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)境最簡單最經(jīng)濟(jì)的通風(fēng)方式。在一年中的氣候溫和時段，居住者通常習(xí)慣打開窗戶，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，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)場觀測的方法，對臨街建筑開窗條件下，街谷內(nèi)氣流流動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)值方法對不同窗戶開啟率（WOP）情況下街谷和房間內(nèi)流場和污染物（以C

2、O為代表）濃度場所做的模擬結(jié)果表明，WOP增大時，大量背景空氣將從街谷上游建筑通過穿透式通風(fēng)進(jìn)入街谷，從而導(dǎo)致街谷內(nèi)流場和污染物濃度場發(fā)生改變。在行列式和錯列式街谷中，當(dāng)窗戶開啟率從0％增加到10%時，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，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啟率的影響。
　　在此基礎(chǔ)上，分析發(fā)現(xiàn)，窗戶開啟率不同時，上游建筑兩側(cè)的壓強(qiáng)差基本沒有明顯的變

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)的污染物將不會擴(kuò)散到上游建筑內(nèi)。因此，街谷兩側(cè)建筑的窗戶開啟率對下游建筑室內(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)通量來自尾流區(qū)，并隨窗戶開啟率的增大而減小。若房間的通風(fēng)氣流來自街谷，則通風(fēng)通量隨窗戶開啟率的增大而增加。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啟率的增

4、大而下降。為定量描述室外交通污染物對臨街自然通風(fēng)建筑室內(nèi)污染物的貢獻(xiàn)量，定義了一個無量綱窗外污染物有效源強(qiáng)。行列式和錯列式街谷中下游建筑的有效源強(qiáng)均隨著窗戶開啟率的增加逐漸下降，錯列式街谷的有效源強(qiáng)低于行列式的相應(yīng)值。
　　由于街谷的對稱性是影響街谷內(nèi)流場和污染物分布的重要因素之一。對行列式和錯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）不同時的街谷內(nèi)流場和濃度場進(jìn)行了數(shù)值模擬，并引用了三個用于表征室

5、內(nèi)通風(fēng)過程的參數(shù)來評價街谷內(nèi)人員活動區(qū)域的空氣質(zhì)量。結(jié)果表明，街谷的不對稱性對街谷內(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。行列式和錯列式街谷中人員活動空間的無量綱平均濃度分別在H1/H2為7/3和7/2時最大，并且上梯型街谷的空氣質(zhì)量要好于下梯型街谷。同時，利用有效源強(qiáng)概念，考察了街谷非對稱性對下游建筑室內(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，下游建筑房間的通風(fēng)量均來自街谷；街谷為等

6、高和下梯型時，下游建筑部分房間的通風(fēng)量來自街谷，其余來自尾流區(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。考慮到實際城市環(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，下游建筑的有效源強(qiáng)最大。在錯列式街谷中，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，分析了街谷長寬比L/W（建筑長度L和街道寬度W）對谷內(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，街谷空間中的通風(fēng)量和污染物主要通過街谷端部開口與外界交換，街谷端部的污染物高于街谷長度中心區(qū)的濃度。而當(dāng) L/W較大時，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。盡管街谷長寬比不同時，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）的建筑物對來流的阻擋和干擾，會影響到進(jìn)入街谷的通風(fēng)量和谷內(nèi)污染物的擴(kuò)散。利用數(shù)值計算模擬了上游阻擋建筑高度不同時，行列式和錯列式街谷內(nèi)的流場和濃度場。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位置和阻擋建筑的高度來決定。當(dāng)阻擋建筑與目標(biāo)街谷的上游建筑對齊布置時，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，目標(biāo)街谷內(nèi)通風(fēng)量開始上升。當(dāng)上游阻擋建筑與目標(biāo)街谷上游建筑錯開布置時，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結(jié)構(gòu)的共同影響，無論阻擋建筑為何種布局，當(dāng)阻擋建筑高度不大于1.5H時，街谷內(nèi)背風(fēng)區(qū)濃度最高，阻擋建筑高為2H時，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)測量。濃度時間序列表明，夏季工作日時，臨街和遠(yuǎn)離交通線的兩觀測點室內(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濃度的時間序列有兩個峰值。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。對自然通風(fēng)房間而言，實測結(jié)果未發(fā)現(xiàn)室內(nèi)外濃度的時間延遲效應(yīng)。根據(jù)工作日室外CO濃度時間序列，通過理論分析給出了預(yù)測室內(nèi) CO濃度