街區(qū)與建筑室內(nèi)空氣環(huán)境耦合特征的研究.pdf

1、自然通風(fēng)是增加室內(nèi)新風(fēng)和改善室內(nèi)熱環(huán)境最簡(jiǎn)單最經(jīng)濟(jì)的通風(fēng)方式。在一年中的氣候溫和時(shí)段，居住者通常習(xí)慣打開(kāi)窗戶，讓建筑進(jìn)行自然通風(fēng)。然而，當(dāng)室外空氣污染物濃度較高時(shí)，自然通風(fēng)可能導(dǎo)致室內(nèi)空氣環(huán)境惡化。在這一背景下，本文采用三維CFD模擬和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的方法，對(duì)臨街建筑開(kāi)窗條件下，街谷內(nèi)氣流流動(dòng)和污染物的分布特征及室內(nèi)外空氣環(huán)境的耦合效應(yīng)進(jìn)行了詳細(xì)分析與討論。
　　利用數(shù)值方法對(duì)不同窗戶開(kāi)啟率（WOP）情況下街谷和房間內(nèi)流場(chǎng)和污染物（以C

2、O為代表）濃度場(chǎng)所做的模擬結(jié)果表明，WOP增大時(shí)，大量背景空氣將從街谷上游建筑通過(guò)穿透式通風(fēng)進(jìn)入街谷，從而導(dǎo)致街谷內(nèi)流場(chǎng)和污染物濃度場(chǎng)發(fā)生改變。在行列式和錯(cuò)列式街谷中，當(dāng)窗戶開(kāi)啟率從0％增加到10%時(shí)，街谷內(nèi)污染物平均濃度將分別下降23%和23%~27%。模擬結(jié)果表明，當(dāng)街谷寬高比增加到4時(shí)，街谷內(nèi)的氣流結(jié)構(gòu)和污染物平均濃度將不再受窗戶開(kāi)啟率的影響。
　　在此基礎(chǔ)上，分析發(fā)現(xiàn)，窗戶開(kāi)啟率不同時(shí)，上游建筑兩側(cè)的壓強(qiáng)差基本沒(méi)有明顯的變

3、化，但下游建筑兩側(cè)的壓強(qiáng)差變化較大，并且由于上游建筑兩側(cè)壓強(qiáng)差為正，街谷內(nèi)的污染物將不會(huì)擴(kuò)散到上游建筑內(nèi)。因此，街谷兩側(cè)建筑的窗戶開(kāi)啟率對(duì)下游建筑室內(nèi)空氣質(zhì)量的影響更顯著。根據(jù)數(shù)值模擬得到的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，下游建筑不同位置處的房間通風(fēng)情況和室外污染物濃度有差別，大部分房間的通風(fēng)通量來(lái)自尾流區(qū)，并隨窗戶開(kāi)啟率的增大而減小。若房間的通風(fēng)氣流來(lái)自街谷，則通風(fēng)通量隨窗戶開(kāi)啟率的增大而增加。在下游建筑的迎風(fēng)面和背風(fēng)面處，污染物濃度均隨窗戶開(kāi)啟率的增

4、大而下降。為定量描述室外交通污染物對(duì)臨街自然通風(fēng)建筑室內(nèi)污染物的貢獻(xiàn)量，定義了一個(gè)無(wú)量綱窗外污染物有效源強(qiáng)。行列式和錯(cuò)列式街谷中下游建筑的有效源強(qiáng)均隨著窗戶開(kāi)啟率的增加逐漸下降，錯(cuò)列式街谷的有效源強(qiáng)低于行列式的相應(yīng)值。
　　由于街谷的對(duì)稱性是影響街谷內(nèi)流場(chǎng)和污染物分布的重要因素之一。對(duì)行列式和錯(cuò)列式布局建筑高度比（即上游建筑高度H1與下游建筑高度H2之比，H1/H2）不同時(shí)的街谷內(nèi)流場(chǎng)和濃度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并引用了三個(gè)用于表征室

5、內(nèi)通風(fēng)過(guò)程的參數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)街谷內(nèi)人員活動(dòng)區(qū)域的空氣質(zhì)量。結(jié)果表明，街谷的不對(duì)稱性對(duì)街谷內(nèi)和下游建筑尾流區(qū)內(nèi)的污染物分布有明顯影響。下游建筑高度越低，則尾流區(qū)濃度越高。行列式和錯(cuò)列式街谷中人員活動(dòng)空間的無(wú)量綱平均濃度分別在H1/H2為7/3和7/2時(shí)最大，并且上梯型街谷的空氣質(zhì)量要好于下梯型街谷。同時(shí)，利用有效源強(qiáng)概念，考察了街谷非對(duì)稱性對(duì)下游建筑室內(nèi)空氣質(zhì)量的影響。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，當(dāng)街谷為上梯型時(shí)，下游建筑房間的通風(fēng)量均來(lái)自街谷；街谷為等

6、高和下梯型時(shí)，下游建筑部分房間的通風(fēng)量來(lái)自街谷，其余來(lái)自尾流區(qū)。下游建筑迎風(fēng)面和背風(fēng)面濃度均隨著H1/H2的增大而增大?？紤]到實(shí)際城市環(huán)境中風(fēng)向的隨機(jī)變化，行列式街谷中當(dāng)H1/H2為1/7和7/1時(shí)，下游建筑的有效源強(qiáng)最大。在錯(cuò)列式街谷中，為維持較好的室內(nèi)外空氣質(zhì)量，應(yīng)盡可能使兩側(cè)建筑高度接近，H1/H2控制在5/7~7/5以內(nèi)。在避免較差的H1/H2的條件下，錯(cuò)列式布局下游建筑的有效源強(qiáng)度低于行列式布局。
　　為全面了解街谷幾何

7、結(jié)構(gòu)形式可能產(chǎn)生的污染物擴(kuò)散機(jī)制，分析了街谷長(zhǎng)寬比L/W（建筑長(zhǎng)度L和街道寬度W）對(duì)谷內(nèi)通風(fēng)量和污染物擴(kuò)散的影響。結(jié)果顯示，當(dāng) L/W較小時(shí)，街谷空間中的通風(fēng)量和污染物主要通過(guò)街谷端部開(kāi)口與外界交換，街谷端部的污染物高于街谷長(zhǎng)度中心區(qū)的濃度。而當(dāng) L/W較大時(shí)，街谷頂部成為氣流和污染物與外界交換的主要通道，大部分污染物分布在街谷長(zhǎng)度中心區(qū)，污染物擴(kuò)散規(guī)律發(fā)生轉(zhuǎn)變的L/W在2~2.5之間。盡管街谷長(zhǎng)寬比不同時(shí)，街谷內(nèi)污染物擴(kuò)散途徑不同，但

8、街谷中的平均濃度均隨著長(zhǎng)寬比的增大明顯升高。
　　街谷上游建筑之外（即街谷之外）的建筑物對(duì)來(lái)流的阻擋和干擾，會(huì)影響到進(jìn)入街谷的通風(fēng)量和谷內(nèi)污染物的擴(kuò)散。利用數(shù)值計(jì)算模擬了上游阻擋建筑高度不同時(shí)，行列式和錯(cuò)列式街谷內(nèi)的流場(chǎng)和濃度場(chǎng)。結(jié)果表明，不論目標(biāo)街谷臨街建筑布局形式是行列式還是錯(cuò)列式，街谷內(nèi)渦流結(jié)構(gòu)和通風(fēng)量都主要由街谷上游建筑與阻擋建筑的平面相對(duì)位置和阻擋建筑的高度來(lái)決定。當(dāng)阻擋建筑與目標(biāo)街谷的上游建筑對(duì)齊布置時(shí)，街谷內(nèi)通風(fēng)量隨

9、阻擋建筑高度的增加而減少，當(dāng)阻擋建筑高度是上游建筑高度的2倍時(shí)，目標(biāo)街谷內(nèi)通風(fēng)量開(kāi)始上升。當(dāng)上游阻擋建筑與目標(biāo)街谷上游建筑錯(cuò)開(kāi)布置時(shí)，街谷內(nèi)通風(fēng)量隨阻擋建筑高度的增加逐漸降低。街谷中污染物擴(kuò)散受氣流速度和流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的共同影響，無(wú)論阻擋建筑為何種布局，當(dāng)阻擋建筑高度不大于1.5H時(shí)，街谷內(nèi)背風(fēng)區(qū)濃度最高，阻擋建筑高為2H時(shí)，最大濃度將出現(xiàn)在街谷迎風(fēng)區(qū)。
　　為考察室內(nèi)外污染物濃度間耦合關(guān)系，分別以CO、PM2.5和PM10為代表性污染

10、物，對(duì)臨街建筑和遠(yuǎn)離街道的建筑室內(nèi)外污染物濃度進(jìn)行了連續(xù)測(cè)量。濃度時(shí)間序列表明，夏季工作日時(shí)，臨街和遠(yuǎn)離交通線的兩觀測(cè)點(diǎn)室內(nèi)外CO濃度的日變化規(guī)律表現(xiàn)出很強(qiáng)的規(guī)律性，即CO濃度的時(shí)間序列有兩個(gè)峰值。分析室內(nèi)、外PM2.5和PM10濃度之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)外CO濃度比小于但接近1，并且室內(nèi)外濃度的變化呈正相關(guān)性。對(duì)自然通風(fēng)房間而言，實(shí)測(cè)結(jié)果未發(fā)現(xiàn)室內(nèi)外濃度的時(shí)間延遲效應(yīng)。根據(jù)工作日室外CO濃度時(shí)間序列，通過(guò)理論分析給出了預(yù)測(cè)室內(nèi) CO濃度