热与污染物在不同建筑楼层间的传输行为与分布特性

李海英¹，周叶²，邓启红²

(1. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙，410083；

2. 中南大学 能源科学与工程学院，湖南 长沙，410083)

摘要：对自然通风高层建筑不同楼层之间空气流动及热与污染物的跨层传输行为规律进行数值研究，采用计算流体动力学(CFD)技术系统分析污染源的强度、热源的强度和不同开窗方式对热与污染物传输的影响。研究结果表明：污染物可以从低层传输到高层，并且污染源的强度越强，污染物传输能力越强，高层房间污染物的平均浓度越高；热源对污染物的传输有重要影响，热源强度越大，更有利于污染物的传输到高层房间；对于单侧有2个开口的建筑，污染物的传输能力较强，高层污染物的平均浓度较高；当每一层都存在热源与污染源时，由于热与污染物的累积效应，污染物浓度和温度随着楼层的增加而升高；建筑中污染源/热源与外界环境空气间的浓度/温度差产生的浮升力引起空气在不同楼层间的流动，对高层建筑不同楼层之间热与污染物的传播有重要影响。

关键词：高层建筑；交叉感染；空气污染；竖直传播；自然通风；计算流体动力学

中图分类号：TU11；TU83          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2013)12-5125-08

Transport of heat and air pollutants across different floors in high-rise buildings

LI Haiying¹, ZHOU Ye², DENG Qihong²

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;

2. School of Energy Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: The vertical flow interaction and air pollutant transport in high-rise buildings were numerically investigated. The flow was driven by buoyancy effect due to temperature and concentration difference between the heat and pollutant sources and the ambient fluid. Attentions were given to analyze the effect of the main factors, i.e. the strength of pollutant source, the presence of heat source, the strategies of window openings on the pollutant transport among different floors. The results show that the air pollutant can spread from lower floors to upper floors due to the inter-floor airflow through open windows caused by the buoyancy force. The stronger the pollutant source, the higher the pollutant concentration would be in the upper floors. The pollutant transport can be affected by the heat source, which will aid the transport of pollutants to upper floors. The building with two openings on single side will be more susceptible to the pollutants from the lower floor than the building with one opening. Due to the accumulation effect of heat and pollutant in upper floors, the average concentration increases with floor level when each floor has heat and pollutant sources.

Key words: high-rise building; cross-contamination; air pollution; vertical transport; natural ventilation; computational fluid dynamics (CFD)

自20世纪以来，世界城市化进程不断加快，高强度的城市代谢带来了严重的城市环境问题，如热岛效应、空气污染、流行性疾病的传播等^[1-2]。高密度的高层建筑是城市化的典型特征与标志，虽然显著提升了城市人口的容纳能力并给人们生活带来了极大的便利，但也带来了极大的安全与健康风险^[3]。高层建筑能够为热与污染物传输及疾病传播提供快捷的途径^[4]。首先，细菌/病毒等微生物(如SARS与H7N9等流行性传染性疾病病毒颗粒)能够沿着建筑向上传播引起高层建筑内部居民快速交叉感染^[5-6]。如Li等^[7]指出SARS病毒能够通过空气传播，病毒颗粒经房间窗户或卫生间和厨房的排风扇进入采光天井，然后在浮升力和风力共同驱动下自下而上扩散是导致高层住户被感染的主要原因。其次，空气污染物在不同楼层之间的传播非常普遍。Nagano^[8]采用实验和数值模拟方法对一栋7层建筑某厨房的排气进行研究，发现在邻近楼层房间和其他楼层房间都有厨房排出的污染物。Chow等^[9]进一步指出由于累积效应，污染物的浓度随着楼层增加而不断升高，热量如建筑火灾等能够在建筑内部不同楼层之间快速传输。Allocca等^[10]模拟了一幢三层建筑的单侧自然通风效果，发现尽管层与层之间相互绝热，但是，随着层数增加，室内温度升高，这是因为下层排出的热空气能够进入到上层房间。可见，热与污染物、细菌/病毒等微生物能够随着上升的热浮升气流沿着建筑竖直向上传播。近年来，为实现建筑节能与提高室内空气质量，自然通风技术在建筑中的应用越来越广泛，但是，自然通风增加了不同楼层之间的相互作用与影响，促进了热与污染物的传输及疾病的传播，因此，具有一定的健康风险。王伟^[11]对学生宿舍不同楼层的室内环境进行了数值研究，结果表明室内环境随着不同楼层高度发生变化；高乃平等^[12]利用实验和数值方法研究了在浮升力作用下SARS的传播途径，发现约有5%的下层排风通过窗户进入到上层房间。以前的研究主要针对个别竖直传播现象进行，证明热与污染物或疾病在建筑内部传播的可能性，但缺乏对多层建筑热与污染物跨层传播进行系统的理论研究，为此，本文作者对热与污染物在竖直方向跨层传播的机理及影响热与污染物跨层传输的主要因素进行研究。

1  物理模型

考虑如图1所示的多层建筑在自然通风作用下的热与污染物的传输问题。为了研究与计算方便，仅选取其中3层。每层房间高×长为H×L(H/L=1)。在第1层的左侧壁面上放置有高度为H的高温热源与污染源，温度和浓度分别为t_h和c_h，其他壁面均认为是绝热绝质。外界环境是低温低浓度的空气，温度和浓度分别为t_∞和c_∞。热源与污染源与外界空气之间的温度差(Δt=t_h-t_∞)和浓度差(Δc=c_h-c_∞)产生的浮升力能够引起空气流动。窗户的位置对流动具有重要的影响，为此本文考虑2种不同的开窗方式：

(1) 单开口模型，每层的右壁面中间位置有1个开口，开口高度为H/2，如图1(a)所示。

(2) 双开口模型，每层的右壁面有2个开口，分别位于壁面的底部和顶部，开口高度为H/4，如图1(b)所示。

为了研究不同楼层之间的相互影响，需要扩大计算区域以包含外界环境空气，因此，本文在水平方向和竖直方向分别对求解区域扩展了L_X和L_Y，即图1中虚线所示区域。

图1  多层自然通风建筑物理模型

Fig. 1  Physical models of multi-storey buildings with natural ventilation

2  研究方法

2.1  数学模型

假设流动为二维、层流且不可压缩，空气的密度仅随着温度和浓度变化(符合Boussinesq假设)，其他物性参数均保持不变，则对流传热传质过程的无量纲控制方程如下：

               (1)

     (2)

 (3)

       (4)

       (5)

式中：无量纲变量U，V，P，C和T分别为流体的水平方向速度、竖直方向速度、压力、浓度和温度。分别根据(U，V)=(u，v)/(α/H)，P=p/(α/H)²，C=(c-c_∞)/△c，T=(t-t_∞)/△t进行无量纲化，速度、浓度和温度的特征尺度分别为α/H，△c=c_h-c_∞，△t=t_h-t_∞；无因次控制参数分别为：

，，，           (6)

Grashof数(Gr)表征污染源强度；浮升力比(B_r)为热源与污染源的强度之比；Schmidt数(Sc)与Prandtl数(Pr)分别表征污染物与热的扩散能力；g为重力加速度；β_c，β_t，ν，D和α分别为流体的浓度膨胀系数、热膨胀系数、运动黏性系数、污染物扩散系数和热扩散系数。

2.2  边界条件

对于建筑房间区域，壁面速度均采用无滑移条件，即U=V=0；温度T在热源壁面为1，在其他壁面绝热，T/n=0；污染物浓度C在污染源壁面为1，在其他壁面绝质，C/n=0。对于扩展区域边界，速度、浓度和温度边界条件分别如下。

左端扩展边界：

U=V=0，

右端扩展边界：

；C=0；T=0

底部扩展边界：

；C=0；T=0

顶部扩展边界：

2.3  求解方法

控制方程的求解采用基于交错网格系统的控制容积法(finite volume method，FVM)，在离散过程中，对流项与扩散项分别采用三阶QUICK差分格式与二阶中心差分格式。每个离散方程都应用逐线迭代的方式求解，在每条迭代线上应用三对角矩阵算法(TDMA)与逐次松弛迭代 (SOR)结合的方法进行计算。耦合控制方程的求解采用SlMPLE算法，求解精度设定为各变量方程的计算残差小于10^-6。

建筑中，热与污染物的传输能力分别采用热壁面和污染源壁面的平均Nusselt数和Sherwood数表达，计算公式如下：

2.4  模型验证

选取经典的单个开口方腔模型验证计算的准确性。表1所示为不同热源强度下单个方腔高温壁面上平均Nusselt数^[13-14]。从表1可以看出：本文模拟结果与文献[13-14]中的计算结果较吻合。

表1  单个开口方腔自然对流模拟结果与基准解的比较

Table 1  Comparisons of results between references and present study, for natural convection in a square enclosure with a full opening

3  结果与讨论

根据上述数学模型，本文所讨论的热与污染物在自然通风建筑中的传输问题受无量纲参数(Gr，B_r，Pr，Sc)的控制。本文取参数Pr=1(空气)，Sc=1，即固定流体与污染物的种类。主要研究不同开窗模式、污染源的强度(Gr)和热源强度(B_r)对不同楼层热与污染物传输特性的影响。需要指出的是：由于Pr=1，Sc=1，所以，热与污染物的传输特性是一致的，因而，在结果中只显示了污染物的传输特性；另一方面，本文考虑的是层流状态下污染物的传输特性，对于湍流流动，具有相同的变化规律。

3.1  不同开口方式对污染物传输的影响

不同开口方式下空气流动与污染物分布状态如图2所示。对于每层只有1个开口的多层建筑，外界环境中的低温低浓度空气从底层房间窗户的下半部分被吸入，与左壁面进行热与污染物交换，之后从窗户的上半部分排出。排出的高温高浓度的空气在浮升力作用下沿着壁面上升，在流经上层房间的窗户时，诱导上层房间内部空气循环流动。由于上层房间没有热源和污染源，因此，上升的空气并没有被上层房间吸入，而其携带的污染物和热在开窗处通过扩散进入上层房间。从图2(b)可看出：上层房间受到底层污染源的影响，房间内污染物浓度较高。并且污染物浓度在底层最高，沿空气流动方向，上层房间内的浓度逐渐降低。当Gr较小时，对流很弱，流线几乎是同心圆，浓度等值线在水平方向上相互平行，表明污染物的传输以扩散为主。由于从底层开口处排出的污染物浓度很低，因此，上层房间污染物的浓度相对较低。当Gr较大时，流动和污染物的分布随着对流增强发生了变化，流线被扭曲，边界层形成，浓度高的空气主要集中在房间的上部空间，在竖直方向上分层，因此，污染物传输能力增强，可能导致高层房间污染物浓度增大。图3所示为每层有2个开口的多层建筑的空气流动与污染物分布状态。其变化规律与上述单开口多层建筑模型基本相同：随着Gr增大，流动增强，污染物的传输能力增大，上层房间的污染物浓度增高。其主要区别在于：外界空气从第1层房间的底部流入，与左壁面进行传热传质之后，从顶部的开口排出。尽管上层空间也没有污染源和热源，由于底层房间的出口与上层房间的入口距离较近，导致低层排出的空气能够直接进入上层房间。因此，楼层之间的相互影响明显增强，这将对热与污染物从低层传输到上层房间有重要影响。

图2  不同污染源强度下单个开口建筑流场与浓度场的分布(热源污染源同在第1层，B_r=1，Sc=1，Pr=1)

Fig. 2  Streamlines and iso-concentrations of pollutant airflow in three-storey buildings with one pollutant source and heat source located at side wall on the first floor at various Grashof numbers

图4所示为2种不同开窗情况下污染物传输能力和不同楼层房间内污染物的平均浓度。从图4(a)可以看出：一方面，随着污染源强度Gr增大，浮升力驱动的自然对流作用增强，导致流体的速度增大，因此，污染物的传输速率()增大；另一方面，双开口多层建筑污染物的传输能力明显比单开口建筑强。从图4(b)可以看出：

图3  不同污染源强度下双开口建筑流场与浓度场的分布(热源污染源同在第1层，B_r=1，Sc=1，Pr=1)

Fig. 3  Streamlines and iso-concentrations of pollutant airflow in three-storey buildings with one pollutant source and heat source located at side wall on the first floor at various Grashof numbers

图4  2种开口模型的污染物平均传输速率()与不同楼层平均浓度比较(B_r=1，Sc=1，Pr=1)

Fig. 4  Comparisons of average Sherwood number and average concentration between the one opening model and the two openings model with various Grashof number

(1) 对于第1层房间，污染物平均浓度随着污染源强度(Gr)的增大而降低。因为空气对流强度随着Gr的增大而增大，导致周围环境中低温新鲜空气被大量吸入，并且高浓度的空气集中在壁面附近，水平的对流和扩散较弱，所以，浓度降低。对于上层房间，对流强度(Gr)越大，污染物的传输能力越强，因此，更多的污染物从底层排出，然后进入上层房间，导致污染物的浓度升高。

(2) 与单开口模型相比，双开口建筑的第1层房间内污染物浓度明显降低，而上层房间内的浓度则明显升高。这是由于双开口建筑楼层之间相互作用增强，更容易引起污染物在不同楼层之间的交叉感染。

(3) 在通常情况下，当第1层有污染源，第1层房间内污染物的平均浓度比其他2层的高。但是，当对流作用较强时(Gr＞10⁵)，第1层能够吸入大量新鲜低浓度空气，导致其浓度降低，而排出的高浓度污染物又能很快地进入上层房间，导致上层房间内污染物浓度的平均值甚至高于第1层的现象。

3.2  热源对污染物传输能力与分布特性的影响

热源对污染物传输能力与分布特性的影响见图5。从图5(a)可见：热源存在时，污染物的传输能力有显著增强。这是因为污染源和热源所产生的浮升力方向相同，二者是协同作用，促进污染物的传输。而且随着热源增强(即热源与污染源的浮升力比B_r增大)，对流作用增强，污染物传输能力增加。这说明热源对污染物的传输具有重要的促进作用。从图5(b)可以看出：热源增强，第1层的污染物的平均浓度降低。这是因为热源增强了对流作用，外界有更多的空气被吸入。而对于上层房间，由于热源促进了污染物的传输，有更多的污染物进入到上层房间，导致高层房间内的平均浓度升高。

3.3  多个热源与污染源分布对污染物传输能力与分布特性的影响

以上研究都是基于底层房间同时存在热源和污染源而上层房间没有热源和污染源情况，事实上，建筑中每层房间都可能同时存在热源与污染源。图6所示为6层建筑中每层都存在热源和污染源时流动与污染物的分布情况。从图6(a)可以看出：当上层房间均存在热源和污染源时，每层房间在浮升力的作用下都与外界空气进行交换，底层排出的空气被上层房间吸入，与热源和污染源经过传热传质后排出，排出的空气再次被其他上层房间吸入。由于底层排出的高温高污染的空气不断被上层吸入又排出，导致热与污染物在高层房间累积，因此高层房间内温度和污染物浓度随着楼层增加而升高。从图6(b)可以看出：双开口多层建筑中流动与污染物分布与单开口建筑具有相同的特性，即随着楼层增加，流动减弱，污染物浓度增加。但是，由于流体很容易的从底部的开口流入，再从顶部开口排出，所以，流动相对较强，导致每层房间内的污染物浓度较一个开口建筑更低。图7所示为单开口建筑在不同污染源强度时污染物的传输能力和平均浓度随着楼层的变化。从图7(a)可以看出：随着楼层的增加，传输能力降低。这是因为热与污染物不断在上层房间累积，上层房间内的浮升力减弱，导致流动减弱，从而传输速率降低。另一方面，在对流强度(Gr)较小时，流动较弱，楼层之间的影响较小，每一层的污染物传输能力几乎是相同的；在对流强度(Gr)较大时，由于楼层之间相互影响增强，不同楼层污染物传输能力有很大的差别。图7(b)明显地展示了污染物随着楼层的累积效应，污染物平均浓度随着楼层增高而增大。对于2个开口的多层建筑，变化规律与1个开口的多层建筑相同，在相同条件下，比1个开口更有利于换热与污染物的传输。

图5  热源对污染物传输速率()及不同楼层污染物平均浓度的影响(单开口3层建筑模型，Sc=1，Pr=1)

Fig. 5  Effect of heat source on average Sherwood number and average concentration based on one opening model

图6  6层建筑中流线与浓度等值线图(每层都有热源与污染源，Gr=10⁵，B_r=1，Sc=1，Pr=1)

Fig. 6  Streamlines and iso-concentrations of pollutant in three-storey buildings with one pollutant source and heat source located on each floor

Fig. 7  Average Sherwood number and average concentration variations with floor level with a pollutant source and heat source located on each floor

4  结论

(1) 在一般情况下，污染源强度越大，越有利于污染物的传输，高层房间内污染物的浓度越高，高层可能更容易受污染物的影响。

(2) 热源对污染物的传输有重要的影响，热源能促进污染物的传输，引起高层污染物浓度升高。

(3) 开窗方式影响热与污染物的传输结构，单侧有2个开口的多层建筑流动较强，更有利于污染物的传输，从而也导致高层房间更容易受到底层的影响。

(4) 当每个房间都有热源与污染源时，低层房间排出的污染物会进入高层房间，造成热与污染物的累积，房间内的平均浓度随着楼层的增加而升高。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2013-03-12；修回日期：2013-05-22

基金项目：国家自然科学基金资助项目 (51178466)；高等学校博士学科点专项科研基金资助项目 (20120162110011)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2011JQ006)

通信作者：邓启红(1973-)，男，河南潢川人，博士，教授，从事城市与室内环境研究；电话：0731-88877175；E-mail：qhdeng@csu.edu.cn