大中型商业建筑被动式过滤通风技术构想及分析

陈皓 王晓 周军莉 洪学新

大中型商业建筑被动式过滤通风技术构想及分析

陈皓1王晓1周军莉1洪学新2

1武汉理工大学土木工程与建筑学院
2武汉理工大学设计研究院

我国大中型商业建筑普遍存在能耗大、空气质量差的问题。为此，提出了被动式过滤通风系统基本构想，设想利用烟囱效应，在建筑中设置拔风系统，在墙上设置空气过滤网，为建筑提供充足的洁净新风。其后，分析了该系统的核心问题，并利用CFD软件对其进行了研究，理论证明了该系统的技术可行性。

商业建筑被动式通风过滤式通风CFD模拟

在我国建筑能耗中，公共建筑占有较大比重，其中商业与办公楼建筑又占较大比重[1]。在大中型商业建筑能耗中，空调能耗比例较高，一般可达到其总能耗的50%左右[2]。目前，针对大中型商业建筑空调节能的研究，主要体现在对空调系统的改善与控制等方面；关于商业建筑的被动式过滤通风技术的研究，尚未查阅到。因此，本论文具有一定的现实与理论意义。

1 大中型商业建筑能耗与空气质量特征

1.1能耗特征

在此，“普通大中型商业建筑”特指营业空间设有集中空调系统的、规模较大的普通商业建筑，不含对空气质量要求更高的高档商业建筑。一般而言，大中型商业建筑能耗可以分为空调能耗、照明系统与电梯运行能耗三大部分。以夏热冬冷地区为例，其能耗比例一般为：48%、43%、9%左右[3]。

由于大中型商业建筑对室内空气洁净度、温度、湿度都有一定要求，所以，即使在气温比较适宜的过渡季节，也多须开启空调系统进行通风换气，这是其空调能耗比例较高于一般建筑的重要原因。由此可见，如果能够充分利用被动式通风技术，可能会大幅降低大中型商业建筑空调能耗。

1.2空气质量特征

目前，我国大中型商业建筑营业空间换气量往往不充分，加之人员密集、商品繁多等原因，空气质量往往不佳，部分商场经常使人感觉新鲜空气严重不足、部分区域气味难闻，许多商场室内CO2、甲醛、PM10和TVOC等都超标[4]。如果能够大幅提高换气量，商场空气舒适度、健康度都会大幅提高。

2 被动式过滤通风系统构想及其技术难点分析

2.1基本构想

针对上述问题，设想建立技术系统如下：利用烟囱效应，在普通商业建筑中设置风量可控的拔风系统（拔风管道可与建筑既有的新风管网连接）；在外墙众多部位设置相应的空气过滤网；在气温比较适宜的过渡季节（且室外空气污染指数轻度以下、空气湿度不高的条件下），关闭空调系统，开启本技术系统，室外空气经过过滤网过滤后，进入室内，为商业建筑提供充足、清洁的新鲜空气。系统由三个子系统构成：拔风系统、风管系统和空气过滤系统。①拔风系统：在建筑内部或外部设置众多与风管系统相连的“拔风烟囱”；②风管系统：在吊顶内部设置众多通风管道，根据室内空间特点，布置众多位置不均匀的排风口；③空气过滤系统：在外墙设置众多的、能够满足商场空气质量要求的窗式过滤网。

该技术系统基本工作原理及工作过程如下：①众多的“拔风烟囱”开始工作，由太阳能或其它热能对“烟囱”上部空气进行不断加热，形成烟囱效应，排出室内空气；②不同部位的室内空气，通过分布在不同部位的众多排风口，吸入风管系统，被充分排出；③室外空气通过外墙上的众多过滤网，被过滤后进入室内，被不同部位的众多排风口所吸，使不同部位的室内空气换气相对充分，并降低室温（图1）。

图1 技术系统工作原理示意图（局部）

2.2难点分析

根据本技术系统特征，按子系统与系统工作关键点进行分析。

1）拔风系统技术根本难点分析。目前，利用烟囱效应的被动式通风技术已相对成熟，利用太阳能的烟囱式拔风系统，已有成熟的案例，其构造研究也比较清晰[5]，利用其它热源的“拔风烟囱”案例也早有出现[6]，因此，与本系统相关的拔风系统技术是成熟的。另外，关于拔风系统的开关、风量控制等，都可由自动测温、自动测风速、自动控制风量的自动化控制系统完成，这些技术也都是成熟技术，可由自动化专业工程师完成。由此可以认为，与本系统相关的拔风系统的真正技术难点是不存在的。

2）风管系统根本技术难点分析。普通风管系统的应用早已比比皆是，与本系统相关的技术难点也是不存在的。

3）空气过滤系统根本技术难点分析。由于本技术系统只适合室外空气污染指数轻度以下、空气湿度不高的条件，因此，本技术系统之空气过滤系统的主要过滤目标是悬浮颗粒物，避免悬浮颗粒物较多进入室内，造成清洁工作量较大。据研究，粗效空气过滤网可满足一般商业建筑室内空气质量要求[7]。因此，本技术系统可采用粗效空气过滤网，此类过滤网技术是成熟的。此外，窗式空气过滤网的安装、更换及清洗也是比较容易的。由此可见，与本系统相关的空气过滤系统真正技术难点也是不存在的。

4）充分换气的根本技术难点分析。对此，可以建立典型商业空间运用本技术系统的工作模型，进行通风数值模拟分析，并根据分析结果，不断调整模型，直至达到理想工况。这需要利用较大的计算机工作站进行，且设计与调整工作量较大，其难点在于研究条件与研究过程，不存在理论上的根本技术难点。

5）门厅阻滞室外空气进入室内的根本技术难点分析。在商业建筑中，由于主要出入口一般不能设置开合式大门，如果不经特殊处理，在本技术系统的运行过程中，由于门口处的空气阻力小于过滤网处，会造成该处直接吸入大量室外空气、而且风速较大的问题，使本技术系统无法满足商业建筑需要。因此，研究如何避免产生上述问题，乃是本技术系统的根本技术难点之所在。

3 数值模拟

目前，国内外研究自然通风的方法主要有三种：理论分析法、实验法和数值模拟法[8]。针对上述根本技术难点进行研究，理论分析法难以获得较为可信的结果，实验法耗资耗时耗力巨大，因此，本研究阶段采取数值模拟法，选用Fluent软件进行数值模拟研究，并利用Tecplot进行后期数据处理。

3.1模型建立

3.1.1模型基本空间设定

选取典型商业建筑，针对上述根本技术难点，选取单个门厅及其周边区域，建立与其环境相近似的“简单模型”。为简化计算，暂忽略楼层之间的空气流动，暂忽略此模型之外的空气流动对本区域的影响，设定面宽24.2m、进深10.2m的首层营业空间为“简单模型”的空间范围，对运用本技术系统的大中型商业建筑门厅及其周边区域通风状况进行近似性模拟研究，并利用对称性原则，选取该模型的一半作为计算域（图2）。

图2 模型综合平面示意图

3.1.2模型局部特征设定

1）拔风系统。该系统的构造形式多种多样，烟囱内部热能可通过太阳能、人工热能等多种手段获得，且得热量可控，因此，为简化计算，根据烟囱通风技术特征，本阶段研究对其初步设定如下：选取烟囱（out1、out2）截面尺寸1.2m×0.6m、竖向高6m；并设定阳光射在烟囱的东、西、南三个表面的热能全部被烟囱内部空气吸收，烟囱北面壁为绝热体。

2）管道系统、过滤系统。室内通风管道截面尺寸0.7m×0.4m，回排风口（out1-1……）0.5m×0.5m。窗式过滤网离地0.9m，过滤网1（porous jump1）宽5.6m、高2.1m；过滤网2（porous jump2）宽1.5m、高2.1m。

图3 模型网格

3）门厅。门（door）的尺寸为2.4m×2.4m。门厅阻滞室外空气进入室内的措施有多种，包括设置门斗、门帘、风幕等。其中只有风幕有可能持续性阻滞室外空气进入室内，因此，模型初步选择在出入口设置风幕，并与出入口不设任何阻碍的况进行比较研究。

模型网格采用四边形结构化网格与非结构化网格结合的方法划分网格（图3）。

3.2基本假设

该模拟采用RNG的k-ε模型，下面是进一步的简化和假设：

1）暂不考虑室外风速与气温变化对室内的影响；室内气流属常压、常温、低速下的流动，可视为不可压缩理想气体，且符合Boussinesq假设，认为密度变化仅仅对浮升力产生影响[9]。

2）相关研究表明，任意分布纤维过滤网在v≤0.3m/s的低速情况下，压降与风速呈线性关系，过滤网压降可以用Darcy定律进行描述[10]。

式中：△p为压降，Pa；μ是层流流体粘性；K为介质的渗透率；v为垂直介质的速度分量；△m为介质的厚度。

3.3边界条件

根据本技术系统工作特征与相关参数，在Fluent软件中设定如下边界条件。

1）通风入口和烟囱顶部出口的边界条件。门厅及风道入口采用压力入口边界条件，所有烟囱出口采用压力出口边界条件。

2）过滤网的边界条件。过滤网采用多孔介质边界条件。选用上海禾益设备制造有限公司生产的平板式粗效空气过滤网。其具体参数为：材料为特制膨松型高通量低阻力纤维，厚度15mm，额定风量1200m3/h，初阻力20Pa。代入式1，得到过滤网的渗透系数为：K=1.79E-08m2。

3）烟囱壁面边界条件。依据武汉过渡季节太阳辐射量给出定热流量，烟囱南面壁面墙热流为307W/m2、西壁面墙热流流量为268W/m2，北壁面为绝热体。

4）人流和照明边界条件。设定人员散热量均布于地面，照明散热量均布于天花板局部区域[11]（图2中简化灯具区域）。两者均考虑为平面热源，采用第二类边界，为定热流边界条件，人流热流为68W/m2，灯光热流为40W/m2。

5）风幕机边界条件。采用进口风扇边界条件，给定压力值为100Pa。

3.4数值模拟与分析

分别对“有过滤网但门厅不设阻碍的通风状况”（工况A）及“有过滤网且门厅设置风幕的通风状况”（工况B）进行模拟研究。工况A研究作为对工况B研究的比较。

3.4.1工况A数值模拟

模拟结果如图4～5。

图4 Case A y=1.5m平面速度云图

图5 Case A x=11.5m截面速度云图

3.4.2工况B数值模拟

模拟结果如图6～9所示。

图6 Case B y=1.5m平面速度云图

图7 Case B x=1m截面速度云图

图8 Case B x=7.5m截面速度云图

图9 Case B x=11.5m截面速度云图

3.4.3模拟结果分析

分析研究云图及数据表明：①工况A中，室外空气从出入口处大量、直接流入室内；②工况B中，室外空气通过过滤网能够较为充分地进入到室内各部分，但室内空气风速不等；风幕较为成功地阻滞了室外空气的进入，并对室内空气流动产生一定扰动；③风幕风速出风速度在6.5599m/s的情况下（商业建筑风幕出风速度为一般为4～9m/s），距地1.5m处的风幕风速约为3m/s，不会对人的舒适性造成影响。

4 结论

本文研究表明，在应用本技术系统的“一般大中型商业建筑”中，在出入口设置风幕，可以有效阻滞未过滤的室外空气进入室内，并不影响室外空气经过设置在外墙上的过滤网进入室内。由此，可以初步表明，本文所构想的被动式过滤通风技术系统，在理论上是能够成立的。

不过，本文的研究，只是初步的、概念性的，更为深入、全面的研究，如全系统综合运行状况、气流相对均匀度问题、空气干燥条件下的加湿问题、系统控制问题、关键构造问题等，都还有赖于更为全面的数值模拟研究、实验研究，甚至是接近真实建筑空间尺度的全面实验研究。本构想的提出与初步研究，期望能够起到抛砖引玉的效果。

[1]吴锋,刘国贤.杭州市公共建筑能耗调查与分析[J].建筑节能, 2009,37(11):63-65

[2]薛军.商业建筑空调节能技术探讨[J].能源与环境,2007,(2): 111-112

[3]王树键,彭家惠.重庆市既有大中型商场建筑特征及能耗调研分析[J].建筑节能,2008,36(1):58-59

[4]邓高峰,王志勇.公共建筑室内空气品质与人体舒适性关系研究[J].建筑热能通风空调,2011,30(5):29-29

[5]薛宇峰,苏亚欣.太阳能烟囱结构对通风效果的数值研究[J].暖通空调,2011,41(10):80-83

Study on the Te c hnic a l Conc e pt a nd Proble m of Pa s s ive Filte r Ve ntila tion of La rge a nd Me dium-s ize Com m e rc ia l Building

CHEN Hao1,WANG Xiao1,ZHOU Jun-li1,HONG Xue-xin2
1 School of Civil Engineering and Architecture,Wuhan University of Technology
2 Design&Research Institute of Wuhan University of Technology

The Large and medium-sized commercial buildings in our country have problems of large energy consumption,poor air quality.Therefore,this paper presents the basic idea about passive filtered ventilation system, conceived using the stack effect,set the wind pull system in the building and set up the air filter on the wall to provide adequate clean and fresh air for building.Then,analysis the core issues about this system,and researched by CFD software,theoretical proof the technical feasibility of this system.

commercial buildings,passive ventilation,filter ventilation,CFD simulation

1003-0344（2014）06-015-4

2013-8-15

王晓（1963～），男，教授：武汉理工大学土木工程与建筑学院（430070）：E-mail：wxap2@163.com

武汉市建委科研项目（201242）