摘要
近年来我国工业化进程的加速加剧了工业建筑室内环境的恶化，引起了越来越多的关注。自然通风可以改善室内空气质量（IAQ）并减少碳排放。为了评估浮力驱动的自然通风下工业建筑中的气态污染物水平，基于现有的热分层理论，结合低污染物的混合特性，作者建立了两种污染物冲刷理论模型（模型I和模型II）。
结果表明，室内污染物冲刷主要取决于污染源强度和有效通风面积。低浓度污染物的混合特性对通风过程中污染物的分层和演变有重要影响，但不会改变稳态下的预测结果。当室内污染源无量纲强度大于1时，应清理污染源或采用其他通风方法来改善室内空气质量。此外，模型I和模型II在瞬时污染物浓度方面的比较受到污染源强度的显著影响，实际污染物浓度更有可能介于模型I和模式II的预测值之间。为了将污染物浓度降低到所需水平，室内外污染源强度需在一定范围内。所获得的理论模型和通风效果的必要条件可用于工业建筑的通风优化设计。
关键词：工业建筑、浮力驱动自然通风、气态污染物、演化模型、污染源
近年来，我国工业化进入快速发展阶段，工业能源消耗占中国能源消耗总量的近70%，由此带来的高污染车间环境问题日益严重。气体污染物是工业生产过程主要污染物之一，其不仅污染工业建筑室内操作环境，同时会危害职业健康。此外，研究表明车间空气污染是导致呼吸道职业病发病率增加和劳动生产率降低的主要原因之一。尽管工业建筑能耗占工业能耗的比重超过15%，且大部分是环境控制能耗，但在如此巨大的能耗成本下，工业建筑环境仍不尽如人意，这也对建筑行业双碳目标的实现提出了严重挑战。因此，积极寻求节能高效的工业通风控制技术变得尤为重要。
自然通风是利用风力造成的风压或空气密度差引起的热压促使空气流动。当室外气象条件适宜，污染物浓度较低时，自然通风可有效改善室内空气质量与热环境，同时减低建筑能耗，既有利于人的生理与心理健康，又符合可持续发展的理念。因此，越来越受到室内环境控制领域学者的关注。相对而言，风力驱动自然通风与室外气象参数密切相关，具有明显的不确定性，实际操作可控性较差。另一方面，建筑室内存在形式多样的热源，尤其是工业建筑中的高温热源会释放大量的余热来驱动通风。因而，浮力驱动自然通风是工业建筑室内普遍存在的空气流动方式。
本文基于如下两种假设建立起两类预测室内气态污染物浓度冲刷的瞬时模型：其一，进入室内的新鲜空气与原始的下层空气完全分离；其二，新鲜空气与室内下层空气均匀混合。此外，假设通风过程中室内上部区域（包括非均匀层和中间层）污染物始终均匀混合。由于羽流从热源处上升至天花板所用时间短暂，可忽略，故仍将羽流到达顶部的时刻作为污染物演化的初始时刻。
2.1 理论模型
2.2 通风有效性
2.3 屋内污染物演变规律
本文基于热分层理论建立了两类模型用于预测工业建筑浮力驱动瞬时自然通风室内污染物演变规律，发现室内下部污染物的混合特性对通风期间的室内污染物分层和浓度有重要影响，但不影响稳态时刻污染物分布情况。在通风过程中，应当依据室内外污染源强度及时调整通风方法来提升室内空气品质。模型I和模型II的预测结果主要受到污染源强度的影响，室内实际污染物浓度介于模型I和模型II的预测值之间。为了将室内污染物浓度降低到所需水平，污染源强度应限制在一定范围内，给出的通风效果必要条件可用于工业建筑的通风优化设计。
研究了工业建筑中浮力驱动瞬态自然通风气体污染物排放
建立了两类理论模型用于预测工业建筑中气态污染物冲刷
探讨了室内外不同污染源对室内污染物浓度演变的影响
给出了浮力驱动自然通风未来应用效果的必要条件
作者
Jiawei Zhuang1,3, Genyang Chen2, Rumeng Yang1, Kun Han3, Dongdong Tian4, Yongfa Diao3*, Henggen Shen3
论文第一作者为常州大学城市建设学院庄加玮博士，2021年毕业于东华大学，目前在上海交通大学设计学院连之伟教授课题组从事博士后研究工作，研究方向为室内空气品质与人体健康、睡眠质量，担任CAHVAC 青年学术委员会委员，江苏省制冷学会青年工作委员会委员，入选 2023 年江苏省科技副总项目（省级科技人才），累计发表 SCI/EI 检索论文 20余篇。通讯作者为东华大学刁永发教授，共同作者还有东华大学沈恒根教授，东华大学博士生韩坤，南京大学田东东博士生，以及常州大学研究生陈庚阳、杨如梦。
Zhuang J, Chen G, Yang R, et al. (2024). A theoretical study on gaseous pollutant flushing of natural ventilation driven by buoyancy forces in industrial buildings. Building Simulation, 17: 575-589.
https://doi.org/10.1007/s12273-023-1092-3
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工业建筑浮力驱动自然通风气态污染物冲刷的理论研究
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。
