王燁, 管國(guó)祥，付銀安，孫鵬寶，王靖文

(1.蘭州交通大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州交通大學(xué) 鐵道車輛熱工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070)

?

冬季自然通風(fēng)與室內(nèi)污染物的遷移特性

王燁1,2, 管國(guó)祥1，付銀安1，孫鵬寶1，王靖文1

(1.蘭州交通大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州交通大學(xué) 鐵道車輛熱工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070)

為研究冬季自然通風(fēng)條件下室內(nèi)污染物的分布及遷移規(guī)律，以非穩(wěn)定傳熱方法確定了建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的等熱流邊界條件，在此基礎(chǔ)上，采用FLUENT中的Realizablek-ε湍流模型對(duì)蘭州地區(qū)某住宅內(nèi)的污染物濃度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值分析。結(jié)果表明：通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)的耦合傳熱過程使得室內(nèi)不同房間污染物濃度場(chǎng)的時(shí)空分布存在較大差異，房間整體通風(fēng)效率隨通風(fēng)時(shí)間延長(zhǎng)呈逐漸下降趨勢(shì)；在51 min的通風(fēng)期間，工況10、11、12的通風(fēng)效率均在95%以上，而“雙進(jìn)口、單出口”的工況12通風(fēng)效率達(dá)到了97%以上；綜合考慮室內(nèi)采暖溫度、污染物濃度限值以及室內(nèi)豎向溫差，最終確定了工況12為最佳通風(fēng)模式。

寒冷地區(qū)；非穩(wěn)定傳熱；自然通風(fēng)；通風(fēng)模式；通風(fēng)效率；室內(nèi)空氣品質(zhì)；數(shù)值模擬； 室內(nèi)污染物

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隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)的要求不斷提高。自然通風(fēng)由于其“節(jié)能、環(huán)境效益好”等優(yōu)勢(shì)，越來越受到人們的關(guān)注。文獻(xiàn)[1]提出了一種對(duì)自然通風(fēng)、天花板射流送風(fēng)與熱活性建筑系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的室內(nèi)熱環(huán)境控制策略。文獻(xiàn)[2]實(shí)驗(yàn)研究了自然通風(fēng)對(duì)意大利教室內(nèi)空氣品質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)僅利用建筑縫隙滲透作用來進(jìn)行通風(fēng)換氣是不能滿足秋、冬季節(jié)室內(nèi)空氣品質(zhì)要求的。文獻(xiàn)[3]研究了地下建筑在不同室內(nèi)外環(huán)境條件下的自然通風(fēng)機(jī)理，發(fā)現(xiàn)室內(nèi)和室外間溫度梯度對(duì)自然通風(fēng)過程影響很大，室內(nèi)外空氣溫度的相對(duì)高低決定自然通風(fēng)氣流的參數(shù)值和流動(dòng)特征。文獻(xiàn)[4]對(duì)雅典主要利用自然通風(fēng)的教室通風(fēng)率與室內(nèi)污染物濃度水平關(guān)聯(lián)性進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)所測(cè)試的污染物顆粒尺寸在上課期間要大于課余時(shí)間，即使在通風(fēng)率滿意的情況下，測(cè)試所得污染物濃度依舊高于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求值。文獻(xiàn)[5]實(shí)驗(yàn)研究了重慶某建筑夏季自然通風(fēng)對(duì)室內(nèi)污染物排除效果、室內(nèi)溫度、濕度的影響關(guān)系。文獻(xiàn)[6]利用CFD軟件對(duì)自然通風(fēng)條件下不同排風(fēng)口布置方式對(duì)熱壓通風(fēng)的影響進(jìn)行了數(shù)值研究，結(jié)果表明：天花板上分散布置散熱排風(fēng)口可以提高熱壓通風(fēng)效率。文獻(xiàn)[7]對(duì)教室的自然通風(fēng)效果進(jìn)行了能耗分析，結(jié)果表明：無論是過渡季還是冬季，不改變換氣次數(shù)而只提升通風(fēng)效率或者不改變送風(fēng)溫度只降低通風(fēng)效率，都會(huì)使教室的能耗降低。文獻(xiàn)[8] 分析了住宅縫隙空氣滲透率、人為通風(fēng)、居住者的生活方式對(duì)建筑能耗的影響，獲得了自然通風(fēng)率、建筑能耗與室內(nèi)空氣品質(zhì)間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)居住者的生活方式與室內(nèi)發(fā)生凝結(jié)密切相關(guān)。文獻(xiàn)[9]對(duì)英國(guó)南安普敦的小學(xué)教室在自然通風(fēng)條件下室內(nèi)熱舒適性的調(diào)查結(jié)果表明：現(xiàn)行的成人的熱舒適標(biāo)準(zhǔn)可能并不適用于兒童，需要調(diào)整當(dāng)前的熱舒適標(biāo)準(zhǔn)以便更適合兒童的熱感知。文獻(xiàn)[10]通過對(duì)意大利的200間教室超過4 000名學(xué)生在冬季和夏季的主觀熱感覺進(jìn)行了調(diào)查研究，結(jié)合客觀的自然通風(fēng)條件給出了地中海氣候PMV的預(yù)期因子的建議值。以上國(guó)內(nèi)外研究工作主要是針對(duì)夏季或者過渡季展開的。而寒冷地區(qū)冬季氣溫低、晝夜溫度波動(dòng)大，人們通常利用長(zhǎng)時(shí)間關(guān)閉窗戶來維持室內(nèi)溫度的恒定。這樣，就產(chǎn)生了節(jié)能與改善室內(nèi)空氣品質(zhì)之間的矛盾。本文試圖通過自然通風(fēng)數(shù)值試驗(yàn)，探尋既不影響室內(nèi)采暖又能保證室內(nèi)空氣質(zhì)量的冬季自然通風(fēng)模式。

1　物理模型和數(shù)學(xué)模型

1.1物理模型

所研究住宅物理模型如圖1所示。

圖1　計(jì)算房間平面示意圖Fig.1　Physical model of the calculating room

位于8層建筑的中間樓層，結(jié)構(gòu)尺寸為：X×Y×Z=10.5 m×13.2 m×2.9 m;C1、C2為北外窗，C3、C4為南外窗;外墻傳熱系數(shù)K=0.46 W/(m2·K);窗戶傳熱系數(shù)Kc=2.2 W/(m2·K);采用地板供暖;窗戶的最小可開啟面積為：寬×高=0.1 m×1.5 m(下文中簡(jiǎn)稱為A)；最大可開啟面積為：寬×高=0.2 m×1.5 m(下文中簡(jiǎn)稱為2A)。

1.2數(shù)學(xué)模型

采用Realizablek-ε模型和標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法進(jìn)行模擬。室內(nèi)空氣湍流流動(dòng)與組分輸運(yùn)方程具有相同的形式[11]，對(duì)于非穩(wěn)態(tài)傳熱問題，通用控制方程形式均可表示為

(1)

式中:φ分別代表連續(xù)性方程及動(dòng)量方程中的速度在x軸向的分量u、在y軸向的分量v、在z軸向的分量w、能量方程中的流體溫度T、湍流動(dòng)能方程中的湍流動(dòng)能k、湍流動(dòng)能耗散率方程中的湍流動(dòng)能耗散率 ε、組分輸運(yùn)方程中的污染物體積分?jǐn)?shù)τp；Γφ分別代表相應(yīng)方程中的有效擴(kuò)散系數(shù)0、μ+μt、Pr+μt/σt、 μ+μt/σk、μ+μt/σε、μ+μt/στ；Sφ分別代表相應(yīng)方程中的源項(xiàng)，組分輸運(yùn)方程中的源項(xiàng)為空氣密度ρ，其它方程中源項(xiàng)具體表達(dá)式見文獻(xiàn)[12]。μ為分子粘性系數(shù)；μt為湍流粘性系數(shù)，μt=cμρk2/ε，cμ為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；σt為能量方程中的湍流普朗特?cái)?shù)；σk為湍流動(dòng)能方程中的普朗特?cái)?shù)；σε為湍流動(dòng)能耗散率方程中的普朗特?cái)?shù)；στ為組分輸運(yùn)方程中的普朗特?cái)?shù)。

方程中各系數(shù)取值[12]：cμ=0.09,σk=1.0, σε=1.2, σt=1.0, στ=1.0, c2=1.9。

為簡(jiǎn)化計(jì)算，假定：室內(nèi)空氣不可壓縮，密度的變化采用Boussinesq假設(shè)，忽略流體粘性力作功而引起的耗散熱，室內(nèi)空氣為輻射透明介質(zhì)，不參與輻射換熱。流動(dòng)為非穩(wěn)態(tài)，流態(tài)為湍流。

1.3邊界條件

1) 入口邊界：蘭州在供暖期以北風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向，故本文設(shè)定北外窗C1、C2為速度入口邊界，風(fēng)速取1.2 m/s和0.4 m/s兩個(gè)值；進(jìn)風(fēng)溫度取0 ℃(即273.15 K)。

2) 出口邊界：排風(fēng)口C3、C4設(shè)為自由出流邊界條件[13]。

3) 壁面邊界：氣固交界面的空氣流動(dòng)取速度無滑移條件。

4) 熱邊界設(shè)置： 采用非穩(wěn)定傳熱方法得到不同時(shí)刻通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱流密度，以此為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱邊界條件。具體數(shù)值為：東墻-8.26 W/m2，西墻-8.44 W/m2，南墻-8.00 W/m2，北墻-8.65 W/m2，南窗-20.68 W/m2，北窗-33.29 W/m2，負(fù)號(hào)表示熱流為自室外傳向室內(nèi)。室內(nèi)采暖熱負(fù)荷均由地板提供，設(shè)為定熱流邊界條件，根據(jù)文獻(xiàn)[14]設(shè)定地板的熱流密度為45 W/m2。內(nèi)墻、天花板均設(shè)為絕熱邊界。

5) 污染源條件設(shè)置：選取來自地板的污染物C7H8為室內(nèi)主要污染源，假定其沿地板外法線方向向上均勻散發(fā)，散發(fā)速率為5×10-9kg/s。選用Realizablek-ε模型模擬了污染物的擴(kuò)散過程(限于篇幅，擴(kuò)散過程已另文討論)。對(duì)計(jì)算房間密閉情況下污染物散發(fā)1、6、12和15 h后的濃度分布進(jìn)行分析并結(jié)合人們冬季開關(guān)窗的習(xí)慣，確定以密閉15 h后的室內(nèi)污染物濃度場(chǎng)為自然通風(fēng)數(shù)值模擬的初始條件。

2　數(shù)值求解方法

2.1網(wǎng)格劃分及獨(dú)立性驗(yàn)證

采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散?？紤]進(jìn)、排風(fēng)口處流動(dòng)參數(shù)的高梯度變化，對(duì)這些區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行了局部加密。分別采用三套網(wǎng)格(網(wǎng)格數(shù)分別為520 590、672 138和868 434)進(jìn)行了數(shù)值試驗(yàn)，所得(X=8.98 m，Y=3 m)處的速度和溫度計(jì)算結(jié)果均吻合得很好，說明本文所得解是網(wǎng)格獨(dú)立性的?？紤]計(jì)算的經(jīng)濟(jì)性，決定選用672 138作為后續(xù)計(jì)算的網(wǎng)格數(shù)。

2.2數(shù)值方法

采用有限體積法對(duì)控制方程(1)進(jìn)行離散；應(yīng)用SIMPLE算法求解速度/壓力耦合問題[15]；梯度項(xiàng)方程采用Green-Gauss Cell Based格式離散；動(dòng)量方程、能量方程、湍流動(dòng)能方程、湍流動(dòng)能耗散率方程、組分輸運(yùn)方程均采用二階迎風(fēng)格式離散。

2.3模擬工況及收斂準(zhǔn)則

2.3.1工況確定

進(jìn)風(fēng)溫度為0 ℃，進(jìn)風(fēng)速度為1.2和0.4 m/s，與不同進(jìn)風(fēng)口開啟面積、排風(fēng)口開啟面積組合，形成12個(gè)工況。為了確定合理的通風(fēng)工況，規(guī)定同時(shí)滿足：通風(fēng)1 h后距地面1.1 m高度水平面(規(guī)定為工作區(qū)高度)上溫度的平均值不低于16.0 ℃和該平面上污染物濃度不高于文獻(xiàn)[16]的要求值2.17×10-9kmol/m3,并且，地面上方0.1～1.1 m豎向溫差不大于3.0 ℃，則認(rèn)為該工況是可行的自然通風(fēng)工況。據(jù)此，最終得到了表2所示工況10～12為可行的通風(fēng)工況，作為后續(xù)分析的3個(gè)工況。

2.3.2收斂準(zhǔn)則

計(jì)算中，同時(shí)滿足以下條件，認(rèn)為計(jì)算已收斂：

1) 連續(xù)性方程及動(dòng)量方程殘差設(shè)為10-3；

2) 能量方程求解殘差設(shè)為10-6；

3) 監(jiān)視位置氣流參數(shù)不再波動(dòng)；

4) 進(jìn)出口流體質(zhì)量守恒。

表1　自然通風(fēng)模擬工況

3　計(jì)算結(jié)果及分析

3.1通風(fēng)效率分析

一般利用工作區(qū)的通風(fēng)效率來評(píng)價(jià)室內(nèi)污染物的排除效果，其定義式為

(2)

式中，η為通風(fēng)效率；Cg為工作區(qū)平均濃度，kmol/m3；CP為排風(fēng)口濃度，kmol/m3；CS為進(jìn)風(fēng)口濃度，kmol/m3。

對(duì)工況10～12，統(tǒng)計(jì)不同通風(fēng)時(shí)長(zhǎng)Z=1.1m平面上的C7H8平均濃度作為工作區(qū)污染物平均濃度，同樣的方法得到排風(fēng)口對(duì)應(yīng)時(shí)長(zhǎng)的污染物平均濃度CP，進(jìn)入室內(nèi)的新風(fēng)中認(rèn)為不含有C7H8，所以，取CS=0。據(jù)此得到3種工況下的通風(fēng)效率，如圖2(a)所示?？梢钥闯觯?種工況的通風(fēng)效率均在0.95～1.0波動(dòng)。通風(fēng)15 min后通風(fēng)效率均呈下降趨勢(shì)。這是因?yàn)橥L(fēng)開始時(shí)，房間內(nèi)C7H8分布較均勻，隨著通風(fēng)的持續(xù)進(jìn)行，C7H8濃度出現(xiàn)分層現(xiàn)象，Z=1.1 m水平面上的C7H8面平均濃度下降趨勢(shì)因此變緩，從而導(dǎo)致排風(fēng)口的C7H8平均濃度下降速率比Z=1.1 m水平面上的C7H8面平均濃度下降速率高。但總體上，工況12的通風(fēng)效率要高于工況10和工況11的通風(fēng)效率，這正體現(xiàn)了氣流組織形式與污染物遷移特性之間的關(guān)聯(lián)性。

為了對(duì)比不同室內(nèi)污染物濃度確定方法對(duì)通風(fēng)效果的評(píng)價(jià)影響，以室內(nèi)體積平均濃度代替Z=1.1 m平面上的C7H8面平均濃度作為式(2)中的Cg值，得到了3種工況的通風(fēng)效率，如圖2(b)所示。可以看出，3種工況通風(fēng)15 min后的通風(fēng)效率均在0.93～0.98波動(dòng)，略低于圖2(a)所示情況。但工況12仍舊保持了較高的通風(fēng)效率，而工況11的通風(fēng)效率波動(dòng)較大。

由以上分析可知，“雙進(jìn)口、單出口”的開窗方式對(duì)于污染物的排除效率較高。這也是自然通風(fēng)中流場(chǎng)、溫度場(chǎng)與污染物濃度場(chǎng)耦合作用的結(jié)果。限于篇幅，本文只給出濃度場(chǎng)模擬結(jié)果，速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的變化另文討論。

圖2　通風(fēng)效率變化曲線Fig.2　Ventilation efficiency profile

3.2污染物濃度場(chǎng)分析

同時(shí)考慮通風(fēng)不能使室內(nèi)溫度平均值低于16.0 ℃以及污染物濃度平均值不能高于文獻(xiàn)[16]規(guī)定的上限值，確定工況10～12通風(fēng)時(shí)長(zhǎng)為51 min[17]。下面給出這3個(gè)工況通風(fēng)51 min時(shí)的模擬結(jié)果。

圖3為不同工況時(shí)客廳進(jìn)風(fēng)窗口中軸線(X=1.15 m)縱截面上C7H8濃度分布?？梢钥闯?，3個(gè)工況表現(xiàn)出了相似的污染物分布特征：自地面朝天花板方向，C7H8濃度由低到高呈層狀分布，地面附近區(qū)域C7H8濃度梯度較大。這是因?yàn)闇囟容^低的室外新風(fēng)進(jìn)入房間后，沿窗臺(tái)下內(nèi)墻壁形成下降氣流，與地板附近的熱空氣相遇后，便朝遠(yuǎn)離窗口的方向運(yùn)動(dòng)，沿地面形成“冷氣湖”，其厚度自北向南逐漸變薄，地面附近的污染物同時(shí)被稀釋。相對(duì)而言，工況12的地面污染物低濃度區(qū)域范圍較大。地面附近向南運(yùn)動(dòng)的冷氣流和被加熱后向北運(yùn)動(dòng)的熱氣流交匯處，形成了濃度高于2.13×10-9kmol/m3的帶狀區(qū)域，其中心最高濃度達(dá)到了2.35×10-9kmol/m3，略高于文獻(xiàn)[16]規(guī)定的上限值。在密度差形成的浮升力作用下，污染物隨著自然對(duì)流邊界層的運(yùn)動(dòng)，在北外墻上部和天花板所成的角落處形成了聚集，導(dǎo)致該區(qū)域污染物濃度最高達(dá)到了2.77×10-9kmol/m3(工況12)。但就人員活動(dòng)區(qū)污染物濃度沿客廳縱向的變化而言，工況12的污染物濃度平均水平要比其他兩個(gè)工況的低，空氣質(zhì)量更好一些。

圖4為不同工況時(shí)Y=3 m橫截面(包含了3#房間、4#房間以及客廳部分區(qū)域)上的C7H8濃度分布。可以看出，工況10和工況11各房間內(nèi)的C7H8沿高度方向分布特征很接近。但對(duì)于工況12，1#房間人員活動(dòng)區(qū)C7H8濃度比工況10和工況11的要低，靠近天花板附近C7H8高濃度區(qū)域則比工況10和工況11的都要大；4#房間天花板附近C7H8濃度比工況10和工況11的要低，這是因?yàn)樵摲块g排風(fēng)口面積大，有利于污染物的快速排出；3#房間上部區(qū)域污染物濃度比工況10和工況11的要高，范圍也更大。這是因?yàn)楣r12的通風(fēng)方式導(dǎo)致了在3#房間內(nèi)形成了較大范圍的污染物滯留區(qū)，這與該房間較大范圍的熱滯留區(qū)及較慢的氣流速度有關(guān)。

圖5為不同工況時(shí)Z=1.1 m水平面上的C7H8濃度分布?？梢钥闯?，3種工況下客廳C7H8濃度分布表現(xiàn)出了較一致的特征：靠近客廳西墻附近區(qū)域C7H8濃度較高，沿著墻體呈帶狀分布。這是因?yàn)槭彝獾牡蜏貧怏w進(jìn)入室內(nèi)后，絕大部分很快下沉并與地面附近的污染物進(jìn)行熱質(zhì)交換，只有少部分氣體在客廳西北角落處形成了回流區(qū)，與主流區(qū)新鮮空氣的熱質(zhì)交換遠(yuǎn)不及其它區(qū)域充分。所以，隨著低溫氣體自北朝南方向運(yùn)動(dòng)，有一部分污染物便被“壓制”在了回流區(qū)及客廳西墻附近區(qū)域[18]?？蛷d絕大部分區(qū)域空氣質(zhì)量符合文獻(xiàn)[16]要求。3種工況下，2#房間內(nèi)污染物的分布差異很微弱，只是在房門附近污染物有集聚現(xiàn)象，這是該區(qū)域氣流過流斷面突然收縮所致。對(duì)于3#房間，工況12的污染物濃度值整體上稍高于其他兩個(gè)工況，但3種工況下污染物濃度均未超標(biāo)。對(duì)于4#房間，工況11的污染物濃度在該平面上稍高于其他兩個(gè)工況。這是因?yàn)楣r11中窗戶4的開度要大于其他兩個(gè)工況的開度，減小了室內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)的阻力，原來流經(jīng)4#房間外通道并流向3#房間的部分氣流此時(shí)會(huì)“短路”進(jìn)入4#房間，并在4#房間北墻內(nèi)側(cè)靠近房門區(qū)域形成了一個(gè)回流區(qū)，這是流體擾流運(yùn)動(dòng)中漩渦產(chǎn)生過程的體現(xiàn)。與此類似，工況12中由于未開4#窗戶，更多的污染物則集聚在了3#房間內(nèi)。

由以上分析可知，并不是開大排風(fēng)口開度對(duì)每一個(gè)房間內(nèi)污染物的排除效果貢獻(xiàn)相同。建筑室內(nèi)不同障礙物的“棱角”結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，決定了由此產(chǎn)生的回流區(qū)必然導(dǎo)致污染物的局部區(qū)域滯留現(xiàn)象。

圖3　X=1.15 m截面C7H8濃度場(chǎng)Fig.3　C7H8 concentration profile in X=1.15 m section

自然通風(fēng)是將當(dāng)?shù)貧夂驐l件和居住者的生活習(xí)慣緊密結(jié)合的一種改善室內(nèi)空氣品質(zhì)的措施，是我國(guó)目前建筑節(jié)能工作的重要內(nèi)容，還有很多亟待研究的問題。就本文研究的蘭州地區(qū)而言，近十年來蘭州的大氣質(zhì)量發(fā)生了顯著變化，主要?dú)w功于供暖鍋爐的“煤改氣”以及“兩山綠化”。這種室外環(huán)境空氣質(zhì)量的改善，為自然通風(fēng)的推行提供了更為有利的條件。本文只是研究了11:00開窗通風(fēng)在熱壓、風(fēng)壓共同作用下的室內(nèi)污染物時(shí)空分布。實(shí)際生活中，每個(gè)居住者的生活習(xí)慣有所不同，何時(shí)開窗通風(fēng)完全取決于個(gè)人的主觀意愿。這就引發(fā)我們思考這樣一個(gè)問題：在不同季節(jié)、不同外氣溫度下，在哪個(gè)時(shí)段以怎樣的模式通風(fēng)能同時(shí)達(dá)到“節(jié)能、保證舒適性、改善空氣品質(zhì)”的目的，這也是我們下一步要做的工作。

圖4　Y=3 m截面C7H8濃度場(chǎng) Fig.4　C7H8 concentration profile in Y=3 m section

圖5　Z=1.1 m截面C7H8濃度場(chǎng) Fig.5　C7H8 concentration profile in Z=1.1 m section

4　結(jié)論

以蘭州某民用住宅為研究對(duì)象，采用Realizablek-ε模型對(duì)冬季自然通風(fēng)時(shí)室內(nèi)污染物濃度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值分析，得到了如下主要結(jié)論：

1)寒冷地區(qū)住宅冬季進(jìn)行自然通風(fēng)是可行的，通風(fēng)期間室內(nèi)外的耦合傳熱過程對(duì)室內(nèi)不同房間內(nèi)污染物的時(shí)空分布影響不同；

2)本文所得3種可行的通風(fēng)模式對(duì)應(yīng)的通風(fēng)效率均大于95%；其中“雙進(jìn)口、單出口”的開窗方式為最佳通風(fēng)模式；

3)同時(shí)考慮室內(nèi)溫度、污染物濃度以及豎向溫差等因素確定的3種可行的通風(fēng)模式，是特定條件下的研究結(jié)論，居住者可以根據(jù)實(shí)際感受和居住需求以及室外天氣變化情況適時(shí)調(diào)節(jié)開窗方式和開度。

[1]YU Tao, HEISELBERG P, LEI Bo, et al. Experimental study on the dynamic performance of a novel system combining natural ventilation with diffuse ceiling inlet and TABS[J]. Applied energy, 2016, 169: 218-229.

[2]STABILE L, DELL’ISOLA M, FRATTOLILLO A, et al. Effect of natural ventilation and manual airing on indoor air quality in naturally ventilated Italian classrooms[J]. Building and environment, 2016, 98: 180-189.

[4]DORIZAS P V, ASSIMAKOPOULOS M N, HELMIS C, et al. An integrated evaluation study of the ventilation rate, the exposure and the indoor air quality in naturally ventilated classrooms in the Mediterranean region during spring[J]. Science of the total environment, 2015, 502: 557-570.

[5]劉慶. 自然通風(fēng)下門窗開啟對(duì)室內(nèi)環(huán)境的影響研究[D]. 重慶: 重慶大學(xué), 2014.

LIU Qing. Research of indoor environment affected by opening door and window in the condition of natural ventilation[D]. Chongqing: Chongqing University, 2014.

[6]SUI Xuemin, MA Jianping, GUAN Yanling. Optimized design of outlets layout in thermal pressure naturally ventilated rooms[J]. Research journal of applied sciences, engineering and technology, 2013, 5(11): 3124-3129.

[7]WANG Yang, ZHAO Fuyun, KUCKELKORN J, et al. Classroom energy efficiency and air environment with displacement natural ventilation in a passive public school building[J]. Energy and buildings, 2014, 70: 258-270.

[8]HASHEMI A, KHATAMI N. The effects of air permeability, background ventilation and lifestyle on energy performance, indoor air quality and risk of condensation in domestic buildings[J]. Sustainability, 2015, 7(4): 4022-4034.

[9]TELI D, JAMES P A B, JENTSCH M F. Thermal comfort in naturally ventilated primary school classrooms[J]. Building research & information, 2013, 41(3): 301-316.

[10]D′AMBROSIO ALFANO F R, IANNIELLO E, PALELLA B I. PMV-PPD and acceptability in naturally ventilated schools[J]. Building and environment, 2013, 67: 129-137.

[11]李先庭, 江億. 用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法求解通風(fēng)房間的空氣年齡[J]. 清華大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 1998, 38(5): 28-31.

LI Xianting, JIANG Yi. Calculating air age in a ventilated room with CFD method[J]. Journal of Tsinghua University: science & technology, 1998, 38(5): 28-31.

[12]陶文銓. 數(shù)值傳熱學(xué)[M]. 2版. 西安: 西安交通大學(xué)出版社, 2001.

TAO Wenquan. Numerical Heat Transfer[M]. 2nd Ed. Xi′an: Xi′an Jiaotong University Press, 2001.

[13]張卓鵬. 廣州地區(qū)圍合式住區(qū)室內(nèi)自然通風(fēng)研究[D]. 廣州: 華南理工大學(xué), 2013.

ZHANG Zhuopeng. Research on indoor natural ventilation of enclosed residential districts in Guangzhou[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2013.

[14]陸耀慶. 實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 2版. 北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2008.

[15]PATANKAR S V. Numerical Heat Transfer and Fluid Flow[M]. New York: Hemisphere, 1980: 330-351.

[16]國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. GB/T 18883-2002, 室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2003.

General Administration of Quality Supervision, Inspection and Quarantine of China. GB/T 18883-2002, Indoor air quality standard[S]. Beijing: Standards Press of China, 2003.

[17]王燁, 王靖文. 寒冷地區(qū)民用住宅冬季自然通風(fēng)數(shù)值分析[J]. 重慶大學(xué)學(xué)報(bào), 2016, 39(3): 28-36.

WANG Ye, WANG Jingwen. Numerical analysis on the natural ventilation of a residence in winter in cold zone[J]. Journal of Chongqing University, 2016, 39(3): 28-36.

[18]王燁, 張文霞, 胡文婷. 室內(nèi)環(huán)境參數(shù)對(duì)室外氣象參數(shù)瞬時(shí)變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究[J]. 重慶大學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 38(3): 8-14.

WANG Ye, ZHANG Wenxia, HU Wenting. Dynamic response study of the indoor environmental parameters for variable outdoor meteorological conditions[J]. Journal of Chongqing University, 2015, 38(3): 8-14.

本文引用格式：

王燁, 管國(guó)祥，付銀安，等. 冬季自然通風(fēng)與室內(nèi)污染物的遷移特性[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2016, 37(8): 1151-1156.

WANG Ye,GUAN Guoxiang,FU Yin′an, et al. Natural ventilation in winter and migration characteristics of indoor pollutants[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2016, 37(8): 1151-1156.

Natural ventilation in winter and migration characteristics of indoor pollutants

WANG Ye1,2,GUAN Guoxiang1,FU Yin′an1,SUN Pengbao1,WANG Jingwen1

(1. School of Environmental and Municipal Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China; 2. Key Laboratory of Railway Vehicle Thermal Engineering, Ministry of Education of China, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)

To study the profile of indoor pollutants and their migration characteristics under natural ventilation in winter, in this study, we adopted the realizablek-εturbulent model of computational fluid dynamics (CFD) to numerically analyze the pollutant concentration field in a Lanzhou residence. We used the unsteady heat transfer method to obtain the wall boundary condition of the uniform heat flux. The results indicate that the pollutant concentration profiles in different rooms differ significantly with respect to the coupled heat transfer through the building envelope. The average ventilation efficiency decreases with increasing ventilation time. During a ventilation time of 51 minutes, the ventilation efficiencies of cases 10, 11, and 12 were all over 95%, and the ventilation efficiency of case 12, which had two inlets and one outlet, was over 97%. By simultaneously considering the differences in heating temperature, pollutant concentration, and indoor vertical temperature, our study results show that case 12 is the optimum ventilation mode.

cold zone; unsteady heat transfer; natural ventilation; ventilation mode; ventilation efficiency; indoor air quality; numerical simulation； indoor pollutants

2015-05-15.網(wǎng)絡(luò)出版日期：2016-06-23.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51266004,51476073)；甘肅省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(1308RJZA151).

王燁(1972-), 男,教授, 博士生導(dǎo)師.

王燁, E-mail:wangye@mail.lzjtu.cn.

10.11990/jheu.201505032

TU832

A

1006-7043(2016)08-1151-06