摘要
建筑物的渗透风量对室内环境和能源消耗有很大影响。本研究比较了几种确定空气渗透率的传统方法，并考察了它们在简单环境和复杂环境中应用时的准确性。此外，本文还开发了一种将计算流动动力学（CFD）与 Swami-Chandra（S-C）模型相结合的方法，用于预测周围环境对渗透风量的影响。在大连市选择了两栋建筑：一栋周围环境简单，另一栋周围环境复杂，并采用鼓风门法和示踪气体法测量了它们的空气渗透率。测试结果将用于验证不同城市环境下渗透风量求解模型的准确性。对于周围环境简单的建筑，模拟结果与实验结果的差异为0.86%-22.52%。而对于周围环境复杂的建筑，这一差异在17.42%到159.28%之间。我们发现，对于周围环境简单的建筑，大多数传统模型都能提供准确的结果，而对于周围环境复杂的建筑，模拟结果则差异很大。将CFD模拟结果与S-C模型相结合的方法可以得到更准确的结果，模拟结果与测试结果的相对误差为10.61%。结果表明，在计算空气渗透率时，应充分考虑建筑物周围的环境。本研究的结果可以指导确定空气渗透率方法的应用。
关键词：空气渗透率；CFD模拟；周围环境
为了比较不同模型的准确性，我们选择了大连市的两座建筑测试其空气渗透率。图1为简单模型建筑周围环境，图1(a)、图1(b)和图1(c)分别显示了目标建筑物及其周边的环境。在目标建筑屋顶上方1.2m处安装了一个气象站，用于记录风力参数。
图1 简单模型建筑周围环境
图2（a）显示了复杂模型目标建筑周围环境。目标楼高54米，被测房间位于7楼，离地面21米高。如图2（b）所示，该房间有一扇朝南的窗户，尺寸为1.6 × 1.5米，还有一扇与北侧走廊相连的外门，尺寸为1 × 2米。
图2 复杂模型建筑周围环境
（1）建筑物空气渗透特性的测定
（2）渗透风量测试方法
（3）传统模型简介
（4）结合CFD模型的渗透风量求解方法
通过鼓风门法获得简单和复杂建筑模型的渗透特性。简单模型的实验结果如下：(1)C=71.3m3/(h∙Pan)；(2)n=0.677；(3)室内外50Pa压差下渗透风量：974m3/h；(4)有效渗透面积Ae=209.0cm2。复杂模型的实验结果如下：(1) C=37.3 m3/(h∙Pan)；(2)n=0.54；(3)室内外50Pa压差下渗透风量：309m3/h；(4)有效渗透面积Ae=71cm2。
图7 鼓风门方法获取的建筑渗透风特性
对于简单和复杂的模型，在多个测量点测定CO2浓度。进而可以获取不同时刻，不同气象条件下的建筑渗透风量。根据气象数据和简单、复杂建筑的排布情况、位置等条件，可以利用求解模型获得渗透风量。图11(a)和图11(b)分别为简单模型和复杂模型采用传统的渗透风量求解模型时的结果与实验结果的对比。
图8 不同模型求得的建筑渗透风量
表2列出了不同模型与实验值的相对误差，可以看出，除 CpCalc+模型外，简单模型的建筑渗透风量模型求解值与实验值之间的差异相对较小，相对误差在0.86%至22.52%之间。而对于复杂模型的建筑渗透风量，模型求解值与实验值之间的相对误差在17.42%到159.28%之间。
图9为采用CFD方法进行模拟时的压力云图。获取建筑周围压力后，结合改进后的S-C模型，进而可以得到建筑渗透风量。改进的S-C模型求解结果与实验值的对比如图10所示。
图9 目标建筑周围压力云图
图10 改进的 S-C模型求解结果与实验值的对比
对于简单模型的建筑渗透风量，利用改进的S-C模型模拟结果得出的平均建筑空气渗透率与测试数据的差值为5.76%。然而，传统模型得出的建筑物渗透风量与实验值误差值也较低。比较结果表明，CFD模型在模拟周边环境简单的建筑渗透风量时没有明显优势。对于周边环境复杂的建筑，模拟结果与实验结果的差异为10.61%。CFD结合S-C模型能够准确反映目标建筑周围的环境，因此能够更准确地确定建筑的空气渗透率。与其他模型相比，CFD 结合S-C模型的准确率相比传统的求解模型至少高出6.81%。
本文对不同的空气渗透率模型及其与实验结果的对应关系进行了比较分析。这些研究结果表明，传统模型在应用于周边环境简单的建筑物时是准确的。然而，对于周边环境复杂的建筑，传统模型对求解结果显示出很大的差异性。为了解决这个问题，本文采用了结合S-C模型的CFD方法来确定空气渗透率。CFD 方法可以全面反映周围环境对目标建筑表面 Cp 值的影响。通过比较模拟结果和测试数据，发现将CFD与S-C模型相结合的方法能更准确地确定目标建筑周围环境复杂时的建筑渗透风量。
作者
Shu Zheng1,2, Xiujiao Song1, Lin Duanmu2, Yu Xue2*, Xudong Yang1,3*
论文第一作者现为清华大学建筑学院博士后郑淑；通讯作者为清华大学建筑学院建筑技术科学系杨旭东教授，清华大学百人计划, 教育部“长江学者”特聘教授；大连理工大学端木琳教授、薛雨副教授等为共同作者。感谢美国科罗拉多州国家大气研究中心王祎对论文的指导和帮助。
Zheng S, Song X, Duanmu L, et al. (2024). Comparison of models to predict air infiltration rate of buildings with different surrounding environments. Building Simulation, 17: 1007-1021.
https://doi.org/10.1007/s12273-024-1118-5
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不同周边环境下建筑物空气渗透率预测模型的比较
期刊介绍
Building Simulation 2008年创刊，是世界上第一本有关建筑模拟领域最新研究成果的英文学术期刊，跨多种学科领域，涉及建筑技术、土木工程、建筑学、环境工程、能源及动力工程等，致力于为中外同行提供一个高水平的学术交流平台。被SCI、EI Compendex、Scopus、CSCD等数据库收录。2024年SCI影响因子6.1，在JCR两个学科领域均位于Q1区；位于中科院期刊分区，工程技术类1区。
