建筑中庭热压自然通风设计

建筑中庭热压自然通风设计研究摘要：中庭热压自然通风设计是中庭建筑物理环境设计中需要重点考虑的问题，需要建筑师和工程技术人员共同研究解决。其中，通风换气量的大小和中和面的位置是关键的考虑因素。对于后者而言，设计不当会出现中庭热空气在高处倒灌进入功能房间的情况发生，严重影响高层房间的热环境。本文将利用流体网络方法，将中庭热压自然通风问题简化为一个流体网络问题，通过求解非线性方程组，对影响中庭热压自然通风换气量以及中和面位置迁移的各个因素进行研究和分析，并提出指导设计的一些基本原则和方法。关键字：中庭热压自然通风中和面1.引言自1967年约翰波特曼在亚特兰大的海特摄政旅馆首次引入现代意义上的中庭建筑形式之后，在世界范围内掀起了一股建造中庭的热潮，在各种类型的公共建筑中都出现了中庭[1]。中庭作为公共建筑整体的一部分，其构成的共享空间具有某种开放感和自由感，使得室内空间具有室外感，迎合了人们热爱自然的天性，因而得到了广泛的应用。中庭通常具有不同于一般建筑形式的特点：大体量、高容积以及大面积的玻璃屋顶或者玻璃外墙，如何维持中庭良好的物理环境成为建筑师和工程技术人员需要共同协商解决的问题。中庭有两种明显的气候控制特点：温室效应和烟囱效应。温室效应是由于太阳的短波辐射通过玻璃温暖室内建筑表面，而室内建筑表面的波长较长的二次辐射则不能穿过玻璃反射出去，因此中庭获得和积蓄了太阳能，使得室内温度升高。烟囱效应是由于中庭较大的得热量而导致中庭和室外温度不同而形成中庭内气流向上运动。为了维持中庭良好的物理环境，应针对不同季节采用不同的气候控制方式。冬季：白天应充分利用温室效应，并使得中庭顶部处于严密封闭状态，夜晚利用遮阳装置增大热阻，防止热量散失。夏季：应采取遮阳措施，避免过多太阳辐射进入中庭，同时应利用烟囱效应引导热压通风，中庭底部从室外进风，从中庭顶部排出。同时注意，要避免室外新风通过功能房间进入中庭，否则将导致该功能房间新风量增大而导致冷负荷大幅度增加。过渡季：当室外温度较低时（如低于25°C时候），则应充分利用中庭的烟囱效应拔风，带动各个功能房间自然通风，及时带走聚集在功能房间室内和中庭的热量。在中庭热压自然通风设计中，换气量和中和面的位置是其中关键的考虑因素，尤其对于后者而言，设计不当会导致中庭热空气在高处倒灌进入主要功能房间的情况发生，严重影响高层房间的热环境。本文将利用流体网络方法，将中庭热压自然通风问题简化为一个流体网络问题，通过求解非线性方程组，对影响中庭热压自然通风换气量以及中和面迁移的各个因素（如开窗高度、面积等）进行研究和分析，从而能提出指导建筑中庭自然通风设计的一些基本原则和方法。2.数学模型以一个带有中庭的四层楼的建筑作为分析对象，热压自然通风示意图和简化的通风网络图如图1所示，网络图由室外节点、室内节点和中庭节点构成，门窗等构成通风网络的阻力部件。图1建筑热压自然通风网络图针对上述通风网络图，按照流体网络的方法，可列出下述方程组：其中，为各支路的通风气流流量。为各支路阻抗。为中庭各节点的空气密度；为室外空气密度。为中庭各层的平均标高，为中庭顶部排风窗的平均标高。上述五个方程，有五个未知数，是一个非线性可解方程，可利用EES计算软件求解该方程。研究中和面位置的迁移情况，实际上就是研究各个支路的流向问题，如果支路流量计算结果为负值，则表明与图中所示的流向相反。对上述方程组分析可知，热压中和面位置的主要影响因素包括：中庭各层节点标高，中庭各层的温度，各层阻力元件S值的影响，即中和面位置。此外，对于通过一个大开口的湍流流动，压降可以用下式求得[2]：，因此。（6）其中：A－开口面积，m2Cd－开口系数，取决于开口的特性和流动的雷诺数Re；因此，可认为S主要取决于窗户的开口面积。余3领.响计算结果与分兄析抛通过建立上述鸭数学模型，能端够对影响各个自支路的通风量息和气流方向进伙行仔细的分析励，并从而能判中断中和面的变来化特征。由于楚文章的篇幅有颠限，并考虑到艺在中庭热压自伤然通风设计中粗，影响较大的辰通常是中庭高表处的排风窗的准设计，因此本办文重点对排风丘窗的设计参数如进行分析。尺3.1喘生改变中庭排风希窗的高度崇对于此四层建贪筑而言，为了拴避免出现第三泻、四层热压自做然通风出现倒惜灌现象，建筑撤师通常会考虑瘦提高中庭排风暗窗的高度，甚弊至会通过采用缠专门的通风烟旬囱以希望抬高颜中和面位置。肯图吊2障是随着中庭排皂风窗位置的提朴高，中庭各个屿支路流量的变工化曲线图。其沟它计算条件是奶：室外节点均露为食2锯0岂℃茧，室内节点均盯为捞3描0滥℃积。各层支路上于的阻糠抗的S辞值均惹为讲4折（单位均宜为预kg/m苏7凯）发。苗h1=0,h勒2=4,h3上=8,h4=通1义2湾（单位均嘴为汤m钟，下同）。搂图余2良沈各个支路流量照的变化曲线图认（中庭排风窗筑高度变化）窝从迎图趟2畏可知单纯提高券最高层节点的债高度，中和面幻提高非常缓慢显，并不如通常绍想象中那样，晨大约为最高层评通风节点高度衰一半的位置。锅当最高点的位辩置提高到悬80m善的时候，才能无避免第四层的五支路出现气流章倒灌现象的发睛生，即此时中鼻和面的位置才禾达到第四层支希路的高度娱12m凳。从另一方面吼，可以发现随发着最高层节点馋高度的增加，锋各层的热压通摇风流量都在增扭加。芒3.2凭效改变中庭顶部薄的温度并建筑师可以采各取一些措施提躬高中庭顶部的砖局部温度，比摘如布置一些金滥属集热板。呢图杜3踩是随着中庭顶吵部的温度的提翻高，中庭各个猜支路流量的变皆化曲线图。其魂他计算条件是俭：室外节点均绸为林2录0姿℃虾，室内下四个逢节点均为钟3纳0爷℃严。各层支路上雄的阻培力烦S捐均哈为脂4哗。条h1=0,h翼2=4,h3躬=8,h4=锁12,h5=号1钓6尼。潮图矩3骤销各个支路流量护的变化曲线图井（中庭顶部温瓶度变化）相从繁图陆3夸可知，随着中诵庭顶部温度的趁提高，各层热蛾压通风量有缓逼慢上升，但对沃于中和面位置刺几乎没有变化前；第四层支路舍通风量始终为缸负值，说明从袄一、二、三层阁来的热压通风搁气流一部分从忍中庭顶部排风拐窗排出，另一比部分从四层倒黄灌进入再排出钳室外。这是在煤通风设计中必巾须要避免的。炭从上面分析可洒知，中庭顶部汉温度的变化对敏中和面位置的控变化影响很小第。而3.3洒角改变中庭顶部厕排风窗的阻借抗君S5糕由公式碑（触6谷）可知，加大围中庭顶部排风析窗的开口面积浮，是降低中庭科通风腊窗台S斗5诸的最直接有效晕的方式。洗图清4疾是随着中庭顶联部排风窗的阻乏抗基S石5纱值的提高，中城庭各个支路流马量的变化曲线决图。其它计算府条件是：室外勇节点均为樱2鹅0馒℃掩，室内节点均屿为砍3孟0痕℃贵。地下四层支考路上的阻泽力雷S际均练为志4穷。耐h1=0,h把2=4,h3盼=8,h4=做12,h5=躲1夕6植。醒图纤4瑞圾各个支路流量错的变化曲线图许（中庭顶部温班度变化）练从驻图见4贱可知，随着中母庭顶部排风窗壮的阻抗的提高翼，各层热压通轿风量和中和面很位置都有所下狮升，其中对第跌三层支路的通誓风量影响较大斑。第四层支路矿始终处于气流肝倒灌的状态，盼而当顶层排风喜窗阻经抗箩S5=锻4智时，第三层通键风量渠为要0丢，表明此时中怀和面位置处于朽第三层支路的纹高度上，即为透8m竹；玻当幕S切5泻大绳于厌4缩时，第三层支所路开始进入倒揉灌状态。从上仔面分析可知，乱改变中庭顶部添排风窗的面积帆（进而改变阻鞠抗扎S纪5宏值），对中庭拍热压自然通风苹中和面位置有劝着较大影响。提3.4覆们中庭热压自然削通风设计原则坚通过上述的分珠析，并结合实匀际的工作案例士，可总结得出讽在中庭热压自马然通风设计中挥的一些原则和傍方法：旗1温）构茶在热压自然通纷风设计中，中刷和面的位置是谅其中一个至关杂重要的因素；震上述模拟分析者表明，中和面丰的位置通常并浙不是处于建筑僚最高通风节点予的一半位置，考而受到各个通料风节点温度、视标高、阻抗的榆影响。利用上盼述模拟计算方敌法，能定量研画究各通风支路行的流量和流向苗，对中庭自然端通风设计能起妥到辅助作用；阔2佣）筹妥在上述计算分积析中，可发现按要使得中和面宽的位置高于建陪筑所有功能房材间所在层的高促度是非常不容桌易的。在这种堡情况下，可考疑虑将建筑高层贞和底层的热压采通风设计为不道同的通风网络坚。对于本文中聋讨论建筑可以妹考虑采用如全图裕5裹所示的通风方劈式，即建筑的然一、二层与中丸庭顶部排风窗盐构成一个通风班网络；而三、照四层与中庭顶葡部另一个排风个窗构成另外一害个通风网络。家此时，两个通丽风网络的中和肝面位置均有可极能高于各自对蒸应的最高层功维能房间的通风岁窗标高，因此吹能避免出现倒扎灌现象发生醉。祥刊3详）画仔上述分析可知虾各支路的阻力膏状况对通风的撇效果影响很大除。热压自然通紧风相比风压自棕然通风而言更馋是一个微动力下的通风方式。赖因此要想取得急较好的通风效垮果，应尽可能断减少阻力；对墓于带有中庭的量办公建筑而言京，开敞的空间骡布局的热压通宰风效果就要比咏采用隔间方式怪的布局好的多涌。4.结论水1正、本文利用流密体网络的基本米原理提出了一兰个能定量计算蛇热压自然通风谱设计的方法；混通过此方法能墨对通风量和中幼和面位置进行抄分析和判断，汉进而能对设计董起到辅助作用伤；抹2竟、热压自然通棍风设计中，尤霉其要重视中和典面所在位置。允分析表明，要缘使得中和面的照位置高于建筑缓所有功能房间芳所