非稳态风热环境下建筑立面对室内外湍流特性及污染物扩散的影响机理

Investigations on the airborne infection cases in high density residential buildings found that the exhausted air flow from the window could transport along with the building façade and reenter into the adjunct rooms, which would induce cross-infection and air borne disease break out. However, there are limited researches regard on pollutants inter-unit dispersion in buildings with envelope features on façade. Thus, this study aims to investigate the effects of typical envelope features on building turbulence flow characters and pollutants dispersion routes by on-site measurement, scaled external experiment and CFD (Computational fluid dynamics) simulations. At first, we will use the scaled external experiment results to validate the CFD simulation and build the accurate mathematic models of the unsteady boundary condition, then analyze the effects of different envelope features on turbulence parameters and pollutants dispersion in and around buildings under wind and buoyance induced natural ventilation. By combine the wind and buoyance effects, the different Froude (Fr) Numbers’ effect on pollutants dispersion can be clarified. Lastly, couple outdoor and indoor environment, investigate the envelope features’ effects on natural ventilation and estimate the infection risk distributions in various units based on Wells-Riley model. The study could reveal the turbulence characters and pollutants inter-unit dispersion in buildings with different façade design. The purpose is to improve the accuracy of unsteady natural ventilation simulations and improve green building envelopes design guidelines from the aspect of improving indoor air quality and airborne diseases control.

研究发现在高密度住宅中，空气传染病会随自然通风沿建筑外立面跨户传播并导致交叉感染。相关研究多基于平滑外立面的理想建筑模型，而未考虑建筑立面凸起构件对室内外气流的影响所导致的污染物浓度计算误差。本项目拟采用实地测量、缩尺尺度外场实验结合CFD数值模拟的技术路线，研究不同立面构件对室内外气流湍流特性与污染物扩散的影响机理。首先，通过各方法间相互验证标定，建立非稳态风、热边界下的自然通风数学模型；然后，研究风、热压分别主导及两者耦合作用下，不同立面构件所形成的局部涡流、温差对室内外气流热分层稳定性及污染物传播路径的影响规律；最后，展开室内外多尺度耦合模拟，考察不同立面构件建筑的自然通风效率，并基于Wells-Riley模型评估污染物跨户传播的感染概率。研究可为建筑自然通风和污染物扩散数值模拟提供更完善的非稳态边界数学模型。同时从提升室内空气品质与疾病控制的角度，为建筑外立面优化设计提供理论依据。

传统对于城市风环境的研究多关注建筑密度、建筑布局等较大尺度的影响因素，对建筑立面构件这类较小尺度的因素则鲜有涉及，而本项目是对已有研究的有力补充。首先，本项目关注街谷这一城市的重要组成部分，并借助风洞实验与计算流体力学（CFD）模拟分别对街谷平面布局、街谷长宽比和高宽比、立面构件以及建筑高度变化为街谷内风环境和污染物扩散带来的改变进行了探讨；其次，通过对具有四种不同立面构件的建筑模型进行模拟，本项目也研究了来流风向、上游扰流建筑以及外立面遮阳构件对同一多层建筑物内污染物跨户传播的影响；同时，基于街谷内建筑各楼层窗口处的污染物浓度、深圳市人口年龄组成、各年龄段人群活动时间分配以及在不同微气候条件下的呼吸速率计算得到近路居民的个人污染物摄入百分比（P_IF）和每日污染物暴露指数（Ed），定量评估了近路居民的污染物暴露风险。此外，本项目还借助缩尺尺度外场试验研究了非稳态风热环境下、风热压耦合作用下的建筑立面构件对于近壁面湍流特性和污染物扩散的影响，以及不同边界条件下建筑立面构件对建筑近壁面风压和温度分布及热分层稳定性的作用规律；同时还通过无量纲参数B检验了风压、热压对自然通风的主导作用，并指出当高宽比为1的街谷内自然通风由风、热压同时驱动时，立面构件可以提高街谷的自然通风效率，完善了传统研究在风、热压耦合作用方面的欠缺，也为冬暖夏热地区绿色建筑外立面设计提供了准确的参考依据。在研究经典立面构件的基础上，本项目还探究了其他立面设计因素（立面绿化、立面色彩）对城市风热环境的影响，并基于实地测量和软件模拟分别探讨了四种不同立面色彩对建筑外立面温度的影响和六种不同的立体绿化布置形式对室外行人层热环境的作用规律。依托本项目，负责人已在国际著名期刊《Building and Environment》发表SCI论文3篇，以及中文期刊论文3篇和会议论文5篇，申请发明专利1项，研究成果应用于行业标准3项，作为主编单位成员参与行业标准编写1项。