英语原文共 18 页
通过开窗进行的单侧通风
P.R. 华伦 L.M. 帕金斯
摘要
通过开窗提供的自然通风是在控制无空调建筑夏季温度中起着重要作用的因素。如果这是由对流通风提供的，那么基本原理可以很好理解。但是，在许多情况下，对流通风受到限制，例如通风空间与建筑物其余部分相对密封良好。典型的例子是蜂窝式办公室或学校教室，由于隐私或噪音的原因，中央走廊的内门保持关闭，可打开的窗户位于外墙上。在这些空间中，通风是通过空间一侧的窗户进行的，而不是通过对流通风。本文讨论了“单侧”通风的机理，并结合理论模型、风洞研究和全尺寸建筑示踪气体测量，描述了一种简单的预测方法。此外，还描述了风洞和示踪气体测量，显示了开度、窗类型和窗组合对通风量大小的影响。
引言
空气通过建筑物围护结构传输的主要机制是通过风或烟囱效应在不定或专门建造的窗口处产生压差。对流通风的基本原理已被理解多年，并已纳入许多预测程序中。但是，也存在对流通风受到限制的情况，例如通风空间与建筑物其余部分密封良好。典型的例子包括学校教室或带内门的蜂窝办公室，由于隐私的原因通常保持关闭，并且只有一面外墙上有可打开的窗户。在这样的空间里，通风只能通过一侧开着的窗户进行。就目前而言，这将被称为“单侧”通风。
本文回顾了单侧通风的可用机制，并基于理论思考、风洞研究和两个建筑物的全方位示踪气体测量，为设计人员提供了一些简单的指导。
单侧通风机理
与对流通风一样，可产生单面通风的两个主要机制是（1）烟囱效应，由建筑物外壳的温差产生hellip;..
Peter Warren是首席科学官，Lynn Parkins夫人是英国WD2 7JR Watford Garston建筑研究所的科学官。
取决于穿过建筑物表面的速度变化率和窗口之间的距离。一般来说，与建筑物的总体尺寸相比，后者将很小。对于大多数建筑物，不可能超过0.1。代入式8得出的值约为0.07。从建筑物周围气流的性质综合考虑，这里产生了局部流量，值约为0.1。
湍流扩散。通过窗口的气流将是高度湍流的，湍流将在窗口处产生混合，使房间与外部空气能够交换。流程的复杂性使分析变得困难。然而，由于与建筑物本身相比，典型窗户的尺寸可能很小，因此可以合理地假设窗口或窗户附近的流体将平行于建筑物表面。忽略湍流和窗口三维效应，窗口处的流动可以简单表示为均匀流暴露于一侧速度为零的区域时形成的经典混合层。虽然高度理想化，但这种类型的流动很好理解，并为估测通过窗口的流体的湍流交换提供了初步基础。
图2为假设的流型。混合层外边缘取速度为，内边缘纵向速度为0。在雷诺数符合典型的和窗口尺寸时，流动将是湍流，空气将被夹在内边缘并在层内混合。该层的长度有限，等于窗口的长度。当它与窗口的下游边缘相交时，该层的一部分将被偏转回该空间，并且该部分将随着一般气流继续向下。后者将包含之前空间内的空气。这为某空间和外部空气之间的空气交换提供了一种机制。
这是Warren（1978）提出并讨论的数学模型的基础。对于Abramovitch (1963)得到的混合层中物质的速度和浓度分布，使用适当选择的分布曲线推导出的无量纲流动表达式如下:
(9)
是混合层扩散速度的值。Abramovitch（1963）引用了0.2到0.3之间的值，并指出自由流中的湍流会增加。Liepmann和Laufer（1947）使用几乎无湍流的自由流确定了0.23的实验值。将该值代入式9，得出的值为0.013。
如前所述，在实践中，窗口处的实际流量将与上述提出的理想化模型大不相同，主要表现在以下方面：
1. 自由流将是高度湍流，具有很大的涡流尺寸，合理的预期是: 该层将显著变厚并且扭曲，产生的值远高于Liepmann和Laufer（1947）引用的0.23。
2. 流动将是三维的，而不是二维的，特别是当局部流动方向与矩形窗口的主要尺寸之一不平行时。
两者都倾向于增加而不是减少混合。因此，的值0.013可作为最小值处理。符合上述条件（1）和（2）的测量数据寥寥无几。Brown和Solvason（1962）在研究垂直隔热隔墙矩形窗口的传热时，报告了确定平行于隔墙的流动的影响的有限实验。该气流是由窗口上游的传统空调风扇产生的，预计将是高度湍流，包含与所使用的窗口尺寸相当的涡流。高速时，窗口处的传热与格拉霍夫数无关，表明换热过程主要受气流控制，而非温差控制。这些结果用于计算两种尺寸的方形窗口的值，如下所示：
窗口尺寸
9英寸 9英寸 0.096
12英寸 12英寸 0.090
两种情况下的值分别为1.71和1.60，很显然不仅包含混合层厚度增加，还包含混合层窗口处流动的三维性质。
带叶片的单窗口。虽然湍流扩散的讨论与限于建筑表面平面的窗口（如滑动窗）有关，但许多其他窗口（如中心枢转窗和平开窗）都包括伸入局部气流的叶片。这给窗口处的流动增加了额外的复杂性，使其更不适合进行理论分析。基于这个原因，这个问题将通过后面描述的控制风洞研究解决。
烟囱和风效应。到目前为止，烟囱效应和风效应被分别考虑。实际上，在真正的建筑物中，它们将共同作用。这就引入了一个额外的无量纲变量阿基米德数Ar，用于确定流量，F.阿基米德数的定义如下:
(10)
其中Z是适当的垂直尺寸，例如单个窗口的高度h或两个窗口之间的垂直距离。
因此，对于特定建筑物上的特定窗口，由以下公式给出：
(11)
当Ar较大时，流量将趋向于仅对烟囱效应预测的流量，如公式4所示。这可以用以下形式改写：
/3) (12)
当风起主导作用时，Ar趋于零，独立于Ar。这为全面测量结果的分析提供了一个有用的基础，在这些测量中，无法控制风速、风向和外部温度等变量。如果结果以 / Ar的形式绘制，那么以烟囱效应为主导的测量值将接近一条通过原点的直线，其形式类似于方程12所定义的形式(选择适合于所考虑的窗口)。那些被风控制的测量值会偏离这条线，位于它和轴之间。
风洞研究
实验安排
通过在风洞侧壁搭建小型试验室，对高2.6 英尺 (0.8 m)、宽3.6 英尺(1.1 m)的封闭式工作截面的小型开路风洞进行了改造，如图3所示。试验室的横截面为20 英寸x 20英寸（0.5 m x 0.5 m），距离风洞壁的深度也为20 英寸（0.5 m）。试验室和风洞工作段共用的墙体被建造成允许含有各种类型窗口的面板与风洞壁平齐嵌入并密封，以防止泄漏。这种布置允许平行于保持窗口的平面诱导均匀气流，速度范围为3.5 ft/s (1.1 m/s)至17.0 ft/s (5.2 m/s)。
采用恒定注入速率示踪气体技术测量空气在窗口处的交换。一氧化二氮通过均匀分布的注入点阵列以已知的恒定速率被引入试验室，并使用类似的阵列进行采样。使用红外气体分析仪测量示踪气体的平衡浓度，并用于计算通风流量Q。对于任何给定的窗口，测量风洞速度的5到6个值。在实际应用中，对于本文给出结果的所有窗口，所测得的通风量均随风速线性增加，允许实验误差。这意味着方程式6中的函数f[ ]是常数，因此流量与雷诺数无关。
平面窗口
为了扩展平面窗口的可用数据，使用两种类型进行了测量：
——方形窗口，以及
——与流动方向垂直且等于试验室高度的最长尺寸的槽形窗口。
在自由流中不可能引起足够大的湍流来完全代表实际尺寸的湍流。然而，除了正常的均匀流外，还设置了第二种条件，即在工作段安装一个木栅格，在室壁开口中心上游5.0英尺(1.52米)处增加湍流。网格是双平面的，由1.80英寸times;0.28英寸(46毫米times;7毫米)的板条组成，长边设置为垂直于气流，在5.83英寸（148毫米）的中心处呈正方形排列。网格的大小就是在1.0 in (25mm)处的湍流L (u)的横向尺度。对湍流纵向分量的强度进行了测量，发现其强度为9.0%，相比之下，未经更改的湍流纵向分量的强度为0.8%。
图4显示了一组典型的结果，在本例中为正方形窗口，边长为12.0 in (0.25 m)。在没有网格的情况下，给出了风洞正常运行条件下的两组结果。它们是在不同的时间产生的，示踪气体的布置略有不同。这两组数据之间没有显著差异，显示出了令人鼓舞的重复性。综合以上结果，得到的值为0.023，略高于上述二维混合层模型计算得到的理论最小值0.013。
测试的窗口类型的结果总结在表1中。可以概括为以下几点：
1. 方形窗口的值明显高于槽形窗口。在后一种情况下，流动更接近理想的二维情况，并且结果支持上述论点，即三维效应可能增强混合。
2. 对于这两种类型的窗口，自由流中增强的湍流增加了的值，槽形窗口的平均值增加了60%，方形窗口的平均值增加了40%。同样，这种差异也反映了后一种情况下三维效应的作用更大。
带叶片的单窗口
通过在试验室内壁上嵌入可开窗模型，研究了开窗叶片的作用。使用三个模型窗，每个面积为40平方英寸（0.026平方米），但不同的长宽比分别为1.0、1.6和2.5。在每种情况下，对于四个开口角度：10,30,60和90°以及相对于窗口的三个流动方向0,90和180°进行空气交换率的测量。和的意义如图5所示。每一种布置都测量了5或6个风洞速度值，范围从3.5英尺/秒(1.1米/秒)到17英尺/秒(5.2米/秒)。
与平面窗口一样，测得的通风率与流速呈线性变化，表明没有雷诺数效应并且给了我们将结果应用于原尺寸模型的信心。结果如图5所示。在=0的情况下，的值明显高于其他两个方向。一种可能的解释是，对于这种情况，交换几乎完全是由于叶片存在造成的复杂的三维流动；而对于其他流动方向，湍流混合过程（与前面讨论的平面窗口过程相似）也是一个起作用的因素。为了支持这一点，可以注意到，条件= 90°和 = 90°的结果，的值约为0.025，接近于平面方形窗口所获得的值。
值得注意的是，当开口角度远大于50°时影响相对较小，但是当小于约30°时，是相对灵敏的控制手段。
两个带叶片的窗口
此外，还进行了补充研究，利用侧装式平开窗模型，研究了这两个窗口的影响。窗户是相同的，每扇窗户的长宽比为1.25，面积为20平方英寸（0.013平方米），测量仅限于与窗户平行的流动。研究了四种布置，每种布置的窗户间距从4英寸 (0.0102 米) 的0.5 到2.5倍不等。
所研究的结果和布置如图6所示。在对称布置 (a) 和 (b) 的情况下, 很难与单一窗口的结果进行直接比较, 因为很难选择适当的值。但是, (c) 和 (d) 的情况并非如此, 它们分别对应于 = 0°和180°。1.25的宽高比介于单窗口实验中使用的1.0和1.6之间。然而，这两者之间的差异相对较小，目前可采用这两种方法。对于10°和30°的开口角度，（c）的结果低于单窗口的结果，并且只有在开口角度为60°且间距大于一个窗口宽度时才会显著改善。同样的情况也适用于排列（d），其中可以将=180°的单窗口进行比较。考虑到风向同样可能在=0或180°处，最有利的布置是（a），对于60°的开口角，在50%到100%之间的单窗口上提供的整体效益取决于间距。
原尺寸测量
虽然前面几节所述的分析和风洞研究对单侧通风的可能机制和强度提供了有用的见解，但它们不能完全代表适用于原尺寸情况的条件。为此，在两栋建筑物的房间里进行了测量。
第一是为了提供数据，以便与理论研究和风洞研究进行比较。第二是用来获取一个房间中打开不止一扇窗户的总体效果的数据。
1号建筑
实验安排。测量是在一栋单层建筑的两个房间A和B中进行的。图7显示了建筑的总体视图，图8显示了房间在平面图中的位置和窗户的布置。房间A装有一对垂直滑动窗，房间B装有两个侧装的平开窗。房间的内表面密封以消除对流通风。
采用常规示踪气体衰减率技术，利用一氧化二氮和Maihak红外气体分析仪测定通风率。在每次通风率测量期间，在32.8英尺(10米)的高度测量局部风速和风向Y，并记录室内外的情况。通风率的估计测量精度为10%，风速为1.5 ftls（0.5 m/s），温度为0.4“F（0.25°C）。
结果
（1）垂直滑动窗-房间A。
研究了两个条件：
（a）一个高度为6 in（0.15 m），宽度为3.28 ft（1.0 m）的单窗口，以及
（b）两个窗口，每个窗口高度为3 in（0.75 m），宽度为3.28 ft（1.0 m），垂直间隔为3.80 ft（1.16 m）。
对、和进行了全方位的测量。使用上面列出的方法，在图9a和图9b中，每种情况的结果都以 / 的形式绘制出来。还显示了每种情况下浮力效应主导流的理论线。正如预期的那样，在布置(b)的情况下，更多的测量以浮力为主。通过观察，这些以风效应为主的结果是孤立的，也显示在图9a和图9b中，与风向y相反。
（2）侧装式平开窗——B室。
测量了一个打开到六个位置的单窗，开窗角度由斜撑的设计决定。这些值相当于4、12、20、27、34和67。使用与滑动窗相同的方法，分离出风效应主导的结果，并在图10中针对风向绘制。
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