鄭 潔，謝柱維，田亞軍，盧 軍

(重慶大學(xué) 城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，重慶 400045)

隨著人民生活水平的不斷提高，人們對室內(nèi)空氣質(zhì)量要求也越來越高，而居住建筑主要依靠自然通風(fēng)方式來滿足室內(nèi)空氣質(zhì)量的要求.相關(guān)文獻(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)，隨著窗戶開口面積的增大，房間的通風(fēng)效果隨之增強(qiáng)[1-2].然而隨著汽車數(shù)量的持續(xù)增長，交通噪聲帶來的影響也越來越大.在歐盟地區(qū)，超過40%的居民幾乎全天受到交通噪聲的干擾，其中20%的居民受到的交通噪聲污染超過65 dB(A)[3].對于臨街居住的居民而言，開窗實(shí)現(xiàn)室內(nèi)自然通風(fēng)與營造舒適的室內(nèi)聲環(huán)境是相互矛盾的舉措.因此，既要隔聲降噪，又要滿足室內(nèi)空氣質(zhì)量要求是居住建筑研究中亟需解決的問題之一.

為此，國內(nèi)外學(xué)者主要針對自然隔音通風(fēng)窗的性能進(jìn)行深入研究與分析.Kang等[4]將透明微穿孔薄膜應(yīng)用到交錯(cuò)結(jié)構(gòu)窗戶的玻璃上，不僅增強(qiáng)了室內(nèi)采光能力，同時(shí)避免了吸聲材料的二次污染.Nishimura等[5]設(shè)計(jì)了一種通風(fēng)與照明結(jié)構(gòu)交錯(cuò)的窗戶，雖然其可以防雨降噪以及通風(fēng)采光，但該類窗戶整體降噪性能并不突出.Yu等[6]采用有限元的方法，研究了上下交錯(cuò)開口整體通風(fēng)的隔聲窗的聲學(xué)性能.Huang等[7]、Kwon等[8]對安裝控制源的隔聲通風(fēng)窗進(jìn)行研究，但其降噪效果依賴于控制精度.

綜上所述，雖然隔音通風(fēng)窗的設(shè)計(jì)及研究成果取得了較大進(jìn)展，但其實(shí)際通風(fēng)效果不利于調(diào)控，受室外氣象條件影響較大，且內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜.針對現(xiàn)有隔音通風(fēng)窗的不足之處，本文設(shè)計(jì)了一種新型隔音通風(fēng)裝置[9-10]，該裝置具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單，通風(fēng)量相對穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn). 本文通過實(shí)驗(yàn)對裝置的隔聲性能和通風(fēng)效果進(jìn)行研究，并建立Simulink仿真模型對影響裝置通風(fēng)效果的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析.

1 裝置工作原理及模型介紹

隔音通風(fēng)裝置的工作原理如圖1(a)所示，裝置室內(nèi)側(cè)和室外側(cè)分別設(shè)有進(jìn)風(fēng)口、排風(fēng)口以及活動擋板，裝置中部的通風(fēng)腔室內(nèi)設(shè)有動力機(jī)構(gòu)和開關(guān)控制機(jī)構(gòu)，譬如扇形機(jī)構(gòu). 工作時(shí)，依靠動力機(jī)構(gòu)上的葉片產(chǎn)生氣流進(jìn)行通風(fēng)，同時(shí)控制機(jī)構(gòu)控制室內(nèi)側(cè)和室外側(cè)的活動擋板周期性地啟閉，確保裝置在工作過程中，始終只有室內(nèi)側(cè)或室外側(cè)與通風(fēng)腔室進(jìn)行空氣交換，而室內(nèi)側(cè)和室外側(cè)并沒有直接連通.故裝置在保持通風(fēng)換氣的同時(shí)，隔斷了室外噪聲通過風(fēng)道傳遞到室內(nèi)的路徑，從而能夠最大程度地起到隔音降噪的作用.

裝置模型如圖1(b)所示，裝置尺寸為0.9 m(長)×0.5 m(寬)×0.4 m(高),其中通風(fēng)腔室尺寸為0.5 m(長)× 0.5 m(寬)×0.4 m(高)，室內(nèi)側(cè)及室外側(cè)風(fēng)口尺寸均為0.135 m(寬)×0.250 m(高).通風(fēng)腔室的中部及底部分別設(shè)置了直流電機(jī)1(功率為28 W，轉(zhuǎn)速為20 r/min)和帶調(diào)速器(功率為6 W)的直流電機(jī)2(功率為25 W，轉(zhuǎn)速為1 620 r/min).

2 研 究

2.1 系統(tǒng)介紹

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括隔音通風(fēng)裝置(如圖1所示)和房間模型.為研究裝置的隔聲性能和通風(fēng)效果，實(shí)驗(yàn)中搭建了一個(gè)尺寸為1.0 m(長)×1.0 m(寬)×1.0 m(高)的房間模型，房間一側(cè)下部設(shè)置了一開口，用于與實(shí)驗(yàn)裝置連接，其尺寸與實(shí)驗(yàn)裝置橫截面尺寸一致.此外，房間另一側(cè)中部設(shè)置了一個(gè)帶玻璃板的開口，用于模擬房間窗戶，其尺寸為0.25 m(寬)×0.25 m(高).

圖1 隔音通風(fēng)裝置的原理及模型

Fig.1 Schematic and model of sound insulation ventilation device

2.2 方案設(shè)計(jì)

隔聲實(shí)驗(yàn)測試了5種工況下的房間噪聲值以及不同頻率環(huán)境噪聲下的房間隔聲效果.5種工況分別為：1)開啟窗戶；2)關(guān)閉窗戶；3)關(guān)閉裝置；4)啟動裝置(50%風(fēng)量)；5)啟動裝置(100%風(fēng)量).其中，前2種工況下，房間下側(cè)開口均未與實(shí)驗(yàn)裝置連接，并作密封處理.而后3種工況下，房間窗戶均處于關(guān)閉狀態(tài).

通風(fēng)實(shí)驗(yàn)測試了啟動裝置工況下的通風(fēng)口風(fēng)速以及關(guān)閉窗戶和啟動裝置工況下，房間CO2體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化，其中采樣間隔為5 min.

2.3 測點(diǎn)布置及主要儀器

通風(fēng)口風(fēng)速測量采用在通風(fēng)口對角線均勻布置5個(gè)測點(diǎn)的方案.由于噪聲計(jì)和CO2檢測儀的尺寸相對較大，且無可伸縮的探頭，而測量過程中需保證房間的氣密性，故CO2體積分?jǐn)?shù)以及噪聲的測量均采用在房間中心處布置一個(gè)測點(diǎn)的方案.

主要實(shí)驗(yàn)儀器及規(guī)格型號見表1所示.

表1 實(shí)驗(yàn)儀器及規(guī)格型號

2.4 結(jié)果及分析

2.4.1 隔聲實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

裝置室內(nèi)側(cè)和室外側(cè)活動擋板的輪流啟閉導(dǎo)致房間噪聲值呈周期性變化.環(huán)境噪聲越大，房間噪聲值的周期性變化越弱，房間噪聲值的波動幅度最大約1.5 dB.為方便分析起見，文中啟動裝置工況下的房間噪聲值取一個(gè)周期內(nèi)房間噪聲的平均值.

由圖2可知，隨著環(huán)境噪聲的增大，各工況下(開啟窗戶、關(guān)閉窗戶、關(guān)閉裝置、啟動裝置)的房間噪聲值均上升.其中，開啟窗戶時(shí)房間噪聲值比關(guān)閉窗戶時(shí)高4～6 dB，啟動裝置時(shí)房間噪聲值比關(guān)閉裝置時(shí)高2～3 dB.由于裝置室內(nèi)側(cè)及室外側(cè)均設(shè)有隔音棉，因此圖2顯示，關(guān)閉裝置時(shí)房間噪聲值比關(guān)閉窗戶時(shí)低2～3 dB，說明安裝該裝置后，房間的隔聲效果得以改善.從圖2中可知，關(guān)閉窗戶、啟動裝置(50%風(fēng)量)以及啟動裝置(100%風(fēng)量)這3種工況下的房間噪聲值相當(dāng).

圖2 不同工況下的房間噪聲

噪聲按頻率可以分為低頻噪聲、中頻噪聲以及高頻噪聲.其中頻率在200 Hz以下的噪聲屬于低頻噪聲，500～2 000 Hz屬于中頻噪聲，2 000～16 000 Hz屬于高頻噪聲[11].為分析環(huán)境噪聲頻率對裝置隔聲效果的影響，實(shí)驗(yàn)中分別選取了頻率為150、200、1 000、1 500、3 000、5 000 Hz的環(huán)境噪聲，結(jié)果如圖3所示.在開啟窗戶和關(guān)閉窗戶(均未安裝裝置)工況下，房間噪聲隨著環(huán)境噪聲頻率的上升而增大，說明了房間對于中、高頻噪聲的隔聲效果較差.隨著環(huán)境噪聲頻率的上升，啟動裝置和關(guān)閉窗戶工況下，房間噪聲的差值減小，說明了該裝置對于中、高頻噪聲的隔聲效果較好.

2.4.2 通風(fēng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)中測試了開關(guān)控制機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動10圈所需時(shí)間為30 s，即其轉(zhuǎn)動周期為3 s，其中室內(nèi)側(cè)和室外側(cè)與通風(fēng)腔室的通風(fēng)換氣時(shí)間均為1 s.此外，實(shí)驗(yàn)期間電機(jī)平均功率為0.06 kW.

通風(fēng)口風(fēng)速測量結(jié)果顯示，裝置室內(nèi)側(cè)進(jìn)、排風(fēng)口的平均風(fēng)速分別為0.17 m/s和0.19 m/s，裝置室外側(cè)進(jìn)、排風(fēng)口的平均風(fēng)速分別為0.18 m/s和0.21 m/s，說明裝置4個(gè)通風(fēng)口的風(fēng)量基本相等.由于裝置存在少量的滲透風(fēng)量，因此室內(nèi)側(cè)及室外側(cè)進(jìn)風(fēng)口的平均風(fēng)速比排風(fēng)口低約0.03 m/s.裝置室內(nèi)側(cè)和室外側(cè)空氣阻力不相等，導(dǎo)致室內(nèi)側(cè)進(jìn)、排風(fēng)口的平均風(fēng)速均比室外側(cè)低約0.02 m/s.

圖3 不同頻率環(huán)境噪聲下的房間隔聲效果

Fig.3 Sound insulation effect of the room under ambient noise of different frequencies

在對裝置通風(fēng)效果和房間自然滲透通風(fēng)效果的實(shí)驗(yàn)研究中，被測房間CO2體積分?jǐn)?shù)初始值為1 224×10-6，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境CO2體積分?jǐn)?shù)為610×10-6，測試時(shí)間為3 300 s.房間CO2體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化如圖4所示，啟動裝置時(shí)，在0～1 500 s內(nèi)，房間CO2體積分?jǐn)?shù)下降速度較快，而在1 500～3 300 s內(nèi)，CO2體積分?jǐn)?shù)下降速度較慢，最后穩(wěn)定在612×10-6左右，與實(shí)驗(yàn)室環(huán)境CO2體積分?jǐn)?shù)相近.由此可見，當(dāng)裝置通風(fēng)量一定時(shí)，房間與實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的CO2體積分?jǐn)?shù)差越大，裝置通風(fēng)效果越好.關(guān)閉窗戶時(shí)，房間CO2體積分?jǐn)?shù)在自然滲透作用下緩慢下降，3 300 s時(shí)房間CO2體積分?jǐn)?shù)為1 165×10-6.由此可見，與裝置通風(fēng)效果相比，房間自然滲透通風(fēng)效果較差，難以滿足室內(nèi)空氣品質(zhì)要求.

圖4 裝置通風(fēng)效果和房間自然滲透通風(fēng)效果的對比

Fig.4 Comparison between the ventilation effect of the device and the ventilation effect of natural infiltration of the room

3 Simulink仿真模擬研究

3.1 隔音通風(fēng)模型的建立與簡化

國內(nèi)外學(xué)者已建立了大量的建筑通風(fēng)模型及計(jì)算模型，包括良好混合化學(xué)反應(yīng)器模型[12]、混合因子模型[13]、多區(qū)域模型[14]以及雙層皮幕墻自然通風(fēng)模型[15]等.這些通風(fēng)模型的局限性在于，室內(nèi)送風(fēng)CO2體積分?jǐn)?shù)是相對穩(wěn)定的，而該裝置的送風(fēng)CO2體積分?jǐn)?shù)是變化的.因此，本文建立了一種適合于該裝置的新型隔音通風(fēng)模型(如圖5所示)及裝置新風(fēng)量計(jì)算模型.

圖5 裝置室內(nèi)側(cè)通風(fēng)模型

根據(jù)CO2質(zhì)量守恒定律，裝置室外側(cè)通風(fēng)模型方程為

同理裝置室內(nèi)側(cè)通風(fēng)模型方程為：

裝置新風(fēng)量計(jì)算模型方程為

式中：Vm為通風(fēng)腔室體積；Cm為通風(fēng)腔室CO2體積分?jǐn)?shù)；t為時(shí)間；Qw為室外側(cè)進(jìn)風(fēng)量；Cw為新風(fēng)CO2體積分?jǐn)?shù)；Q3為室外側(cè)滲透進(jìn)風(fēng)量；Q1為室外側(cè)排風(fēng)量；V為房間體積；Ci為房間CO2體積分?jǐn)?shù)；Qs為室內(nèi)側(cè)排風(fēng)量；Q2為室內(nèi)側(cè)進(jìn)風(fēng)量；Q5為房間滲透排風(fēng)量；Q4為室內(nèi)側(cè)滲透進(jìn)風(fēng)量；Qw1為裝置新風(fēng)量；S為房間CO2散發(fā)量.

由于通風(fēng)腔室及房間CO2體積分?jǐn)?shù)分布是非均勻的，故計(jì)算時(shí)需對其進(jìn)行離散化處理.為了便于研究，對隔音通風(fēng)模型作如下的簡化和假設(shè)：

1)4個(gè)通風(fēng)口的風(fēng)量相等；

2)忽略房間的滲透排風(fēng)量；

3)通風(fēng)腔室及房間CO2體積分?jǐn)?shù)均勻分布.

簡化后，裝置室外側(cè)通風(fēng)模型方程為

同理，裝置室內(nèi)側(cè)通風(fēng)模型方程為：

在進(jìn)行森林撫育工作的開展過程中，相關(guān)的林業(yè)單位必須要按照國家制定的《森林撫育規(guī)程》的技術(shù)規(guī)定進(jìn)行操作，從而科學(xué)的選擇森林撫育技術(shù)，針對實(shí)際森林的情況進(jìn)行科學(xué)的選擇，最終確定撫育方法。并且林業(yè)部門的工作人員需要對森林撫育地點(diǎn)的實(shí)際情況進(jìn)行探查，并且將視察結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確的上報(bào)，從而讓上級部門對實(shí)際情況進(jìn)行分析，最終制定科學(xué)的撫育方案，保證森林撫育的有效性。

裝置新風(fēng)量計(jì)算模型方程為

3.2 Simulink仿真模型的建立

根據(jù)簡化的隔音通風(fēng)模型方程以及裝置新風(fēng)量計(jì)算模型方程來建立Simulink仿真模型.如圖6所示，Simulink仿真模型從上到下可分為裝置室外側(cè)通風(fēng)模型、裝置室內(nèi)側(cè)通風(fēng)模型以及裝置新風(fēng)量計(jì)算模型.

圖6 Simulink仿真模型

3.3 Simulink仿真模型的驗(yàn)證

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別設(shè)置仿真模型中各參數(shù)值，其中人體CO2散發(fā)量取5.46×10-6m3/(人·s)[16-17].Simulink模擬結(jié)果如圖7所示，房間CO2體積分?jǐn)?shù)的實(shí)驗(yàn)值與模擬值存在一致的規(guī)律性，誤差均在±7%以內(nèi)，表明了Simunlink仿真模型能較好地反映裝置的通風(fēng)效果.

圖7 模擬值與實(shí)驗(yàn)值的對比

3.4 裝置通風(fēng)效果的影響因素分析

通風(fēng)量和通風(fēng)腔室體積均影響裝置的經(jīng)濟(jì)性、合理性以及適用性.因此，通過研究裝置通風(fēng)量及通風(fēng)腔室體積對裝置通風(fēng)效果的影響規(guī)律，為裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考.仿真模型中的新風(fēng)CO2體積分?jǐn)?shù)取400×10-6，初始時(shí)刻房間及通風(fēng)腔室的CO2體積分?jǐn)?shù)均取1 000×10-6，房間尺寸取4 m(長)×3 m(寬)×3 m(高)，模擬時(shí)間取7 200 s.

圖8所示的數(shù)據(jù)均為房間在7 200 s這一時(shí)刻的CO2體積分?jǐn)?shù).從圖8中可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)通風(fēng)腔室體積一定時(shí)，隨著風(fēng)速的增大，房間CO2體積分?jǐn)?shù)下降量的增加率逐漸減小.當(dāng)風(fēng)速增大到某個(gè)值后，房間CO2體積分?jǐn)?shù)下降量的增加率幾乎保持不變.這是由于通風(fēng)腔室CO2體積分?jǐn)?shù)與房間CO2體積分?jǐn)?shù)接近相等，導(dǎo)致通風(fēng)腔室CO2體積分?jǐn)?shù)基本達(dá)到飽和狀態(tài)，即裝置的通風(fēng)效果已基本失效.故本文規(guī)定當(dāng)風(fēng)速增大到某個(gè)臨界值后，房間CO2體積分?jǐn)?shù)下降量的增加率小于3%時(shí)，該臨界值對應(yīng)的通風(fēng)量稱為裝置的經(jīng)濟(jì)通風(fēng)量.

圖8 通風(fēng)量及通風(fēng)腔室體積對裝置通風(fēng)效果的影響

Fig.8 Influence of ventilation volume and ventilation chamber volume on ventilation effect of the device

綜上所述，當(dāng)通風(fēng)腔室體積與經(jīng)濟(jì)通風(fēng)量匹配時(shí)，裝置的經(jīng)濟(jì)性最佳.從圖8可發(fā)現(xiàn)，尺寸為0.5 m(長)×0.5 m(寬)×0.4 m(高)的通風(fēng)腔室的經(jīng)濟(jì)通風(fēng)量對應(yīng)的風(fēng)速約為2.0 m/s，結(jié)合通風(fēng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，實(shí)驗(yàn)裝置的經(jīng)濟(jì)性并非最佳.因此，實(shí)驗(yàn)裝置的優(yōu)化方案為：根據(jù)實(shí)際葉片尺寸，合理地減小通風(fēng)腔室體積并增大裝置通風(fēng)量.

3.5 裝置通風(fēng)效果模擬

某尺寸為4 m(長)×3 m(寬)×3 m(高)的單人間臥室，作息時(shí)間為22:00～8:00. 22:00時(shí)刻房間CO2體積分?jǐn)?shù)取600×10-6，通風(fēng)腔室及室外新風(fēng)CO2體積分?jǐn)?shù)均取400×10-6.采取裝置通風(fēng)效果的影響因素分析的優(yōu)化方案，在仿真模型中調(diào)整實(shí)驗(yàn)裝置尺寸為0.65 m(長)×0.45 m(寬)×0.30 m(高)，通風(fēng)腔室尺寸為0.45 m(長)×0.45 m(寬)×0.30 m(高)，調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速使通風(fēng)口風(fēng)速達(dá)0.7 m/s.模擬結(jié)果表明，在22:00～8:00的作息時(shí)間段內(nèi)，臥室CO2體積分?jǐn)?shù)較好地控制在1 030×10-6以內(nèi)，新風(fēng)量能達(dá)到351.6 m3，即35.16 m3/h.

4 結(jié) 論

1)裝置運(yùn)行時(shí)室內(nèi)噪聲值與關(guān)閉窗戶時(shí)相當(dāng)，表明裝置在實(shí)現(xiàn)通風(fēng)的同時(shí)，還具有良好的隔聲效果.尤其對于中、高頻環(huán)境噪聲，裝置的隔聲效果更理想.

2)通風(fēng)實(shí)驗(yàn)表明，Simunlink仿真模型能較好地反映裝置的通風(fēng)效果.當(dāng)通風(fēng)腔室體積與經(jīng)濟(jì)通風(fēng)量匹配時(shí)，裝置的經(jīng)濟(jì)性最佳.

3)仿真結(jié)果表明，采用進(jìn)一步優(yōu)化后的裝置，單人間臥室新風(fēng)量能達(dá)到35.16 m3/h，室內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)可控制在1 030×10-6范圍內(nèi)，滿足室內(nèi)空氣質(zhì)量要求.