（市政工程专业论文）中庭式百货商场在自然通风作用下室内热环境的研究.pdf

态厦理王盔堂亟班荭生望些i 金塞 一 摘要 r 自然通风足一一种比较经济的通风方式，它不消耗动力，可以获得巨大的通 风换气量，余热量较大的热车间常用自然通风进行全面换气，降低室内空气温 度。对十百赁商场，由于窜内人员较多，照明及其它设备的负荷较大，使得夏 季审内热环境非常恶劣，而中庭的引入，使商场内部形成一个自上而下的竖向 通道，在热压和风压的共同作用下，将会产生烟囱效应，从而导致巨大的自然 通风换气量。论文中对两类中庭式百货商场进行了研究，其中模型一为：底商 两层，带f 川，庭，上面为办公大楼：模型二为：两层商场，中庭上方为锯齿形 麟血。 对模型一的实验研究表明：中庭附近的风速一般为0 5 一】o m s ，是商场内 其它各点处风速的5 倍，并且，每层各个测点处的温度基本均匀，各测点之间 的温差小f0 5 0 c 。7 通过求觯热懒方程组和湿甲衡方程，对模型二进行了数值计算，计算结 果表明：在自然通风作j ：j 下，位十太原市的中庭式百货商场在整个夏季室内热 环境的口j 接受率为5 0 6 0 同时，也可得出，太原市的中庭式百货商场较 经济的空调运行时间为：6 月2 1 号一8 月2 0 号，并且应为每天1 3 ：0 0 以后再开 始运行。 由此n j 见，充分合理地利j j 自然通风柬改善中庭式百货商场的夏季室内热 环境不仅足川行的，而且具有节能作用。 关键词：、 中庭左寸百货商援自然通风 夏季室内热环境 太原理j 一太学硒土研究生毕业盈塞 a b s t r a e t n a t u r a ld r a u g h iv e n t i l a t i o n i sa ne c o n o m i c a lm e t h o do fv e n t i l a t i o n i tc a na c q u i r el a r g eq u a n t i t yo fa i re x c h a n g ew i t h o u te x h a u s t i n gd y n a m i cp o “。r g e n e r a i i v i ti su s e dt ol o w e ri n d o o ra i rt e m p e r a t u r et h r o u l g h o v e r a l la i rr e n e w a l i nt h o s e h o t - w o r k i n gw o r k s h o p s w h e r ea g r e a tq u a n t i t y o fw a s t eh e a t + i s b r o u g h ti n t ob e i n g f o rad e p a r t m e n ts t o r e ，t h e r e a r eal a r g en u m b e ro fp e o p l e a sw e l la s l i g h t i n g a n do t h e re q u i p m e n t sw h i c hl e a dt o at e r r i b l ei n d o o rh e a t e n v i r o n m e n ti ns u m m e r h o w e v e r ，b yu s i n ga na t r i u m ，av e r t i c a lp a s s a g ew i l lb e f o r m e df r o mt h et o pt ot h eb o t t o mi nt h ed e p a r t m e n ts t o r e u n d e rh e a tp r e s s u r e a n dw i n dp r e s s u r e ，i tw i l l p r o d u c eac h i m n e ye f f e c t w h i c hl e a dt ov a s t q u a n t i t y o fa i re x c h a n g e i nt h i st h e s i s ，t w os o r t so fd e p a r t m e n ts t o r e sw i t ha t r i u m sa r e s t u d i e d 。m o d e lo n ei sa m u i t i p l e a r c h e t i c u r ew h e r et h ef i r s tt w os t o r e i e sa r ea d e p a r t m e n t s t o r ew i t ha na t r i u m u p o n w h i c hi so f f i c e s m o d e lt w oi sa t w o s t o r e yd e p a r t m e n t s t o r ew i t has a w t o o t hr o o m c o v e r i n gp l a t e o v e rt h e a t r i u m e x p e r i m e n t s o fm o d e lo n e p r o v e t h a tw i n d v e l o c i t y n e a rt h ea t r i u mi s a b o u t0 5 一1 o m sw h i c hi sf i v et i m e so ft h o s eo fo t h e rp o i n t so ft h ed e p a r t m e n t s t o r e f u r t h e r m o r e ，i ti sp r o v e dt h a tt e m p e r a t u r eo fa l lp o i n t sp e rs t o r e yh a v i n g b e e nm e a s u r e di s a p p r o x i m a t e l yh o m o g e n e o u s d i s t r i b u t i o nw i t h t e m p e r a t u r e d i f f e r e n c eo fn om o r et h a no ，5 。c a m o n ga l lp o i n t s m e a s u r e d f o rm o d e it w o n u m e r i c a lc a l c u l a t i o nw h i c hi st os o l v eh e a tb a l a n c e e q u a t i o n sa n dh u m i d i t y b a l a n c ee q u a t i o ni n d i c a t e st h a tu n d e rn a t u r a id r a u 曲t 、，e n t i l a t i o n a c c e p t i n gr a t eo fi n d o o rh e a te n v i r o n m e n to fad e p a r t m e n ts t o r ew i t h a na t r i u m t h r o u g h o u tt h ew h o l es u m m e ri s 5 0 6 0 j nt a i y u a l l m o r e o v e r i t i sc o n c l u d e dt h a te c o n o m i c a lo p e r a t i n gt i m eo fa i rc o n d i t i o n i n ge q u i p m e n t so fa d e p a r t m e n ts t o r e w i t ha na t r i u mi nt a j y u a ni sf r o mj u n et h e2 l “t oa u g u s tt h e 2 0 “d u r i n gw h i c ht h e ys h o u l db eo p e r a t e d a f t e r13 ：0 0 t h e r e f o r e i ti sn o t o n l yp o s s i b l e b u ta l s oe c o n o m i c a it om a k eu s eo f n a t u r a l d r a u g h t v e n t i l a t i o n f u l l y a n d r a t i o n a l l y t o i m p r o v e i n d o o rh e a t e n v i r o n m e n to fa d e p a r t m e n t s t o r ew i t ha na t r i u mi ns u m m e r , k e y w o r d s ： a t r i u m d e p a r t m e n ts t o r e n a t u r a ld r a u g h tv e n t i l a t i o ns u m m e r i n d o o rh e a te n v i r o n m e n t 态厘堡王点堂亟土蛆强生望筵i 金塞 一一 第一章综述 第一节自然通风的应用及意义 自然通风是指利用建筑物内外空气的密度差引起的热压或风力造成的风压 束促使空气流动而进行的通风换气。自然通风是一种比较经济的通风方式，它 不消耗动力，可以获得巨大的通风换气量，余热量较大的热车间常用自然通风 进行全面换气，降低窀内空气温度。同样，自然通风也可用于民用建筑的全面 通风。 对于百货商场，由于室内人员较多，照明及其它设备的负荷较大，因此， 合理地利用自然通风，不仅可以改善百货商场夏季室内的热湿环境，而且可以 节约能源，减少投资，提高经济效益。 第二节自然通风的作用原理 如果建筑物的外墙两侧的窗孔两侧存在压力差p ，就会有空气流过该窝 孔，空气流过窗孔时的阻力就是p p = 如v 2 2 p a 式中：p 一窗u 两侧的压力差，p a v 一空气流过窗孔时的流速，m s p 空气密度，k g m s 卜窗孔的巨部阻力系数 上式改写为： v = 0 2 p p = p 2 p p 式中：”一窗孔的流量系数，= 】毒，p 值的大小与窗孔的构造有关， 一 股小十1 。 通过窗孔的空气量： l = vf ，m 3 s g = l d ，k g s 式中：f 一窗孔的面积，一 由此口j 见，只要已知窗孔两侧的压力差p 和窗孔的面积f 就日j 以求得通过该 窗孔的空气量g 。g 的大小是随p 的大小增加而增加。 。一热压作用下的自然通风 在建筑物外墙上开设高度差为h 的两排窗孔，如果室内外的空气温度和 密度分别为：tp 。和f p h 设氽r 。则称p = g h ( p 。一成) 为热压， 以此为动力而引起的通风换气称为热压作用下的自然通风。 二 风压作用下的自然通风 章外气流与建筑物相遇时，将发生绕流，经过一段距离后，气流才恢 态厦堡j ：鑫堂亟盟究生星些j 佥塞 一一 复平行流动，由于建筑物的阻挡，建筑物四周室外气流的压力分布将发生变化， 迎风面气流受阻，动压降低，静压增高，侧面和背风面由产生局部涡流，静压 降低，和远处未受干扰的气流相比，这种静压的升高和降低统称为风压。静雁 升高，风压为正，称为正压( 约为风速动压力的0 5 0 8 倍) 。静压下降， 风压为负，称为负压( 约为风速动压力的0 3 0 4 倍) 。风压为负值的区 域称为空气动力阴影。 某一建筑物周围的风压风布与建筑物的几何形状和室外的风向有关，风向 一定时，建筑物外围结构上某一点的风压值可用下式表示： p l = k p 。圪2 2 p a 式中： k 一空气动力系数， 吃一室外空气流速， m s p 。室外空气密度， k g m 3 k 值为芷，说明该点的风压为正值，k 值为负，说明该点的风压为负值。 不同形状的建筑物在不同方向的风力作用下，空气动力系数的风布是不同的， 空气动力系数要在风洞内通过模型试验求得。 同一建筑物的外围结构上，如果有两个风压值不同的窗孔，空气动力系数 大的窗孔将会进风，空气动力系数小的窗孔将会排风。 正是由于经过建筑物丽出现的压力差促使空气从窗缝和其它空隙流入室 内。 对于风压所造成的气流运动来说，正压面的开u 起进气作用，负压面的) l 起排气作用。 要计算风压作用下的自然通风量，除了掌握建筑物周围形成的空气流型的 特性资料外，还须了解风速和风向。虽然有一定的资料可供参考，但在计算时 还要在通常条件的基础上作一定的假设。 三风压和热压联合作用下的自然通风 某一建筑物受到风压和热压的同时作用时，外围结构上各窗孔的内外压差 就等于各窗孔的余压和室外风压之差( 余压是指，仅有热压作用时，窗孔内 外的压差即为窝孔内的余压，余乐等于0 的面称为中和面，余压c0 ，进风， 余压 0 ，排风) 对十某一建筑物，窗孔内外压差为： 式中： 只一窗孔的余压，p a a p = 只k p 。吃2 2 2 盘愿理：太堂亟班窥生生些诠塞 一一一一 k 窟孔的空气动力系数， n 一审外空气流速， m s p ，一室外空气密度， k g m 3 由于室外的风速和风向是经常变化的，因此，风压的作用不是一个可靠的 稳定因素 四自然通风所引起的热量交抉 l根据整个房间的热平衡，热压作用下，自然通风所带走的热量： q f = c l ip 。( f ，一t 。) k j s 式中：o 一空气的比热， k j k g 。c 厶熟压作用下的自然通风量， m 3 s p 。一室外空气密度， k g m 3 ，。一室外空气温度， 。c ，房间排风温度， 。c 2根据整个房间的热平衡，风压作用下，自然通风所带走的热量为： g = c l 2 风( f 一f 。) k j s 式中： ，一风压作用下的自然通风量， m 3 s ，。一室内空气温度， 。c 五捧风温度的确定； 有关资料中详细地对热车间在热压作用下排风l j 温度的确定进行了总结： 】当有条件时，可按与夏季室外通风计算温度的允许温差确定，对多数 车间，保证，。一，叫5 。c 的要求，一，。，= 1 0 。c ，但不应超过1 2 。c 。 式中： ，。一夏季室外通风计算温度， 。c t p 喇 风温度 f 。一室内温度 o c o c 3 太原堡王大学亟班巍生望些论受 一一一_ 2当室内散热量比较均匀，且散热强度q 不大于1 163 w m 3 时 。伸下式计算： ，。= ，。+ a t ( h 一2 ) 式中：t p 排风口空气温度， 。c ，。一室内工作区的空气温度， 。c h 厂房高度，m ，温度梯度， 。c m 温度梯度，值按下表确定： q 厂房高度 m w 一 56789l0ll12l3l415 i i 6 1o 9o 8o 7o 6o 5o 40 4o 4o3o 2 2 32 2 4 “ 1 21 2o 9o 8o 7o 6o 5o 5o 50 4o 4 4 6 5 4 77 l51 51 2llo 90 8 0 。8o 8o 80 80 5 6 98 7 09 1 51 51 31 2121 21 21 11 o0 9 9 3 1 0 5 ，8 一 1 51 51 5l51 51 51 4i 3 j 】6 ，3 3 采用温差比1 1 1 值计算： m = ( ，。一f 叫) ( ，一，。，) ( 1 ) 车间无局部排风时： f ，2 t 叫+ ( f 。t ) m ( 2 )车间有局部排风时： ，p = ，。f + f q - - c ( ，。一7 町) g 。】c ( g g 。) 式中： g 一车间所需通风量， k g s g 。车间局部排风量，k g s q 车间散发的全部显热量，k w c 一空气的比热， kj k g 。c 第三节国内外建筑热环境的数值模拟技术概观 对事内热环境进行预测和评价，已成为现代通风空调工程研究规划和设 4 一 本厘堡王大学亟班宜生望些监裒一一一计中的课题之一，而通过数值预测和评价的方法是一种有效的方法，并越来越 为人们所萤视。对于通风空调领域来说，舒适和节能成为当今建筑和设备设计 的基木课题，保护环境，利用自然能源，消减能源负荷，成为今后建筑设计的 方向，这就要求在建筑设计和设备设计中广泛应用电算模拟技术。以建筑空间 为对象的数值模拟技术应用，可从着眼点的不同而分为时间变动特性分析和空 间分布分析，也可从规模上分为宏观分析和微观分析。前者一般用于热负荷预 测分析，后者用于气流温湿度和气体浓度分布的分析。前者为量的分析，后者 为质的分析。两者的结合是环境t 程上数值模拟计算分析的理想构图。但由于 后者的非线性关系，计算量庞大等原阑，使这一结合尚难以实现，在今后相当 长时期，仍需根据目的，分别应用。目前，对于室内热环境的电算模拟方法主 要有cfd 技术和扰量分析法。 一cfd ( 计算流体动力学) 技术 随着计算机技术的飞跃发展，国外的cfd 技术已进入了实用阶段，在 围外较大的综合建筑总承包公司，设计单位，厂家都在不同程度上应用cf d ，这些仓业不仅在产品丌发制造上应用cfd ，而且从产品的性能检验到直 接参与空调系统方案设计，都广泛应用cfd 。最近，pc ( w ind o ws ) 版开始普及，使cfd 应用进一步加速。 cfd 模拟技术面临的是微观分析问题，而且物理现象复杂，紊流现象 居多，需对一些难解的非线性联立方程进行计算，故计算量庞大，精度不宜确 保，随着近年来计算机技术的飞跃发展以及cfd 软件的完善，其实用性和精 度都有了很大提高。 在另一方面，cfd 已成为室内热环境工程研究及建筑设备设计上各受 期待的技术手段，室内气流组织直接影响温湿度分布，浓度扩散，通风效率等， 聿内气流组织对聿内环境设计尤为晕要，但由于气流多为非线性现象，输入和 结果的关系的正确预测交得非常困难，在复杂的情况下，般只能借助于模型 实验和经验。对于未曾经验的设计对象，相似模型实验是常用手段，但这将花 费巨大的费用和时间，且考察范围有限，从这个意义上说，cfd 成为设计上 有效现实的技术手段。 目前，在欧美和日本，cfd 在空调设计业务中作为设计方案的效果确 认手段，在其应心中占有较大比重，进而，由于不仅是取代模型实验，应用c fd 还可扩展设计条件范围，作为最佳化设计的工具，cf d 受到许多设计者 莫大的期待。 图1 1 表示了室内热环境cfd 计算分析的流程。a 和b 为现阶段的应 用模式，c 则表示了种可逆变换模式，这是设计达到了最佳化自动设计的理 想模式，一般来说难以实现，但如果加入某种简化或限制，如对输入要素作些 简化则可实现某种程度上的可逆变换。 关于cfd 解析程序，主要有商用程序和研究者独自开发的程序。商用 5 太原理j r 盔学亟班宜生望些逾童 一 一一一一 程序以在机械t 程和航天工程领域被开发的居多，主要用于流体机械和燃烧等 领域，相比之下，由于建筑空间的热气流计算问题计算领域较大，边界条件复 杂，从某种意义上说，要比机械流体t 程领域的计算问题棘手，计算精度难以 保证，在具体应用中，有时需要以一定的技巧对边界条件和计算对象领域作适 当的简化，变则处理。以满足经济技术合理性要求。另外，具备一定的c fd 解析知识和空调设计经验是正确有效利用cfd 解析的必要条件。 ：i ”n “ir ；i i i i 。；。i + i ：i 。、。i 旧嚣：卜一竺! 竺一+ 燃“4f 1 ，“h t ”，1l 一 a l l * “ 隐喇：卜匝 愁黼一叫 l ；：? ：始卜一! 竺! 一型i 叫：嚣嚣“l l v h h * ， l l t 一 t - 一n i lk l j 邕鲨k 一圜罴凶 唑! ! ! ! ! 臣= = = ；l - ! ! ! 拉= 2 司：型竺! ! ! 图l 一1室内热环境解析系统的输入输出关系 这种状况，促使一些商用软件公司在最近努力加强与用户的交流，并陆 续推出一些建筑热气流解析专用cfd 版本，一些环境工程常碰到的如舒适性 吖价，空气品质评价，例如pmv ，空气龄等指标的计算等问题被编入cfd 软件中。从操作性方面来看，从过去只骨unix 版，转而开始向wi ndo w s 版移植，以扩大用户层次。 另一方面，非商用cfd 软件，主要是大学和研究机关的研究者自己开 发，用于专题研究的软件为主，也有由于商用软件不适合某些具体特殊用例而 由企业的技术人员独自开发。这类cfd 软件一般来说没有通用性，只局限于 特定问题的计算，为开发者本人运用。 除此之外，还有一种形式是用户改编商用软件，以适用于某种特殊的计 算目的的需要，也有与软件公司共同开发的。 在国外所使用的cfd 软件中，包括了几乎所有现行的计算手法和数学 物理模型，显示了cfd 软件的通用性，用于实际的离散化法主要有mac 法 和sim ple 法，紊流模型以标准k e 模型居多，分析坐标系多采用直角 坐标。 从总体上看，cfd 的应用已广泛步入欧美和日本的h v ac 设计领域， 而且已达到实h j 阶段。在我国，有不少高校和科研机构也进行了cfd 的研究， 较典型的模拟软件有，清华大学开发的基于cfd 的建筑环境设计模拟工具包 6 态厘理兰大学亟班巍生生些论塞 一一 de s io 二扰量分析法 将章内热环境视为房间热力系统对室内和室外扰量的响应。室外温度， 湿度，太阳辐射，云量，风速风向以及邻窜空气温度等室外热作用为外扰，照 明，设备和人体散热与散湿为内扰。较典型的模拟软件有华侨大学开发的通风 建筑室内热环境预测程序nv b tcp ，该程序的结构为：数据输入段，主程 序段及结果输出段。其结构框图见图l 一2 。 图1 2n vbtcp 程序主结构框图 这种方法的理论模型较简单，程序操作较简易，它作为一种方便快捷的 研究室内外气候与建筑自身热特性之间关系的模拟方法是令人满意的。 总之，建筑热环境的数值模拟技术已成为暖通专业领域的重要研究课题， 也是实现建筑，能源和环境可持续性发展战略的主要课题。 第四节本论文的目的和意义 我国是一个发展中国家，人均用电量仅相当于美国的1 4 ，加拿大的l 7 ，工农业的迅速发展给电力供应带来沉重的压力因此，节约能源己成为 一个非常重要的课题。 在商场建筑中，空调能耗占了最大比例，因此，建筑节能的主要对象是空 调节能，而对于带有中庭的百货商场，其特殊的建筑形式使得自然通风能够充 分发挥其作用，有利于改善夏季室内热环境，从而使中庭式百货商场在满足舒 适要求的前提下，尽可能减少空调运行时间。论文中综合了实验和数值计算两 7 态匾理工太掌亟研究生坚些诠塞一一一一一 种手段对此进行了研究。 8 太原理工太堂题鲤究生肇业i 金吏 一 第二章中庭建筑的特点以及实验和计算的建筑模型 一 ，庭建筑是一种古老的概念，也是一种很新颖的概念，根据“牛津大字典 ，解释，它是指罗马时代的中心庭院，带顶的翅廊，主要位十教堂门前根据 英国皇家地理学会解释，它是指在建筑物之内或之间的有顶庭院，通常有几个 层次，以用作为到达和流通的集中点 中庭建筑只有在全面的科学技术与生产有了高度发展的情况下，才有可能 实现并使之完善化它将室内变成了室外，也将室外变成了室内，为人们生存 与行为的空间与方式创造了种新的可能性，富有划时代的意义，因此，它具 自强人的生命力作为一个宏伟的入口空间，中心庭院及有顶盖的半公共空间， 已有二千年的历史，在砖木结构丁艺的限制下，经过多少世纪，它发展成地中 海地区和中东地区的建筑物中心的概念由于工业革命，西方世界对其全部组 成部分加上巨大的有项庭园和连拱廊，使用玻璃和铁工艺，华丽而非凡的背 景自六十年代后期以来，至今突然有了许多个”中庭建筑”，自从一百年前 的摩天大楼以来，没有一种建筑形式以这样的速度与成就在发展 从四种建筑功能来看，中庭概念比常见的现代建筑形式具有更广泛的优 点 1 文化功能 中庭唤起了人的思想意识，它们以一种在进来的建筑中已失去了的方法， 将人们放置在事物的中心它们鼓励活动：人看人和散步，在空间活动。享受 自然和社交生活它们对当今沉闷的内部空间和缺少形态的外部空间，提供了 一种视觉上的清新剂因此，中庭建筑从文化上表述了一种广受欢迎的，大众 化城市的和较少清教徒气息的建筑，并与后1 二业时代协调，同时，中庭建筑也 表达了一种可能比以前更倾向于东方思想的文化。 2 经济功能 许多中庭建筑比一般传统形式的建造要显得昂贵些，但由于它们有特别吸 引人和赢利的特性，因此，它们是成功的，中庭宾馆很少空房间，围绕中庭建 造的商店和半公室能很快地出租。 中庭建筑与同样大小的高楼相比，具有较大较多的有效地面，与大进深高 层或占满街区的低层建筑相比，它们同样能够提供浅进深的周边半公室。 这是非常珍贵的空间，对有较高地位职业的人更有吸引力，并且很容易再 分隔。这里有一种经济冈素，同样也是一种文化因素，中庭建筑能使现代建筑 物成功地再使用，最终节约投资。老式天井建筑可以改变成中厅建筑，过深的 空间可使中间挖空成为更合适的进深。 显而易见，中庭建筑的建造和管理能比一般传统建筑花费少。它们有“额 外的东西”，象有屋顶的天井，安全防火系统，可能还有特殊交通系统和景观， 但它1 门节省了高度和外墙面积。它们的建造比同样大小的高楼要快。在使用建 筑物蚶，耗费能源较少，白昼采光是较简单的，能减少热能的损失和获得，太 9 叁愿理上叁堂硒研究垒生些论塞 阳能在适当的环境中可以利用。 其经济情况是，在基建投资和使用上的耗费是较低的，但其赢利能力往往 足较高的。 3庇护功能 遮蔽的功能是中庭建筑的中心问题，被遮蔽的中心庭院本身是非常舒适 的，创造了一种在大多数城市中能得到应用的这样一种类型的空间一一种全天 候公共聚集的空间。 庭院及其周用空间之间相互影响着，是较微妙的遮蔽在起着作用，俯瞰中 庭的空间能够透光，但避风雨烈日和变幻的气候，减少了造价并增加了舒适度。 它是个双重玻璃的巨物。当中厅本身未达到充分舒适时，遮蔽的效果就更重要 了，但它可以作为种从外到里的缓冲空间和过渡空间。 4容身功能 客身的需要常是推动建筑前进的力量通常围绕在中庭周围的空间是直接 需要的，而中庭空问是一种额外的奉送，但这两者是相互影响的，中庭本身能 够提供有用的空间，除了构成门厅与可至建筑物各部分进口的交通空间外，它 的地面可作为餐厅，休息，展览或表演空间，或商场用地。它所创造的对景和 公共入口能使上部各层作为底层地面的延伸。 在以上相互有关联的四点上，中庭概念是特别值得认真地加以采用的，对 所有建筑的需要来说，它不是一捌万灵药，但是对很多需要来说，比起现代建 筑形式的全部内容中的任何部分，都会被认为是一种较好的解决方式。 从建筑物的热环境角度来讲，中庭含有两种自然现象：温室效应和烟囱效 j 彬，它既能使中庭舒适也能使中庭不舒适。温窜效应足由来自太阳的短波热辐 射，通过玻璃窗府使内部界面暖和而产，上的，莺新辐射的热将是较长的波长， 并且不会再通过玻璃葡出去，太阳的热量就这样缺得了，冬天有积极作用而复 天有消极作用。烟囱效应是高低处压不同的作用结果，中庭作为一个竖向通道， 其中的空气流动将增加吸风效应，具有“风扇能力”，给使用空间内引入穿堂 风，与温室效应所加暖的空气浮力相结合，会有一股强大的气流顺中庭通道流 向窜外。 木论文研究的是中庭式百货商场，它具有上述所列举的中庭建筑的共性， 同时又有自己的个性，这类建筑一般空间较大，货柜和陈列摆设多样，人流众 多，要合理安排顾客流动路线和货物进出路线。避免交错混杂。同时，营业大 厅要求宽敞，且有良好的通风和采光设施，柜台平面布置应有较大的灵活性， 以适应经营商品变换的需要。近年来，随着商业竞争的日益激烈，百货商场的 装潢越来越富丽堂皇，商场窀内增设了大量的照明设施以及各类灯箱广告，从 而灯光散热的负荷呈上丁 趋势，因此，人体散热和灯光负荷成为影响百货商场 事内热环境的莆要冈素。 通常，中庭式百货商场的各层均为开敞式空间，除按建筑规范设置楼梯外， 1 0 态厦理工鑫堂亟班究生生些j 金塞 中庭中还设有自动扶梯。 本论文中对两种中庭式百货商场进行研究： 模型一：底商两层，上面带有写字楼，见图2 1 。 在后续章节中，将对模型一的实验数据和计算数据进行比较。 模型二：两层商场，中庭上方为锯齿形屋面，见图2 2 。 在后续章节中，将对模型二进行较详细的数值计算。 两个模型中：门窗均为单层钢制门窗，传热系数k = 2 3 1 k j 2 h 。c ； 玻璃均为3 m i l l 厚的标准玻璃：外墙为370 栅厚的砖墙，内抹灰20 m ， 砖砌体：九= 0 81w m c ，a = o 0o1 84 一h ， 白灰： = 0 7w n l c ，a = 0 00179m 2 h ： 屋顶为：120 m 厚的钢筋混凝土板，p = 250 0k g m 3 ， = 6 0 9 k j m h c ，c = o 8 4 k j k g c ， 板上方为20m 厚的水泥砂浆，p = 18o0 k g m ， c = 0 8 4 k j k g c ，九= 2 1 k j m h o c 。 11j：itt 杰匾理j ：盘笔亟班宜生望些i 金塞 一一。 模型二丞蠹图 j 通闼 4 5 0 士o 0 0 一盟螋l 一 剖面图 i f v 4 5 0 3 9 0 、， o llllflj fl b t 7 士o 0 0 一 i 垒鱼塑q 舾图 一层和二层东西南j 四个立面上的开窗面积均为4 5 h r 窗高为15 m 东立面上开两扇1 7 , 规格：宽1 5 m 。商2 4 m 南立面上开一扇 ，规格：宽1 5 m ：高2 4 m 图2 一l模型一示意图 1 2 tli引引i 太愿理l ：叁堂硒班塞生生些论塞 。_ 一， 椹型三丞意图 立直圈 卜一塑l 一 剖面图 一量型l 一 逝图 一层和二最东西南北四个立面上的开窗面积均为4 5 i n l 窗高为i 5 m 东立面上开两角门 甫立面上开一扇门 嘞让嘲剥嘲 窗中村藏翘o o om 5 m 育2 4 m 5 m ：育2 4 m 1 5 m 图2 2模型_ 示意图 3 tl引引ff上 一一态厦堡= 丁三太堂亟班荭堡生逃论塞 一一 第三章中庭式百货商场的夏季室内温度计算模型 第一节室内热平衡方程组 中庭式百货商场的夏季室内温度状况可通过求解商场围护结构内表面的瞬 时热平衡方程以及商场室内空气的瞬时热平衡方程来进行研究。 一围护结构内表面的热平衡方程： 室内某一表面的热平衡方程为： 残! 卜硝? + 烈 + g ，= o ( 3 1 一1 ) 式中： n 一表面编号， t 一时间脚标， q 掣经对流室内空气传给n 表面的热流， k j m 2 - h 残：经传导n 表面传向室内的热流，k j m 2 h 醛i 经过窗户进入房间的太阳辐射热，以及人体，照明，设备等 室内散热的辐射成份落到n 表面上所形成的热流，”m 2 h 或二) 一室内各表面通过长波辐射热交换传给n 表面的热流， k j m 2 h l 室内表面与室内空气的对流热交换： 经对流，审内空气传给n 表面的热流谚! ? 可通过下式计算： 谚? = 。( u i o ，一，) 式中： 口。在n 表面处的对流换热系数 e ，。一室内气温， 。c u 。一内表面n 的温度， 。c 本论文中，对流换热系数参照程序nbsld 中的作法，对于垂直墙面， 对流换热系数均采用1 1 1 3 k j m 2 h 。c ；对于地板和顶板，则区分了稳定和不 稳定状态两种情况( 当顶板温度高于气温或地板温度底于气温时，认为是稳定 的，否则是不稳定的。) 不稳定时，对流换热系数取1 6 1 3 k j i n 2 h 。c ，稳定 时，对流换热系数取3 3 2 k j m 2 h o c 。 2 经传导n 表面传室内的热流： 1 4 态厦理工太堂亟班冠生坚些论塞 ( 1 )对于墙体： 残2 ) ；羔巧( ，) u 。( f 一，) 兰 j - 0 j - 0 z ：t nu 吣j 式中：一( ，) ，刃( _ ，) 第n 面墙体的周期反应系数， k j m 2 h 。c u 。o 一，) 1 表面室外空气综合温度， 。c m 所取反应系数的项数， ( 2 ) 对于屋顶： 作法与墙体相同。 ( 3 ) 对于门窗： 残 = 【l ( 1 k 。一i 口。) 】【u 。( t ) - u 。j 】 式中：k 。第n 面门窗的传热系数，k j m 2 h - 。c 口。一第ni 面1 1 窗的内表面总换热系数， k j m 2 h 。c 【4 )对十地面： 根据“民用建筑采暖通风设计技术措施”中关于空调负荷计算的规定： 被空气调节的房间没有外墙时，夏季可不计算通过地面的传热量；有外墒时， 宜计算距外墙2m 范围内的传热量。其传热系数：非保温地面取1 6 8 k j m 2 h 。c ，保温地面取1 2 6 k j m 2 h c 。本文所研究的中厅式百货商场，有四面 外墙，阕此，按有外墙时的规定来计算通过地面的传热量。 论义中所研究的建筑为非保温地面，传热系数取16 8 玎m ：- h 。c q ：】= 1 6 8 ( u 。1 一，) 【l w 一( l 一4 ) ( w 一4 ) 】( l w ) 式中：l 痨间长，m w 房间宽，t n 3 太阳辐射及室内散热辐射成分落到n 表面上的热流； 残：2s f m + f q o ( 1 一r o ) + 绞( 1 一r l ) + 绕( 1 一r e ) 】 s 。 n # l 式中： s ，太阳辐射在太阳辐射t 时刻落到n 表面上的辐射热流， j 5 本返堡王叁堂硒班究垒生些谂塞 k j 铲h q 。一室内人体散热， k j h r o 室内人体散热中对流成分的比例， 骁室内照明散热， k j h r 。一室内照明散热中对流成分的比例， q f 一室内设备散热t k j h 如室内设备散热中对流成分的比例 e 表面n 的面积， m 2 n 室内所有的传热表面数。 太阳散射平均分配在各个表面，而太阳直射辐射按70 的辐射成份落在 地面，其余按面积分配来计算。 4 室内各表面通过长波辐射热交换给n 表面的热流： 酬4 ) = q ，。( u 一u 州) 式中： u m ，一表面k 在t 时刻的温度， 。c u 表面n 在t 时刻的温度， 。c g 蛐= 4 0 9 0 巧只。 卜s t e p h a n - - - b o l t z m a n 常数， g - - - - - 2 0 8 3 l0 8k j 1 1 1 2 h k 4 一室内表面温度平均值， k e 。( 面到n 面的形状因子。 二室内空气的热平衡方程： 1 6 态厦理王盔堂亟硒窥生望些监塞一一 羔s 。口。，( u 。j u 甜，) + q o a 。+ q l 足l + q e r e g 却c ，( u 川一u 鲫，) 一 n _ l g l f ，f ，( u 。，一u 。，) 20 式中： g 熟压作用下的自然通风量， k g h g 。一风压作用下的自然通风萎， k g h u 剞 风温度， 。c u 。室外空气温度。 。c f 。一空气比热， 1 o l k j k g 。c 三自然通风的计算 l 热压作用下的自然通风 根据图3 1 对计算公式进行推导，有一建筑物如图所示，在外围护结构 的不同高度上设有窗孔1 和2 ，两者高差为h ，即：两窗孔中心间距为h 。 图3 1自然通风的建筑物 设窗孔内的静压力分别为鼻7 ，巴，窗孔外的静压力分别为只，最，室内 外的空气温度和密度分别为；，p 。和f 。，p 。设氽f 。 7 太厦理王太学亟研究生毕业论塞一 一一一 则：列l l 断面和2 2 断面的能量方程： 只，一只+ p 。k ：2 + g h ( p 。一p 。) ：巴7 一p 2 + p 。2 2 + e p 。k 2 2 即：只+ p 。k2 2 + g h ( p 。一p 。) = 只+ p 。2 2 + e p 。k 2 2 式中：“一l l 断面空气流速。m s 虬一2 _ 2 断面空气流速，m s e 一空气流经l 一1 断面处的局部阻力系数。 1 一l 断面为突然扩大损矢，冈此，局部阻力系数 = l ，2 2 断面处的空气 流速= o ，则有： 只+ g h ( p 。一p 。) 2 哎 式中：只一窗孔l 的内外压差， p a 只一窗孔2 的内外压差， p a 再列1 一l 断面和扣- 2 断面的连续性方程： p 崩a 扛酉石= p 。：a ：扛巧石 式中：a 。一窗孔l 的面积， 1 1 1 2 a ，一窗孔2 的面积， m 2 “一窗孔1 的流量系数，通常取0 6 o 6 2 ! 一窗孔2 的流量系数，通常取06 o6 2 日j 见：1 4 以 所以，上式变为： p 。a ，扛珥瓦= p 。a ，扛而 连列能量方程：只+ g 矗( p 。一p 。) = p 2 即口t 求得 1 8 态厘理王太堂亟班究生望业监塞 一 们= , o na 2z g h ( p ，一p 。) ( p ，a ? 一p 爿；) b = p 。1 22 9 h ( p 。一，。) ，( p 。a ? 一p 。爿；) + g h ( p 。一p o ) 自然通风量： l = 1 1 1a l 2 只p 。 4 历孑2 丽，i 压瓦f 万 g ，= l p ， 2 风乐作用下的自然通风 本文所研究的建筑可根据文献 24 所述进行计算，对于一栋长方形的 建筑物，风向与建筑物的一面成垂直，则气流流量的近似值可由下式求出： l = 05k av 式中：l 经过建筑物的空气流量， m 3 s k 取决与进排气口净面积比的系数， a 进气口面积， m 2 v 风速，m s 风压作用下的k 值 【排气口面积进气口面积 k 02 502l ：05 00 38 f 0 75 0 51 10 60 20 76 30 81 40 82 50 83 1 当风向偶成45 。时，则k 值减少50 。 g ，lp 。 3 排风温度的计算 论文中，如按第一章所述方法确定排风温度，计算结果偏高。因此，根 据文献 25 所述来确定排风温度，该文的研究结果表明，百货商场在自然 通风作用下，竖向温度梯度不超过o 1 7 。c m 。论文中，温度梯度取为o 0 8 5 。c m ，这与实验结果基本致。 9 太原埋j 二大学殛研究生望些逾塞 一一 u 。= u w + f ( h 一2 ) 式中：f 温度梯度，a t = o 0 8 5 。c m ， h 一商场高度，m 三热平衡方程组： 将( 3 1 1 ) 整理为室内不同表面的具体形式： 1 对于墙体和屋顶： n c t c n ( 【，一u 。，) + 芝巧( ，) u 砷( r 一，) 一 z ：( ) u 州一， + + 残3 i ) ( 3 1 3 ) 2 对于门窗： 论文中选用单层钢门，钢窗，传热系数：k = 2 3 1 k j m 2 - h c ，内表面 总换热系数：a = 3 1 5k j m 1 h c 。 所以，1 ( 1 k 一1 a ) = 1 ( i 2 3 ，l 一1 3 1 5 ) = 8 6 6k j m 2 h 。c t 2 ( u 一u ) + 8 6 6 ( 3 1 4 ) 3 对于地面： 口。 ( u 自j u 州) + 1 6 8 【l w 一( l 4 ) ( w 一4 ) 】( u ，- - u m ，) n ( l w ) + 门n 砷, t + g i 一帆l u j ，) = 0 ( 3 1 5 ) l l 以室内表面温度和室内气温为未知数，将式( 3 一l 一2 ) ，( 3 一l 一 3 ) ，( 3 1 4 ) ，( 3 1 5 ) 进行排列： 式( 3 一l 一2 ) 化为： s , c t 叫u 吨，+ s 2 口2 u 皿，十+ s d 。，( ，十( 一s , ，c t 。，。- g l c ，) ，= ；l 一9 ，r n q r 一q f r e + g 厶，c ，( u p , , - u 。，) 一g l c ，u 。， 2 0 m u一 u ( ni g 。 磐掣澎藩漤是_谤跨臻譬誓， 0 i i ) ，m u一 m u ( g ，m + q + ) w v一 )p nr u ( 。 ， ；、，i1，l j ，f，11uil 盘愿堡王太堂亟贷究生望些论室 式( 3 1 3 ) 化为： g i 。u 止，+ g 2 一u ，2 j + + ( 一口f ，。 ( 3 一l 一6 ) + g n n u | + 【。一z