浙江大学学报(工学版)

浙江大学学报(工学版), 2023, 57(3): 591-597 doi: 10.3785/j.issn.1008-973X.2023.03.017

土木工程

风压通风中排风风帽的影响

何国青,, 唐艺甜

浙江大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310058

Influence of exhaust wind cowls on wind driven ventilation

HE Guo-qing,, TANG Yi-tian

College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China

收稿日期: 2022-02-21  

基金资助: 国家自然科学基金资助项目（51678518）

Received: 2022-02-21  

Fund supported: 国家自然科学基金资助项目（51678518）

作者简介 About authors

何国青（1975—），男，教授，博士，从事建筑环境和节能研究.orcid.org/0000-0002-7667-2335.E-mail：guoqinghe@zju.edu.cn , E-mail：guoqinghe@zju.edu.cn

摘要

为了研究建筑高位排风口排风时风压影响因素以及风帽的作用，设计太阳能烟囱建筑缩尺模型，通过风洞试验，对比普通弯管出口和2种风帽（百叶型和挡板型）对建筑风压分布及烟囱内通风量的影响. 结果表明：在梯度风下，进出口高度差对风压通风的影响不可忽视，当出口位置高于入口位置时，出口处风压往往大于入口处风压. 当屋顶普通弯管出口遇到迎面风向时，产生的与烟囱热羽流方向相反的倒灌通风会破坏烟囱的气流组织设计. 2种风帽均可阻止气流倒灌，其中挡板型风帽综合性能更优. 通风量除了在侧风向低于弯管出口28%外，在迎风和背风方向上均为三者最大，并分别高出弯管出口57%与33%. 在包括太阳能烟囱在内的建筑高位排风设计中，除了入口应尽量处于主流风向的迎风面外，出口应布置在高位，并推荐使用挡板型风帽.

关键词： 风帽 ; 太阳能烟囱 ; 风压通风 ; 风洞实验 ; 梯度风 ; 开口布置

Abstract

A scaled model of solar chimney building was designed and tested in a wind tunnel, to investigate the impact of wind pressure related factors and wind cowls on the discharging performance of high exhaust of a building. A comparison study between a common elbow outlet and two wind cowls (a louver type and a baffle type) was conducted to investigate their influences on wind pressure distributions and the resulting ventilation rate. Results show that under the gradient-profiled wind, the influence of the net height difference between the inlet and outlet on the ventilation rate cannot be ignored. The resulting wind pressure at the high exhaust was in general greater than that of the lower inlet. When the roof-mounted elbow outlet was facing the wind, the reverse flow occurred, which was against the chimney flow and weakened the stack ventilation design. Both wind cowls prevented the reverse flow. However, the baffle type was superior to the other. It produced the largest ventilation rate among the three outlets except for the side-wind case, where its flow rate was 28% lower than that of the elbow outlet case. The flow rate of the baffle type outlet was 57% and 33% higher than that of the elbow outlet in the windward and leeward directions, respectively. In the design of building ventilation systems with high exhaust, such as solar chimneys, the inlet needs to be placed at windward side as much as possible, while the outlet needs to be placed as high as possible. And the baffle type wind cowl is recommended.

Keywords： wind cowl ; solar chimney ; wind driven ventilation ; wind tunnel test ; gradient wind ; openings arrangement

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本文引用格式

何国青, 唐艺甜. 风压通风中排风风帽的影响. 浙江大学学报(工学版)[J], 2023, 57(3): 591-597 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2023.03.017

HE Guo-qing, TANG Yi-tian. Influence of exhaust wind cowls on wind driven ventilation. Journal of Zhejiang University(Engineering Science)[J], 2023, 57(3): 591-597 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2023.03.017

自然通风是建筑被动设计的重要内容，利用热压效应的太阳能烟囱通风技术作为太阳能建筑应用中的低碳技术，其重要性被重新认识. 学者对太阳能烟囱通风的研究主要集中在热压通风本身，研究太阳能烟囱的几何结构（如烟囱宽度、高度、倾斜角度、间隙深度等）[1]、布置方法[2]、辐射等环境参数[1-3]对通风效果的影响. 纯热压的太阳能烟囱通风流动已有较成熟的解析模型，如单区域模型[4-5]、分层模型[6-7]、烟羽模型[8-9]，其中只有烟羽模型经过场地数据的验证[10]，在该场地实验中，使用挡风板以消除风压的影响.

太阳能烟囱通风一般采用高位排风. 实际应用中，风压的影响不可忽略[11]，风压既可能加强也可能会削弱热压产生的通风效果，甚至产生倒灌现象（空气由太阳能烟囱出口流向进口）[12]. 针对风压如何影响太阳能烟囱建筑热压通风的研究较少，现有研究大多集中于外部环境风的风速、风向方面. 比如，Hosien等[13]通过建立数学模型，考虑了入射太阳辐射，风速，环境温度，太阳能烟囱的高度、间距和宽度等参数对通风性能的影响. Neves等[14]利用Energy Plus和风洞实验，研究风干扰对太阳能烟囱性能的影响. 该研究的结论是风速对风量影响较大，质量流量随着风速的增加而增加；即使在低环境风速下（如0.6 m/s），当出口遇到迎风时，烟囱的体积流量将显著降低. Shi[15]对太阳烟囱与风的相互作用进行数值和理论研究，发现风速高并不代表太阳烟囱的性能一定好，影响太阳能烟囱性能的还有风向角α，即风向与带窗墙的外法线之间的角度，α = 0°为最佳风向角. 在真实风环境中，大气边界层的流动特性使得风在不同高度呈梯度分布，不仅进出口的相对方位，而且其相对高度都对烟囱的风压通风有重要影响. 因此太阳能烟囱建筑出口设计，须考虑梯度风下风压. 必须指出，烟囱出口与捕风器的应用功能不同，后者是风压通风的入口，利用高处的环境风产生的正压通过风口和风道将风最大限度地引入建筑内部，再通过窗户或其他开口排出室外 [16-18]. 此外，为了消除或降低风压的影响，出口可以设置风帽[19]，但有关风帽的实际效果的数据较少.

针对上述问题，搭建太阳能烟囱建筑的缩尺模型，通过风洞实验，研究在梯度风作用下，出口设置弯管、2种不同的风帽对太阳能烟囱建筑风压分布及通风量的影响.

1. 风洞实验

1.1. 实验方案

如图1所示，实验在浙江大学土木水利工程实验中心风洞试验平台中进行，风洞试验段长18.0 m，宽4.0 m，高3.0 m. 实验模型根据相似原理，采用缩尺模型，房间及烟囱模型按照1∶10的比例缩小，并使用厚3.0 mm的透明亚克力板制作尺寸为0.3 m×0.3 m×0.3 m的建筑模型. 实验中阻塞率为0.8%，低于现有文献建议的最大允许值3%[14，20]. 如图2所示，该模型由正方形的房间和位于房间背面的太阳能烟囱组成. 房间的正面和左侧面各预设1个可以开启的窗口. 2个入口尺寸均为0.10 m×0.04 m，烟囱通道尺寸与之相同. 烟囱配置3种出口：普通弯管出口和2个带挡风功能的风帽. 风帽模型也按1∶10的比例缩小，并且保持出风有效面积和烟囱通道截面积相当. 当使用弯管时，整体模型高度为0.46 m. 如图3所示，2种风帽分别为百叶型风帽和挡板型风帽. 模型放置在风洞内的转盘上，旋转转盘可以获得不同的风向角，本研究测试4个方向的风向角，分别为0°、90°、180°、270°.

图 1

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图 1   风洞实验布局

Fig.1   Wind tunnel test layout


图 2

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图 2   太阳能烟囱建筑模型及测点分布

Fig.2   Solar chimney building model and distributions of measuring points


图 3

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图 3   风帽模型及测点分布

Fig.3   Wind cowl models and distributions of measuring points


风洞来流呈梯度分布，满足指数律风剖面关系式：

$ U\left(Z\right)={U}_{\mathrm{r}}{\left(\frac{Z}{{Z}_{\mathrm{r}}}\right)}^{a} . $

式中：Ur为参考高度 $ {Z}_{\mathrm{r}} $处的风速；a为根据地形类别确定的指数律，对于城市中的民用建筑，选择地形类别为第2类，即城镇及郊区近地面，a = 0.22. 通过在风洞中布置合适的障碍物，获得合适的速度分布，如图4所示为在模型位置测得的5个不同风速下的指数风曲线.

图 4

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图 4   风洞实验中的5种风剖面 (参考高度为0.45 m)

Fig.4   Five wind profiles in wind tunnel test (reference height is 0.45 m)


1.2. 测点布置

实验使用风速计（TSI9545: 精度为±0.015 m/s）测量开口打开时太阳能烟囱通道内的风速. 使用电子压力扫描阀系统（范围为0~±25 Pa，精度为±0.15%）测量和记录建筑模型的内、外表面压强，频率为166 Hz. 实验主要测量各表面的中心点和进出口中心的压强，为了掌握出入口周围的压强分布，在出入口四周布置测点共32个. 测点位置布置见图2（a）、图3，其中有2个测点未在图2中标示，分别为背面中心点19（正对入口1）和右侧面中心点20（正对入口2）. 大部分测点均同时测量内外表面压力，纯数字标号表示外压测点序号，带“’” 数字标号表示内压测点序号. 对于开口中心的测点（3、8、17），当开口封闭时，测量的是外表面压强；当开口打开时，测量的是来流的总压（即皮托管管口截面平行于出口平面）.

1.3. 风压系数

考虑到大气边界层的流动特性，用梯度风模拟现实中的来流， 湍流的风廓线在模型表面的不同高度产生不同的压强. 开口关闭时测得的压强结果如表1所示. 表中，pin、pout分别为入口处、出口处测得的压强，Δp为进出口位置间的风压差. 无量纲量风压系数 $ {C}_{{{p}}} $的表达式为

表 1   进出口中心位置处的风压比较(参考风速为5 m/s)

Tab.1  Comparison of wind pressures at center of inlet and outlet (reference velocity is 5 m/s)

工况 开口封闭 开口打开
$ {p}_{\mathrm{i}\mathrm{n}} $ $ {p}_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}} $ Δp $ {p}_{\mathrm{i}\mathrm{n}} $ $ {p}_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}} $ Δp
Pa
1 9.518 12.766 −3.248 10.499 15.023 −4.525
2 −5.749 −10.434 4.685 −6.551 −7.928 1.377
3 −1.398 −10.026 8.628 −0.776 −7.297 6.521
4 −5.504 12.766 −18.270 −5.062 16.254 −21.316
5 −1.509 −10.434 8.925 −1.606 −6.238 4.633
6 −6.213 −10.026 3.814 −5.272 −7.677 2.405
7 9.212 −6.163 15.375 9.309 −6.511 15.821

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$ {C}_{{{p}}}=\frac{P_s-P_r}{0.5 \rho U_r^2} . $

式中： $ {p}_{\mathrm{s}} $为表面静压， $ {p}_{\mathrm{r}} $ 为参考高度处的参考风压，ρ为气流密度.

2. 结果与分析

2.1. 风压系数分布

如图5所示为当开口均为封闭、 $ {U}_{\mathrm{r}} $ = 5 m/s时，风向为工况1的太阳能烟囱建筑模型表面的风压系数分布. 图中给出文献[21]的风洞测量数据，以进行比较. 图中横坐标为各边沿箭头所示方向的无量纲距离. 文献[21]的模型为没有太阳能烟囱的标准立方体，风压系数计算的参考点高度为立方体高度. 为了方便比较，本研究的数据也采用模型高度（0.30 m）作为参考高度. 对于迎风面测点A与顶面测点B，2组实验测得的风压系数基本一致，在其他2个面（侧面D、背面C)，虽然均为负压，但本实验的数值偏小. 虽然实验受太阳能烟囱弯管的影响，数值与文献略有不同，但是点C、D与参考文献风压系数的差值一致，因此本风洞实验结果与文献基本一致.

图 5

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图 5   梯度风作用下2种模型的表面风压系数比较

Fig.5   Comparison of surface pressure coefficients between two models under gradient wind


如图6所示为文献[21]中均匀流作用下的风压系数. 对比图5和图6，梯度风和均匀来流在风压分布和大小上均有明显差别. 在分布上，虽然风压正负值分布相同，即迎风面为正，其他3个面(顶面、侧面和背面)均为负，但梯度风下迎风面的风压略低，分布更均匀，顶面负压值随流程增加急剧下降，背风面和侧风面风压分布比较均匀. 均匀流下的迎风面风压系数在低中部相对均匀，但在高处随高度增加急剧下降，顶面和侧面风压分布较均匀，背风面风压负值随高度降低而降低. 与均匀流相比，梯度风的侧面风压和背风压均更低. 城市建筑群中的风压比较复杂，上述结果表明，在太阳能烟囱通风设计中，必须考虑当地风速分布规律.

图 6

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图 6   均匀流作用下正方体模型表面风压系数[21]

Fig.6   Pressure coefficients of cube model under uniform flow [21]


2.2. 弯管出口实验结果

2.2.1. 进出口风压差

如图7所示，根据风向和进口分布的不同组合，实验工况分7种，工况1~3使用入口1（入口2关闭），工况4 ~7使用入口2（入口1关闭）. 当开口封闭和开启时，房间进口（测点3、8）及烟囱出口（测点17）位置测得的风压差结果如表1所示.

图 7

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图 7   房间进出口布置以及4个风向角

Fig.7   Layout of room inlet and outlet and four tested wind directions


当开口封闭时，在梯度风作用下，模型迎风面风压为正，且位置较高的出口处风压大于低位置的入口处风压；侧面与背风面均出现负压，且位置较高的出口处风压小于位置较低点处的风压. 对于同一高度，位于背风面的负压比侧面的负压更大（工况5和工况6比）. 表1中，当进出口压差Δp为负时（工况1和工况4）意味着出现倒流，即空气从太阳能烟囱流向房间，流动方向与热压设计方向相反. 在实际中，这会抵消部分或全部热压的影响[22]. 工况4出现倒灌，原因是出口在迎风面正压区，而入口在侧面的负压区. 工况1中，虽然进出口都在迎风面正压区，但是在梯度风下，更高的出口面风压大于处于低处的入口面，因此烟囱内产生倒流. 太阳能烟囱出口一般位于高处，因此在实际设计过程中，须在出口采取措施以避免烟囱内产生倒流，比如使用风帽. 当开口打开时，表1中的出口压强实际为烟囱流动的静压，入口压强为烟囱流动的背压或全压. 但烟囱内流速（< 1 m/s）多小于外部环境风速，因此可以认为压强主要受外部风压的影响. 测量得到的进出口压差符号和大小与封闭时的一致，除工况7进出口压差变化不大外，其他工况开口后的进出口压差均比封闭状态的压差小.

2.2.2. 弯管出口的体积流量

当房间进出口打开时，7种工况下体积流量 $ {q}_{_V} $随来流风速的变化关系如图8所示. 可以看出，房间内的 $ {q}_{_V} $随着外环境风速的增加而增加. 工况4、7的 $ {q}_{_V} $大于其他5种工况结果，但这2种工况进出口方位不一致. 其中工况4的出口位于迎风面，入口位于侧面的负压区，由表1的压差可知为倒流工况，是理想的捕风布置形式；工况7的出口位于侧面负压区，入口位于正面迎风区，流量最大，流向也与热压差方向一致，是最理想的太阳能烟囱出入口布置形式. 太阳能烟囱的出口往往在高位，在梯度风作用下，高位的风压系数更大，因此一旦处于迎风位置，必然产生倒流. 只要出口不在迎风面，就不会产生倒流.

图 8

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图 8   进出口不同方位布置下的体积流量

Fig.8   Volume flow rates under different layouts of inlet and outlet


2.3. 风帽出口实验结果
2.3.1. 进出口风压差

选取入口1作为房间入口，如表2所示为参考风速为5 m/s时弯管出口和2种风帽情况下的进出口处内侧压强. 表中， ${ \overline{p}}_{\mathrm{i}\mathrm{n}} $、 $ {\overline{p}}_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}} $分别为入口和出口压强平均值，Δ ${ \overline{p}}$ $ ={\overline{p}}_{\mathrm{i}\mathrm{n}}-{\overline{p}}_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}} $. 安装风帽后，高位出口的风压均比弯管出口时的低，尤其是出口位于迎风面的工况1，这有益于削弱风压通风对热压通风的不利影响. 实际上，安装风帽后烟囱入口处的压强均大于出口处压强，即百叶型和挡板型风帽均能够避免倒流现象的产生. 比较进出口压差：挡板型风帽在α=0°、180°的压差相比无风帽状态的有明显增大.

表 2   不同出口形式的房间进出口处内侧压强（参考风速为5 m/s）

Tab.2  Measured pressures at inlet and outlet of room with different exhausts (reference velocity is 5 m/s)

类型 α/(°) pin/Pa $ {\overline{p}}_{\mathrm{i}\mathrm{n}}/\mathrm{P}\mathrm{a} $ pout/Pa $ {\overline{p}}_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}/\mathrm{P}\mathrm{a} $ Δ $ {\overline{p}} $/Pa
测点6′ 测点7′ 测点9′ 测点10′ 测点15′ 测点16′ 测点13′ 测点14′ 测点11′ 测点12′
百叶型风帽 0 7.872 8.132 7.898 7.740 7.910 5.249 5.032 5.025 5.066 4.972 5.085 5.071 2.839
90 −5.635 −5.604 −5.612 −5.426 −5.569 −7.092 −7.282 −7.145 −6.709 −7.533 −7.129 −7.148 1.579
180 −1.852 −1.571 −1.744 −1.512 −1.669 −2.887 −2.938 −2.918 −3.074 −2.934 −2.868 −2.936 1.267
挡板型风帽 0 5.359 5.365 5.304 5.393 5.355 −3.640 −3.748 −2.769 −3.324 −3.178 −3.399 −3.343 8.690
90 −5.310 −5.413 −5.346 −5.127 −5.299 −6.654 −6.674 −6.557 −6.709 −6.645 −7.087 −6.721 1.422
180 −2.990 −2.959 −3.090 −2.676 −2.928 −8.296 −8.250 −7.899 −8.187 −8.080 −8.400 −8.185 5.257
弯管出口 0 12.679 12.766 12.851 12.345 12.660 13.662 13.382 14.973 14.971 14.825 14.779 14.432 −1.772
90 −6.391 −6.312 −6.132 −6.318 −6.289 −8.592 −8.656 −8.357 −7.898 −8.575 −8.485 −8.427 2.140
180 −3.951 −3.890 −3.725 −3.738 −3.826 −7.738 −7.836 −7.951 −7.996 −7.624 −7.716 −7.810 3.984

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2.3.2. 风帽出口的体积流量

如图9所示为2种类型的风帽与弯管出口状态下的体积流量对比. 可以看出，所有测量情况下的体积流量仍然随着风速增加而增加. 对比安装不同类型出口时的房间流量，结合压强分布结果分析可以得到：1）对于百叶型风帽，所有方向上均未出现倒流，但 $ {q}_{V} $相应减小. 当α =0°时， $ {q}_{V} $比弯管迎风情况（逆流）平均减小15%；当α =90°时， $ {q}_{V} $减小48%；当α =180°时， $ {q}_{V} $平均减小63%. 2）对于挡板型风帽，所有方向均未出现倒流，但 $ {q}_{V} $有增大也有减小. 当α =0°时， $ {q}_{V} $比弯管出口平均增大64%；当α =90°时， $ {q}_{V} $平均减小28%；当α =180°时， $ {q}_{V} $平均增大26%. 2种风帽均消除了弯管出口由于迎风而存在强倒流的风险，适合太阳能烟囱的出口设计. 从体积流量的角度来看，挡板型风帽的性能优于百叶型风帽的性能.

图 9

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图 9   3种排风口下体积流量和参考风速的关系

Fig.9   Volume flow rates versus reference velocity at three exhausts


3. 结　论

(1)针对风压设计中进出口布置以及风帽对建筑高位排风的影响，设计了太阳能烟囱建筑缩尺模型，通过风洞试验，研究弯管出口和2种风帽（百叶型和挡板型）对烟囱通风的影响.

(2)在高位排风设计计算过程中，应考虑实际风环境中梯度风的作用. 在布置房间开口位置时，海拔越高，对应位置处的正压越大、负压越小. 太阳能烟囱出口处于高位，普通弯管出口在迎风时会出现与热压通风方向相反的倒流. 在设计中，应把烟囱出口设置在主流风向的背风面或侧面；房间进口优先布置在迎风面，原因是此时风压通风可以大大增强热压通风效果.

（3）出口使用风帽可以避免倒流现象，本研究结果表明，挡板型风帽的性能优于百叶型风帽的性能. 与弯管出口相比，百叶型风帽在风向角分别为0°、90°、180°时的风压通风体积流量分别减少15%、48%、63%；挡板型风帽在3个风向角上的体积流量分别为增大64%、减小28%、增加26%. 因此，在太阳能烟囱出口设计中推荐使用挡板型风帽.

（4）实际建筑自然通风是热压和风压综合作用的结果. 研究中有关风压通风的结论不受热压存在与否的影响. 如需同时考虑风压和热压，可以分别计算进出口处风压压差和热压压差，再进行叠加.

（5）研究结果证实了可以通过合适的风貌设计减少风压对热压通风的不利影响，但高处风压本身也是能源，通过诸如捕风塔技术可以直接用来进行建筑通风. 下一步计划结合捕风塔技术，研究在不减弱热压通风的情况下，最大限度利用风压通风.

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