Open window mode)。

表2   計算工況設置

2   模擬結果及分析

為了比較不同計算工況下建筑周圍氣流組織的差異，尤其是迎風側近壁面的氣流流向，在圖4中給出了xy中間剖面的速度矢量圖。圖4(N1)中可明顯看到迎風側近壁面的熱羽流，在建筑頂部處速度達到近1.2m/s，此時R_i=156.9，熱壓主導。溫差一定時，隨著風速的增大，比較N1~N4和N5~N8速度矢量的變化過程，由圖中可看出，迎風側建筑16至17層之間出現滯止區，在滯止區以下近壁面由上而下的氣流速度逐漸增大，且底部的回流區域也在擴大。

圖4   xy剖面速度矢量圖

污染源分別在建筑不同高度處以定強度點源形式釋放，為了便于觀察污染物的遷移路徑，比較不同計算工況下污染物濃度的分布情況，在圖5中給出了10^-4~1的量級范圍內迎風側壁面上污染物的所在位置。在CaseN1中，R_i=156.9，污染源位于2層時，10^-4~1污染物濃度范圍的形狀呈不對稱氣球形，豎直方向上覆蓋建筑壁面靠近中間的2~10層，污染源位于10層時，10^-4~1污染物濃度范圍在豎直方向上包括了10層至頂部且形狀對稱，覆蓋面積比污染源在低層時大，因為浮升力主導時，越是在建筑高的地方近壁面熱羽流速度越大，作用力越強。在CaseN2和CaseN5中，Ri分別為39.2和42.9，污染源在2層時，污染物在豎直方向上既有自下而上的遷移也有自上而下的傳播，但傳播范圍較小，污染源在10層時，浮升力的作用較大，污染物在豎直方向上自下而上的傳播，在水平方向上的傳播范圍比CaseN1大。CaseN3 和CaseN6中，Ri對應的值分別為25.1和19.1，此時污染源在10層時污染物自下而上的傳播被抑制。隨著理查森數的繼續減小，污染源位于滯止區以下時，結合Fig.4，污染物在豎直方向上會隨氣流自上而下遷移。當污染源位于滯止區以上時，污染物始終向上傳播，從總體趨勢上看，理查森數較小時（CaseN4、CaseN7和CaseN8），污染物在水平方向上的擴散也較為明顯。

圖5   迎風側污染物濃度分布

3   結論

本文關注了太陽輻射對高層建筑污染物垂直方向跨戶傳播特性的影響，比較了朝陽側和背陽側的差異，并用理查森數衡量熱壓和風壓的相對大小，分析了二者不同綜合效應時污染物在迎風側的遷移規律。以4月21日中午時段為例，對于一棟58m的高層建筑而言，貼近壁面的熱羽流在建筑頂部的速度可達到約1.2m/s。污染物以定強度點源釋放時，若污染源位于建筑滯止區以下，理查森數Ri的減小，也即強制對流效應的增強使得污染物自下而上的傳播現象減弱，污染源在建筑低層時，Ri在40左右時污染物豎直方向的傳播被抑制，污染源在建筑中間層時， R_i在20左右時污染物豎直方向的傳播被抑制；若污染源位于建筑滯止區以上，污染源始終是自下而上遷移。此外，熱壓大于風壓作用或者二者相當時，污染源房間以上的至少兩層濃度在10^-4~1的量級范圍內。

參考文獻

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注：本文收錄于《建筑環境與能源》2017年5月刊總第5期《2017全國通風技術年會論文集》中。
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