窗口開啟度對(duì)室外顆粒傳播的影響研究

李雪洋

摘 要：室內(nèi)外環(huán)境的空氣品質(zhì)與人們的健康有著密切關(guān)聯(lián)，而不同的窗口開啟度對(duì)室內(nèi)外空氣品質(zhì)有不同的影響。為營(yíng)造良好的室內(nèi)環(huán)境，文章研究了開窗建筑穿堂風(fēng)情況下室外顆粒污染物的傳播特性，為改善室內(nèi)空氣品質(zhì)提供很好的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：開窗建筑；窗口開啟度；室內(nèi)外空氣品質(zhì)

由于人們70%～90%的時(shí)間是在室內(nèi)度過(guò)的，室內(nèi)空氣品質(zhì)對(duì)于健康起著關(guān)鍵性作用[1]。通過(guò)研究大量國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，已有相當(dāng)多的學(xué)者對(duì)建筑空間（包括街谷與建筑群）中風(fēng)場(chǎng)以及對(duì)污染物擴(kuò)散、溫度場(chǎng)以及對(duì)污染物擴(kuò)散、室內(nèi)外顆粒物污染特性等規(guī)律進(jìn)行了研究，但是這些研究中都將建筑物簡(jiǎn)化為了封閉的長(zhǎng)方體，鮮有針對(duì)建筑壁面存在通風(fēng)口（門或窗口）時(shí)以及不同窗口開啟度情況下室外顆粒污染物在建筑周圍傳播規(guī)律的研究。根據(jù)已有實(shí)測(cè)調(diào)查數(shù)據(jù)（東華大學(xué)實(shí)測(cè)調(diào)查數(shù)據(jù)），選取不同建筑窗口開啟度進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，分別為：不開窗、中等窗口開啟度（窗口總面積與建筑立面面積之比為4.44%）、高等窗口開啟度（窗口總面積與建筑立面面積之比為9.78%）。文章針對(duì)建筑壁面存在通風(fēng)口（門或窗口）時(shí)以及不同窗口開啟度情況下室外顆粒污染物在建筑周圍傳播規(guī)律的研究。

1 物理模型及數(shù)值方法的描述

文章的研究對(duì)象選取了對(duì)稱分布的住宅小區(qū)為模型背景，建立了如圖1所示的物理模型。

圖1 住宅小區(qū)物理模型

圖1中，計(jì)算模型的坐標(biāo)系中X=0位于前棟建筑的橫向中心，Y=0位于地面，Z=0位于前棟建筑迎風(fēng)面，方形建筑尺寸為15m×45m×15m（寬×長(zhǎng)×高），建筑之間街谷的寬度為20m。每棟建筑都布置有15個(gè)開窗房間，房間尺寸為3m×15m×3m（寬×長(zhǎng)×高），建筑兩側(cè)的窗口面積相等，當(dāng)窗口尺寸為1m×2m時(shí)表示中等窗口開啟度，當(dāng)窗口尺寸為2m×2.2m時(shí)表示高等窗口開啟度。文章劃分網(wǎng)格選取非結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，文章的網(wǎng)格數(shù)為177萬(wàn)。

2 邊界條件的設(shè)定

文章選用以歐拉-拉格朗日方法為基礎(chǔ)的DPM模型。將氣體相視為三維連續(xù)不可壓縮流體，在歐拉坐標(biāo)系下滿足N-S方程；將顆粒相視為離散體系，通過(guò)積分拉氏坐標(biāo)系下的顆粒作用力微分方程來(lái)求解離散相顆粒的軌道。

文章顆粒源為1m寬的面源，位于街谷中央，顆粒源的質(zhì)量流量為3g/s，由于顆粒污染物選取室外PM2.5，因此顆粒粒徑選取2.5？滋m[2]，顆粒密度取1550kg/m3。采用數(shù)值方法模擬計(jì)算的邊界條件設(shè)置如下。

連續(xù)相邊界條件：采用標(biāo)準(zhǔn)模型（雙方程模型）。對(duì)整個(gè)計(jì)算域來(lái)說(shuō)，入口采用UDF根據(jù)風(fēng)速隨高度變化曲線編寫的速度廓線，其中地面粗糙度m=0.2375，并設(shè)置為速度入口（velocity inlet）。

出口和計(jì)算域上部截面采用壓力出口（pressure outlet），計(jì)算區(qū)域前后側(cè)面采用對(duì)稱邊界（symmetry），所有建筑壁面以及地面采用無(wú)滑移邊界條件。求解器選擇定常壓力求解器。

離散相邊界條件：壁面（wall）、對(duì)稱面（symmetry）均為反射（reflect）邊界條件，并且恢復(fù)系數(shù)均為1.0，速度入口（velocity inlet）、壓力出口（pressure outlet）均采用逃逸（escape）邊界條件。粒子追蹤選擇非定常追蹤。

3 模擬計(jì)算結(jié)果及分析

建筑立面的窗口開啟度不同，對(duì)街谷中的顆粒物濃度場(chǎng)產(chǎn)生影響，文章將對(duì)顆粒物的濃度隨窗口開啟度不同而變化的情況進(jìn)行分析。

通過(guò)研究分析得到，不開窗情況下沿X方向污染物在街谷中的傳播過(guò)程，首先會(huì)在地面沉積，然后隨著氣流的運(yùn)動(dòng)，形成漩渦式分布并在靠近屋頂處集聚。隨剖面向區(qū)域邊緣靠近，建筑街區(qū)中上部顆粒濃度減少，反而集中在街區(qū)下部，并且遠(yuǎn)離背風(fēng)建筑而靠近迎風(fēng)建筑的背風(fēng)側(cè)。

開窗情況下，由于建筑立面存在通風(fēng)口，通風(fēng)口加強(qiáng)了建筑流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)，顆粒物的分布開始呈現(xiàn)分散的趨勢(shì)，靠近建筑中心的顆粒分散相對(duì)明顯，反而建筑邊緣處顆粒濃度相對(duì)集中，并且漩渦中心濃度達(dá)到最大。

隨著開窗面積的增大，背風(fēng)建筑的每一層開窗室內(nèi)均會(huì)有顆粒擴(kuò)散進(jìn)去，越低層的住戶室內(nèi)顆粒濃度越高，說(shuō)明了建筑中部區(qū)域的低層住戶受污染程度是最嚴(yán)重的。但在最大開窗情況下的背風(fēng)建筑底層通風(fēng)房間有顆粒擴(kuò)散進(jìn)去，說(shuō)明此處氣流不穩(wěn)定程度較大，增強(qiáng)自然通風(fēng)的同時(shí)容易受到外界污染物的侵襲。

整體而言，建筑立面存在通風(fēng)口時(shí)，對(duì)整個(gè)流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)有加強(qiáng)作用，窗口開啟度越大，這種作用越明顯。此外，位于建筑中心面附近的通風(fēng)住戶受到污染的程度比邊緣處住戶的大，位于建筑底層的通風(fēng)住戶受到的污染程度比上層住戶的大。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章通過(guò)數(shù)值模擬的方法，分析建筑立面不同開窗情況下建筑周圍顆粒污染物濃度場(chǎng)的變化規(guī)律，得到以下結(jié)論：（1）窗口開啟度對(duì)迎風(fēng)房間室內(nèi)空氣擾動(dòng)有一定的加強(qiáng)作用，對(duì)背風(fēng)建筑則效果不大，污染物到達(dá)背風(fēng)建筑后不易擴(kuò)散。（2）位于建筑中心面附近的通風(fēng)住戶受到污染的程度比邊緣處住戶的大，位于建筑底層的通風(fēng)住戶受到的污染程度比上層住戶的大。因此位于容易受污染位置的住戶應(yīng)該加強(qiáng)防污措施，對(duì)建筑小區(qū)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)考慮到這方面因素，加大前后建筑間的距離，以降低對(duì)住戶的污染。

參考文獻(xiàn)

[1]蔡歡歡.建筑物附近顆粒污染物分布規(guī)律的研究[D].上海：東華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，2007.

[2]KITTELSON D B.Engines and nanoparticles：a review[J].Journal of Aerosol Science，1998，29（5，6）：575-588.