穆 迪，高乃平
（同济大学机械与能源工程学院，上海 200092）
摘 要：本文以上海地区一栋单侧开口自然通风的二十层建筑为研究对象，选取4月21日为过渡季节代表日，计算出晴天时各朝向立面接受的太阳辐射强度，进而根据围护结构热平衡方程求解墙体外壁面的温度以及与周围环境之间的温差，最后以丙烷作为示踪气体模拟污染物，采用计算流体力学（CFD）的方法模拟了浮升力作用下污染物在垂直方向上的跨户传播现象，比较朝阳面和背阳面气流流动及污染物传播特性的差异。结果表明，中午时段朝阳侧和背阳侧的垂直壁面获得的太阳辐射量差距较大，太阳辐射强度变化范围较小，两侧壁面之间温差约为10℃。污染源以定强度点源释放时，在热羽流主导的作用下或与风压作用相当时，污染源房间以上的至少两层浓度在10-4~1的量级范围内。
关键词：太阳辐射；高层建筑；跨户传播
基金项目：国家自然科学基金（No.51278348）。
0 引言
自然通风是实现建筑节能的重要途径之一，在室内外温差不大的过渡季节，居住建筑的通风换气常常通过开启门窗实现，然而自然通风在稀释室内污染物的同时也会造成楼层之间的污染物跨户传播[1]。笔者此前通过风洞实验[2,3]对比了风压驱动下建筑物在不同楼层散发的污染物在迎风侧、背风侧和垂直风向侧由下而上、由上而下或由中间向两端的迁移过程。而在无风或微风的晴天条件下，日照作用使得建筑外立面得热，表面温度升高，从而在贴近壁面处形成热羽流[4]，建筑低层散发的污染物在浮升力作用下会传播到高层，形成自上而下的跨户传播，若综合考虑浮升力和风压的共同作用，则其在竖直方向上的迁移路径则会随两个作用力的相对大小发生变化。目前还未见有文献关注太阳辐射作用形成的近壁面热羽流造成的污染物传播问题，本文将对该部分内容进行研究，选取过渡季节某代表日，对上海地区某建筑不同朝向壁面所获得的太阳辐射强度进行计算，进而建立壁面热平衡方程计算建筑朝阳侧和背阳侧的壁面温度，以此为基础对建筑壁面及周围气流形式进行数值模拟，并用示踪气体法模拟污染物的传播规律。
1 计算方法和模型
1.1 太阳辐射强度计算
根据文献[5]，计算上海地区4月21日（过渡季节）晴天时，逐时水平面H及各朝向垂直壁面（南向S、北向N、东向E、西向W、东南向SE、西南向SW、东北向NE、西北向NW）的太阳总辐射强度（W/m2）， 取大气透明度为0.62，计算结果如图1所示。
图1 各朝向垂直壁面所接受的太阳辐照度
由图1可知，上午8~10时，东向和东南向为朝阳面，得到的日照比较强烈，太阳总辐射强度分别在520~610W/m2和460~560W/m2范围内，而西向等背阳面的壁面接收的太阳总辐射强度在105~155W/m2之间；中午11~13时，正南向为朝阳面，总辐射强度在410~440W/m2范围内，而背阳的正北向壁面接收的太阳辐射量在165W/m2左右；下午14~16时，朝阳面为西向和西南向，所接收的太阳辐射量分别在520~610W/m2和450~560W/m2范围内，背阳面为东向等立面，太阳辐射强度在100~155W/m2之间。总体而言，南面墙能接收到太阳辐射的时间较长，而北面墙始终接受不到太阳直射辐射，朝阳面和背阳面所获得的太阳总辐射强度差距较大。以中午的时间段为例，对于朝阳或背阳的立面而言，虽然太阳辐射量在波动，但是变化范围不大，理想情况下按照稳态计算壁面温度结果误差较小。
1.2 围护结构壁面温度计算
墙体外壁面吸收太阳辐射后温度升高，同时向室内传热，并通过与外界环境的对流和辐射换热散失一部分热量。墙体内壁面与周围环境的热交换主要包括外壁面向内壁面的导热、与室内空气的对流换热和室内其他表面的辐射换热。对于较空旷环境中单栋建筑的围护结构外壁面，假设壁面温度均匀，无水平温差和垂直温差，可用以下公式描述稳态热平衡：
式中：Qsolar为墙体外表面接受的太阳辐射热量（W/m2），如式2所示：
其中αw为壁面吸收率，这里取0.56。
Qconduc表示墙体外表面向内表面的导热量（W/m2），如式3所示：
这里取导热热阻δw /λ为1.1m2·K/W。
Qconvec表示墙体外表面与外界空气的对流换热量（W/m2），如式4所示：
这里对流换热系数hout根据式5进行取值[6]，来流风速U < 2m/s时，迎风侧风速取0.5m/s，此时hout = 12.2W/(m2·K)。
Qlw 表示墙体外表面与周围环境之间的长波辐射换热，这里仅考虑对天空的大气长波辐射，则有式6：
其中σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，5.67×10-8W/(m2·K4)；ɛw为墙体外表面对长波辐射的系统黑度，取值0.9；xsky为垂直壁面对天空的角系数，为0.5；Tsky为天空有效温度，如式7所示[7]：
这里Taout为周围环境温度。
对于围护结构内壁面，假定各壁面温差较小，忽略壁面间的辐射换热，则其热平衡方程为：
Qconducin表示墙体内表面接受的导热量，其数值等于Qconduc（W/m2）；Qconvecin表示墙体内表面与室内空气的对流换热量（W/m2）如式9所示：
对流换热系数hin取值为5W/(m2·K)。
基于以上参数选取，参考上海典型气象年逐时温度分布，计算出4月21日上海地区12时朝阳侧和背阳侧的垂直壁面温度，结果如表1所示。观察表中数据可知，朝阳侧和背阳侧壁面温差约为10℃，朝阳侧壁面与周围空气之间的温差为13℃。
表1 不同时刻朝阳侧和背阳侧的壁面温度
1.3 建筑模型
本文借助商业软件Fluent进行数值模拟，研究对象如图2所示，1栋20的建筑被置于一个大的计算区域中，建筑总高Hb=58m，长Lb=18m，宽Wb=9m，重点关注同一个立面上的6个房间，分别位于2层、3层、10层、11层、18层和19层，每个房间的尺寸为H(y)×L(x) ×W(z) = 2.9m×3.0m×3.6m，窗户尺寸为H(y) × W(z) = 1.5m × 0.9m，窗底边距地板0.9m高。根据Gao[1]的经验，此计算区域足够大。
图2 建筑模型及计算域
图3 网格示意
在边界条件的设定中，将迎风侧壁面作为有热源的壁面，参考表1的计算结果设置定壁温边界类型，其他壁面为绝热边界。在迎风侧近壁面处进行了网格加密，使得y+＜5，如图3所示，对于其他壁面，30＜y+＜300。计算区域入口为梯度风，取建筑高度处风速作为参考风速值，Uref。风速剖面遵循以下公式：
入口的湍流强度和尺度分别为8%和1m，湍流现象采用RNG k-ε模型处理，近壁面采用Enhanced wall function处理，压力速度耦合方法为SIMPLE，压力差分格式为PRESTO！动量差分格式为second order upwind。以丙烷作为示踪气体模拟污染物，分别在建筑的2层、10层和18层房间的窗户中心以定强度点源释放。用理查森数表征风压和热压的相对大小，如式11所示：
考虑不同风速、温差和污染源位置，共计算了24个工况，如表2所示，包含了自然对流到强制对流的过程，其中O表示开窗模式(Open window mode)。
表2 计算工况设置
2 模拟结果及分析
为了比较不同计算工况下建筑周围气流组织的差异，尤其是迎风侧近壁面的气流流向，在图4中给出了xy中间剖面的速度矢量图。图4(N1)中可明显看到迎风侧近壁面的热羽流，在建筑顶部处速度达到近1.2m/s，此时Ri=156.9，热压主导。温差一定时，随着风速的增大，比较N1~N4和N5~N8速度矢量的变化过程，由图中可看出，迎风侧建筑16至17层之间出现滞止区，在滞止区以下近壁面由上而下的气流速度逐渐增大，且底部的回流区域也在扩大。
图4 xy剖面速度矢量图
污染源分别在建筑不同高度处以定强度点源形式释放，为了便于观察污染物的迁移路径，比较不同计算工况下污染物浓度的分布情况，在图5中给出了10-4~1的量级范围内迎风侧壁面上污染物的所在位置。在CaseN1中，Ri=156.9，污染源位于2层时，10-4~1污染物浓度范围的形状呈不对称气球形，竖直方向上覆盖建筑壁面靠近中间的2~10层，污染源位于10层时，10-4~1污染物浓度范围在竖直方向上包括了10层至顶部且形状对称，覆盖面积比污染源在低层时大，因为浮升力主导时，越是在建筑高的地方近壁面热羽流速度越大，作用力越强。在CaseN2和CaseN5中，Ri分别为39.2和42.9，污染源在2层时，污染物在竖直方向上既有自下而上的迁移也有自上而下的传播，但传播范围较小，污染源在10层时，浮升力的作用较大，污染物在竖直方向上自下而上的传播，在水平方向上的传播范围比CaseN1大。CaseN3 和CaseN6中，Ri对应的值分别为25.1和19.1，此时污染源在10层时污染物自下而上的传播被抑制。随着理查森数的继续减小，污染源位于滞止区以下时，结合Fig.4，污染物在竖直方向上会随气流自上而下迁移。当污染源位于滞止区以上时，污染物始终向上传播，从总体趋势上看，理查森数较小时（CaseN4、CaseN7和CaseN8），污染物在水平方向上的扩散也较为明显。
图5 迎风侧污染物浓度分布
3 结论
本文关注了太阳辐射对高层建筑污染物垂直方向跨户传播特性的影响，比较了朝阳侧和背阳侧的差异，并用理查森数衡量热压和风压的相对大小，分析了二者不同综合效应时污染物在迎风侧的迁移规律。以4月21日中午时段为例，对于一栋58m的高层建筑而言，贴近壁面的热羽流在建筑顶部的速度可达到约1.2m/s。污染物以定强度点源释放时，若污染源位于建筑滞止区以下，理查森数Ri的减小，也即强制对流效应的增强使得污染物自下而上的传播现象减弱，污染源在建筑低层时，Ri在40左右时污染物竖直方向的传播被抑制，污染源在建筑中间层时， Ri在20左右时污染物竖直方向的传播被抑制；若污染源位于建筑滞止区以上，污染源始终是自下而上迁移。此外，热压大于风压作用或者二者相当时，污染源房间以上的至少两层浓度在10-4~1的量级范围内。
参考文献
[1] Gao N P, Niu J L, Perino M, et al. The airborne transmission of infection between flats in high-rise residential buildings: Tracer gas simulation. Building & Environment, 2008, 43(11):1805–1817.
[2] Mu D, Gao N, Zhu T. Wind tunnel tests of inter-flat pollutant transmission characteristics in a rectangular multi-storey residential building, part A: Effect of wind direction. Building and Environment, 2016, 108:159–170.
[3] Mu D, Shu C, Gao N, et al. Wind tunnel tests of inter-flat pollutant transmission characteristics in a rectangular multi-storey residential building, part B: Effect of source location. Building and Environment, 2016, 114:281–292.
[4] 朱颖心. 建筑环境学（第二版）[M]. 北京：中国建筑工业出版社, 2005.
[5] 彦启森, 赵庆珠. 建筑热过程[M]. 北京：中国建筑工业出版社, 1986.
[6] Palyvos J A. A survey of wind convection coefficient correlations for building envelope energy systems’ modeling. Applied Thermal Engineering, 2008, 28(8):801–808.
[7] Madhlopa A, Johnstone C. Numerical study of a passive solar still with separate condenser. Renewable Energy, 2009, 34(7):1668–1677.
注：本文收录于《建筑环境与能源》2017年5月刊总第5期《2017全国通风技术年会论文集》中。
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