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同一外墙上拥有两个开口的建筑物的风力自然通风
Chia-Ren Chua,lowast; , Y.-H. Chiub , Yi-Ting Tsaia , Si-Lei Wua
a台湾国立中央大学土木工程系
b台湾台北大学城市发展系
摘要: 本研究使用风洞实验来研究单墙上有两个开口的建筑物的风力通风。在不同的外部风速，方向和开口尺寸下，通过示踪气体衰减法测量交换速率。实验结果表明，当风向为theta;=22.5-45°时，开口间的时间平均压差远远大于波动压力，通风孔方程可以预测通风量。当风向是吗theta;= 0◦和67.5-180◦，开口处的压力差是不明显的，波动的压力使空气穿过开口。交换速率与压力波动的均方根成比例。此外，剪切引起的通风（风平行于开口）的无量纲交换速率被发现与风速、开放面积和位置无关。具有内部分区的建筑物的交换速率低于当风向没有分区时theta;= 0-90◦。通过并入时间平均压力差和压力波动来计算交换速率，提出了一种半经验预测模型。还讨论了预测模型计算空气变化率（ACH）的应用。
copy;2015 Elsevier B.V.保留所有权利。
关键词：自然通风 风力通风 单面通气 风洞实验示踪气技术
- 介绍
建筑物和外部空气之间的空气交换在确定建筑物的室内空气质量和热环境方面起着至关重要的作用[1,2]。 空气交换频率可以定义为空气变化率[3]：
I =Q/V (1)
其中V是内部空间的体积，Q是空气流量。每小时的空气变化率也称为ACH，单位为[h -1]。
风力自然通风可以改善室内空气质量和舒适度，并通过机械通风降低能耗。 然而，风力通风取决于穿过开口的压差。 基于伯努利的不可压缩和非粘性流动的假设，孔面积可用于计算通过建筑物开口的风力通风的稳定流量：
其中A是开口的横截面积; Cd是无量纲放电系数; rho;是空气的密度; Pe和Pi分别是开口的外部和内部压力。方程式（2）经常用于多区域模型中以计算通风率，文献中给出的典型放电系数在高雷诺数流动的尖锐开放度范围内在0.60-0.66范围内[4,5 ]。
然而，几项研究[6-8]指出，孔口方程不能用于预测单个开口的建筑物的流量。 开口处的时间平均压差接近零，对于没有风向的开放式建筑物。 沃伦[6]使用示踪气技术研究风向通风，并在迎风面上开启了一个单一的开口。 他的实验结果表明，无量纲交换速率在Q* = Q / UA = 0.023-0.026，平滑流（低湍流），Q*= 0.035在网格产生的湍流中。 英国标准[8]提出了一个经验公式来预测
交换速率与建筑物的迎风面的单一开口：
其中U是外部风速，A是开放面积
Kato等人 [9]利用风洞实验和示踪气体测量单个开口的空气交换率的技术当风向平行于开口（风向）时Theta;= 90◦）。 他们的结果表明，当墙体孔隙度比率r = A / A w = 6.25％，无量纲交换率：
其中是建筑高度的风速，Aw是外墙的面积。 然而，当孔隙率r = 12.25％时无量纲的交换率为Q*=0.020
Larsen和Heiselberg [10]采用全尺寸模型和示踪气技术来研究单面渗流的气流速率。 他们的实验条件包括在各种风向下的风力驱动和浮力驱动的通风。 他们的结果表明，风或浮力是否是主导驱动力取决于风向和驱动力之间的比例。 其模型的预测误差在18-28％的范围内。
以上研究仅研究了一次开放式建筑物的单面通风。 胡等 [11]使用大涡模拟（LES）模型来模拟在两个相对的墙壁上有两个开口的建筑物的风力通风，每个具有一个开口，研究了两种不同的流量条件：
（1）交叉通风，外风方向与迎风和下风口正交;
（2）剪切通风，其中风向平行于两个纬度的墙壁开口。
他们观察到横向开口处的双向，不稳定的空气流动，但没有量化剪切通气的交换率。
楚等人[12]使用风洞实验和示踪气技术来研究一个和两个开口的剪切引起的通风。 他们发现波动的压力主要是剪力通风，特别是当开口处的时间平均压差接近于零时，。实验结果表明，单面和双面开口剪切通量的无量纲交换率Q*分别为Q*=0.0175和Q*=0.077。
Wang和Chen[13]使用大型涡模拟（LES）模型和物理模型来预测建筑物单面通风率。 他们应用频谱分析来得出一个物理模型，以解释脉动流和涡流笔的影响，对平均和波动的通气率进行评估。 结果表明，单侧通气通气率与外界风速呈线性关系。
Ji等人 [14]采用示踪气技术研究风向交叉通风在风向波动下的变化，发现最大风速和稀释流速受风速，开口尺寸和风速的影响， 风向。 波动情况下的DFR低于固定风向的理论最大气流速率，但与室内污染物混合的外部新鲜空气比固定情况下更有效地消除。
Nikolopoulos等人 [15]采用示踪气体衰减法和k-w湍流模型，研究了不同入射角下实际建筑物的风力通风。他们的结果表明通风过程受到不稳定的控制
流入接近入口和出口的大角度入口。建筑内空气变化率的空间分布强烈依赖于建筑物内的入射角和混合。
Chu和Wang[16]开发了交叉通风阻力模型。无量纲交换率Q*可以计算为：
其中Cp1和Cp2是外部开口附近的压力系数; 和zeta;1，zeta;2和zeta;i我分别是外部和内部开口的阻力因素。外部开口的阻力系数zeta;1和zeta;2等于：
其中A1和A2是开口的横截面积，并且电阻系数的尺寸在。 方程式（5）和（6）可用于具有不同尺寸的开口的建筑物。方程式中的中括号外的开口区域A1。方程式（5）是由于无量纲的交换率被定义为。这种抵抗模式已经成功应用于分区建筑[17]，内部障碍大的建筑物[18]和长建筑物[19]。对于障碍内阻小的建筑物，Chu等人[4]和Karava等人[20]认为zeta;i可以认为zeta;iasymp;0，等式 （5）将与通风模式相同。
上述研究未调查在单个墙壁上具有两个开口的建筑物的通风过程。然而，在同一个外墙上设有一个单层建筑（或高层建筑的一层）有两个开口是相当普遍的（见图1）。这种流动条件属于单面通风 [12]，其中开口处的时间平均压力差小，压力波动相当大。必须量化在同一墙上有两个开口的建筑物的交换率，特别是由于压力波动。
对于具有两个相同尺寸的开口（A 1 = A 2）的建筑物，通过开口的交叉通风率可以从连续性方程式和孔口方程[4,20]得出：
其中是两个开口之间的时间平均压力差。考虑到采取波动压力，建筑物的交换率应为：
其中k是用于量化流体压力对开口空气交换的影响的经验系数，Prms是内部压力波动的均方根（rms）值：
其中n是总数据数。通过等式（8）由，可以得到无量纲的交换率：
其中是两个开口之间的时间平均压力系数的差异; 是内压系数的均方根
当跨越开口的压力系数的差异远大于波动压力系数时 空气交换是由压差和波动压力交换的驱动造成的，速率可以忽略，。（10）与Chu等人[4]和Karava等人 [20]的通气模型相同。 然而如同一外墙上的两个开口，当时间平均压力差|Delta;P| asymp;0，通风将由波动压力控制。交换率等于：
这项研究进行了一系列风洞实验，以测量同一墙上两个开口的建筑物的交换率。 系统研究了风速，风向和开口面积对交换率和压力系数的影响。此外，本研究还测量了建筑物与内部分区的交换率。分析了实验结果，以证明上述半经验模型预测具有两个开口的单侧通气的能力。
2.实验设置
实验在开路吹风式风洞中进行。 风洞总长8.3米，试验段长1.5米，宽1.2米，高0.60米。 立方体建筑模型的长度，宽度和高度均为0.40米。 模型的表面由光滑的丙烯酸板（厚度4.8mm）制成。 建筑模型位于试验区的中心线，从试验区前缘到建筑模型的距离为0.75米（见图2）。
图2. （a）风洞试验段示范建筑物的照片;（b）开口和压力开关位置的示意图
区域A1=A2=40mmtimes;40mm
图2. 带两个开口和内部隔板单面通风示意图
在建筑模型的同一外墙上有两个方形开口，两个开口的面积相同：A1=A2=40 mmtimes;40 mm（每个开口的壁孔率r=1.0％ ），A1=A2=20mmtimes;20mm（对于每个开口r=0.25％）。 开口的位置沿着外墙的中心线对称（见图2）。风向被定义为与开口相接近的流动的入射角（见图1）。 当风向为Theta;=0°时，外部风速与开放面正交; 风向与风向平行时Theta;= 90◦
外部和内部压力通过多通道高速压力扫描仪（ZOC33 / 64PX，Scanivalve Inc.）测量。压力传感器的测量范围为plusmn;2758 Pa，分辨率为plusmn;2.2 Pa，采样频率为 250 Hz采样持续时间为65.5秒。 压力扫描器用塑料管（长度为0.3米）连接到压力水龙头（直径为1.5毫米，与墙壁齐平）。 外部压力测量在外部开口边缘30mm处，内部压力抽头位于天花板的中心。
模拟建筑物的汇率通过示踪气体衰减法测量。 示踪气技术是测量建筑物通风率的最广泛使用的方法[21-24]。 本研究中使用的示踪气体CH 4，测量仪器和程序与Chu等人[12]所使用的相同。 在模型中均匀分布了四个取样管（内径1mm，长度200mm），采样管的示踪剂通过空气泵混合，并连接气相色谱（中国色谱，TurboGC-800）。 模型建筑物内部空间平均浓度C（t）的演化用于通过以下方程式计算汇率Q：
其中V是模型建筑的内部体积。 气相色谱的分辨率为5 ppm，采样频率为100 Hz。
本研究还调查了内部分区的建筑物的交换率（见图3）。 通过丙烯酸板（厚度4.8mm）将模型内的空间分成两个区域。内部分隔壁的高度为h=390.4mm（与内部高度相同），宽度360mm。在外墙上有两个外部开口，一个在隔墙的每一侧。 开放面积相同A1=A2。开口的位置与没有分隔壁的位置相同（见图2）。风向是否与外部风向平行Theta;= 0◦
为了确定测量汇率的标准差，在风速UH=4.20m/s和风向方向上，风向面中心的单开口A=40mmtimes;40mm处的相同流量条件Theta;= 0◦）反复实验五次。测量交换为Q=0.359plusmn;0.024L/s，测量交换率的不确定度为plusmn;6.71％
此外，本研究的结果与以前研究的一个开口的结果进行比较，以验证示踪气体技术的准确性。表1比较了风向下的无量纲的Q*=Q/UHA，Theta;=0◦和90◦与以前的研究结果。 风向Theta;=0◦，本研究的无量纲汇率Q*=0.0265非常接近英国标准[8]和沃伦[6]的实验结果。风向Theta;=90◦，本研究的交换率Q*=0.020接近Larsen和Heiselberg的结果[10]。本研究与以往研究之间的良好协商验证了本研究中使用的示踪气技术的准确性。
3.结果与讨论
3.1.风向影响
本研究首先研究了同一墙壁上两个开口的建筑物风向对单侧通风的影响。 两个开口的面积相同A1=A2=40mmtimes;40mm（壁孔率r=1.0％）。外部风速设定为U H = 2.32 m/s，风向在Theta;= 0-180◦每22.5◦。图4显示了无量纲汇率Q*与风向之间的关系。可以看出，风向的交换率Theta;= 22.5-67.5◦比其他风向大。另外，图中Q*的值比较。表4和表1显示，无论风向如何，两个开口的交换率都大于单个开口的交换率。
图4.风向的函数Theta;对于单面通风有两个开口无维度交换率Q*
外部风速UH=2.32m/s,壁孔隙率r = 1.0％。
图5.不同风向两侧开口的单面通风压力系数壁孔隙率
r=1.0％（A1=A2=40mmtimes;40 mm）
- 时间平均的外压和内压系数; （b）内部压力系数的均方根
图5（a）示出了在不同风向下具有两个开口的单面通气的时间平均的外部和内部压力系数。风向Theta;= 22.5°和45°，压力系数为Cp1gt;Cpiasymp;Cp2。两个开口之间的压力差，引起外界新鲜空气通过高压开口A1进入建筑物和示踪气体，从低压开口离开建筑物A2。建筑内的循环流量混合新鲜空气和示踪气体，导致示踪剂浓度的较快衰减速率和更高的汇率。 但是压力差风向相当小Theta;= 0◦和Theta;= 67.5-180◦。 另外还注意到，当开口位于建筑物的侧面或背风侧时，风压方向（风向Theta;= 67.5-180°），压力系数Cp1，Cpi和Cp2均为负值。
图6.风向分离剪切层的示意图Theta;= 67.5◦
图7.系数k随风向的变化
内压系数C prms在各种风向下的均方根如图1.5（b）所示。Cprms的最大值发生在风向theta;= 67.5◦。这是因为开口处于建筑物角落的分离剪切层（参见图6）内。从建筑角落脱落的非稳态涡流在侧壁产生大的压力波动。在这种流动状态下，波动压力主导了建筑物开口的交换过程。
通过用测量的汇率
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