080 高层住宅中庭内混合通风影响因子及其气流特性研究.doc

高层住宅中庭内混合通风影响因子及其气流特性研究湖南大学土木工程学院 侯素娟 李念平 张敏慧 李靖 何东岳摘要：中庭，俗称为“天井”，因其良好的通风特性及结构特征被广泛应用于各建筑中。高层住宅建筑内中庭因其独有特性，各国学者就其自然通风、热舒适、火灾气流、采光、能耗等方面进行了深入的研究，而混合通风因其理论的复杂性少有研究。本文针对高层住宅中庭内混合通风的影响因子（热源分布、风机位置、风机风量）进行正交分析，同时对混合通风下中庭内部的气流特性进行研究。结果表明，混合通风能有效增加中庭空间的排风量，对中庭排风量影响最大的是顶部风机，其次是内窗风机，二者之间又存在交互作用。此外，安装内窗风机使得中庭相应位置处的温度有一定程度的升高，而顶部风机能降低中庭内的温度，中庭内风速随着建筑高度逐渐增加，内窗风机作用时中庭内风速有一定的波动。关键词：中庭 高层住宅建筑 混合通风 正交分析 气流特性1. 引言中庭，俗称为“天井”，是一个古老的概念。在国外，最早的中庭诞生于地中海和中东地区的伊斯兰建筑1，在国内，中庭的布局最早见于西周的宫殿（宗庙）建筑（公元前1000年前后）2，是中国古代建筑文化特征之一。随着现代科学技术的发展以及土地资源的紧缺，高层住宅建筑逐渐盛行，而重“私密空间”轻“公共空间”，重“建筑”轻“自然”，重“纯粹居住”轻“城市生活”等缺陷3使得中庭出现于高层住宅建筑结构中，并区别于公共建筑的中庭结构：面积小，高度高，内空，无顶，主要用于通风换气。针对高层住宅建筑中庭结构特性，国内外学者对其内部及其周围住户空间的自然通风、热舒适、采光等方面做了深入的研究4 - 9，此外，重庆大学的林国真、刘方等10-12特别针对中庭空间的火灾烟羽流特性以及能耗方面做了研究。而混合通风由于其理论的不完善以及复杂性，少有研究。混合通风（Hybrid Ventilation）包括自然通风和机械通风。混合通风是一种节能型的通风模式，通过自然通风和机械通风的相互转换或同时使用来实现。本文特指在热压通风的基础上辅以风机排风的混合通风模式。为了研究高层住宅建筑中庭空间内部混合通风的影响因子及其气流特性，选择影响高层住宅建筑中庭内混合通风的几个因子（热源分布、风机位置、风量大小等）进行正交设计13并分析混合通风下中庭内部的气流特性。2. 正交设计 a) 平面图 b) A-A剖面图 c) 三维图图1 模型平面图、剖面图及三维视图（单位：m）本文设定安装于中庭出口处的风机为顶部风机，一个，排风量为0或24m3/s两个水平，安装于热源房间连接中庭窗口处的风机为内窗风机，一个，排风量为0或5 m3/s两个水平，考虑到横断气流对中庭垂直气流的阻断作用，内窗风机的安装位置分别位于建筑的第5层或第9层，模型如图1所示。而对于热源的分布，考虑到内窗风机安装于建筑的单侧，因此，热源呈不对称分布，建筑总发热量不变，采取集中分布和分散分布形式（表1），正交设计参考物理量为中庭的排风量V（m3/s），采用基于Fluent开发的Airpak软件模拟计算得到。表1 热源分布形式模拟工况加热楼层特征描述case11-6单侧集中分布case21-3，15-17两侧中、下集中分布case35-7，18-20两侧中、上集中分布case41-3，18-20两侧上、下集中分布case51，2，15，16，9，10两侧分散分布case61，2，5，6，19，20两侧分散分布2.1 热源不对称集中分布 表2 热源不对称集中分布正交设计表 （风量：m3/s）处理数模拟工况（A）顶部风机风量(B)内窗风机风量(C)内窗风机安装位置(D)排风量(V)1case1（1）0（1）0（1）中（1）17.212case1（1）24（2）5（2）上（2）22.953case2（2）0（1）0（1）上（2）17.624case2（2）24（2）5（2）中（1）22.855case3（3）0（1）5（2）中（1）19.36case3（3）24（2）0（1）上（2）22.57case4（4）0（1）5（2）上（2）19.58case4（4）24（2）0（1）中（1）22.78T1，j40.1640.4741.842.28T2，j73.6391.08T3，j80.1184.6T4，j82.1484.57y1，j20.0820.2420.921.14y2，j18.4122.77y3，j20.0321.15y4，j20.5421.14当热源不对称集中分布时，选择L8（423）正交表。其模拟计算结果见表2，正交分析结果见图2。从表2可以看出，同时加入顶部风机和内窗风机的中庭排风量最大，从图2的正交分析可知，对中庭排风量影响最大的是顶部风机，其次是内窗风机，热源分布次之，而内窗风机的安装位置影响较其他三个因子最小。图2 正交分析结果2.2 热源不对称分散分布 表3 热源不对称分散分布正交设计表 （风量：m3/s）处理数模拟工况（A）顶部风机风量（B）AB内窗风机风量（C）ACBC内窗风机安装位置（D）排风量（V）1case5(1)0（1）10（1）11中（1）17.162case5(1)0（1）15（2）22上（2）19.473case5(1)24（2）20（1）12上（2）22.764case5(1)24（2）25（2）21中（1）22.835case6(2)0（1）20（1）21上（2）16.966case6(2)0（1）25（2）12中（1）20.097case6(2)24（2）10（1）22中（1）22.728case6(2)24（2）15（2）11上（2）22.66A1B118.32A1B222.75A2B118.52A2B222.69A1C119.96A1C221.15A2C119.84A2C221.38B1C117.06B1C219.78B2C122.74B2C222.74a) AB互作 b) AC互作 c) BC互作图3 表3的交互作用分析结果当热源不对称分散分布时，考虑到热源分布、顶部风机和内窗风机的交互作用，采用L8（27）正交表。其模拟结果见表3，交互作用分析结果见图3。可知，热源位置与顶部风机没有交互作用（图a），而对内窗风机虽没有交互作用，但是二者关系比顶部风机要密切（图b），而顶部风机和内窗风机之间存在一定程度的交互作用（图c）。3. 中庭气流特性分析在中庭内混合通风特性研究中，选择三个代表工况进行分析，即case1（热源集中于一侧）、case3（热源两侧集中分布）和case6（热源两侧分散分布），分别研究这三个工况下，单独加顶部风机或内窗风机以及二者同时作用时中庭内的气流特性。图4表示的是各代表工况下中庭内风速和温度的曲线图。其中，case1内窗风机安装于第5层，case3和case6的内窗风机单独作用时安装于第5层，顶部风机和内窗风机同时作用时内窗风机安装于第9层。从图中可以看出，温度分布中，安装内窗风机使得中庭相应位置处的温度有一定程度的升高，而顶部风机能降低中庭内的温度。当热源分布位置有所改变时，中庭内的温度各有不同。热源非对称单侧集中分布时安装了内窗风机后顶部风机对中庭内温度分布没有影响，而热源非对称两侧集中分布时，只安装内窗风机或顶部风机时中庭顶部温度有一定程度的升高。风速分布中，中庭内风速随着建筑高度逐渐增加，内窗风机作用时中庭内风速有一定的波动。a) case1温度曲线图 b) case1风速曲线图 c) case3温度曲线图d) case3风速曲线图 e) case6温度曲线图 f) case6风速曲线图图4 代表工况下中庭内混合通风气流特性曲线图4. 结论（1） 对中庭排风量影响最大的是顶部风机，其次是内窗风机，二者相互影响。热源分布形式对内窗风机的影响大于对顶部风机的影响，而内窗风机的安装位置较其他三个影响因子来说，其影响最小。同时使用顶部风机和内窗风机能有效增大中庭的混合通风量。（2） 内窗风机使得中庭局部温度有一定的升高，而顶部风机能降低中庭内的温度。当热源分布位置有所改变时，中庭内的温度各有不同。热源非对称单侧集中分布时安装了内窗风机后顶部风机对中庭内温度分布没有影响，而热源非对称两侧集中分布时，只安装内窗风机或顶部风机时中庭顶部温度有一定程度的升高。风速分布中，中庭内风速随着建筑高度逐渐增加，内窗风机作用时中庭内风速有一定的波动。参考文献1 李恕建.中庭空间发展的研究分析与启迪D：合肥工业大学硕士学位论文.安徽：合肥工业大学，2005，1-122 雷平，王向阳.中国传统民居的中庭建筑空间J.南昌大学学报（人文社会科学版），2005，36（1）：64-683 苏勇，虞大鹏垂直城市高层住宅的过去、现在与未来J城市建筑，2009.1：19-224 Hisashi Kotani, Ryuji Satoh, Toshio Yamanaka. Natural ventilation of light well in high-rise apartment building J. Energy and Buildings, 2003,35:427-4345 Hisashi Kotani, Masaya Narasaki, Ryuji Sato, et al. Environmental assessment of light well in high-rise apartment building J. Building and Environment, 2003,38,283-2896 Jae-Hun Jo, Jae-Han Lim, Seung-Yeong Song, et al. Characteristics of pressure distribution and solution to the problems caused by stack effect in high-rise residential buildings J. Building and Environment, 2007,42,263-2777 D.Costola, D.W.Etheridge. Unsteady natural ventilation at model scale-Flow reversal and discharge coefficients of a short stack and an orifice J. Building and Environment, 2008,43,1491-15068 邓巧林.具有中庭空间的高层住宅建筑自然通风特性研究D：湖南大学博士学位论文.长沙：湖南大学.2006，1-749 崔允华. 高层中庭住宅建筑环