（市政工程专业论文）自然通风作用下中庭建筑的温度场速度场研究.pdf

太原理工大学硕士研究生毕业论文1 摘要 本文对太原地区适于自然通风的气候条件做了叙述与分析，对自 、二 然通风的作用原理从理论上进行了推导与阐述，以山西省公安厅r 厅 【_ 庭为研究对象，采用实验和c f d ( c o m i p u t a o n a lf l u i d d y n a m i c s ) 模拟计算的方法，动态分析了室内的速度场，温度场。 、7 通过对不同通风状态下建筑模型室内速度场、温度场的模拟，结合 实际数据，对影响室内环境的因素进行了分析，得出了有实用价值的 结沦： 在炎热的夏季，由于太原市夏季日较差大，所以太原市利用自然通 风进行窀气调节的时间为上午1 2 点以前，下午8 点以后：在夜晚可利 i h 外界的空气进行建筑的降温冷却。 自然通风作用时向上浮升的羽状空气流不断卷吸周围空气形成了 倒锥形温度分布。 中庭内垂直温度分布为较平缓的抛物线型，在工作区( 3 米以f ) 队近似为斜率很大的直线分布，温度增加并不大，温度增大主要发生 化顺部附近，此时抛物线曲率较大。在高68 米的中庭内，屋顶与地板 。叁 川的温差约有o8 1 ：最后，根据太原能够进行自然通风的实际条件，提出j ，新颖的利川 i if 然迎x l 进俐，t i 的力法：y 父键洲：中庭自然通风 温艘场述艘场 c f d 跳。，擞蠡赫赫 太原理工大学硕士研究生毕业论文 a b s t r a c t i nt h ed i s s e r t a t i o nt h ec l i m a t ec o n d i t i o n so ft a i y u a na r ea n a l y z e dt o d e c i d ew h e t h e r t h e y a r ef i tf o r n a t u r a lv e n t i l a t i o n t h e n ，a f t e r t h e f u n d a m e n t a l so fn a t u r a lv e n t i l a t i o na r ee x p o u n d e d ，t h ew r i t e r s e l e c tt h e a t r i o mo ft h em a n s i o no fs h a n x ib u r e a uo fs e c u r i t yt o b et h er e s e a r c h o b j e c t a n da n a l y z et h ei n d o o rt e m p e r a t u r ea n dv e l o c i t yf i e l d w i t hc f d t e c h n o l o g y c o m p a r e d w i t hs i m u l a t i o nd a t aa n da c t u a l d a t ai n v e l o c i t y a n d t e m p e r a t u r e f i e l di nd i f f e r e n tv e n t i l a t e da t r i u m ，f a c t o r sa f f e c t i n g i n d o o r t h e r m a le n v i r o n m e n ta r ed i s c u s s e da n dc o n c l u s i o na r em a d e a sf o l l o w s ： i nh o ts u m m e r ，b e c a u s eo fl a r g et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eb e t w e e nd a y a n dn i g h t ，n a t u r a lv e n t i l a t i o nc a l lb eu s e dt o c o n t r o li n d o o re n v i r o n m e n t b e f o r e12a ma n da f t e r6p mi nt h ew h o l en i g h to u t d o o ra i rc o u l db eu s e d c 0 0 lt h ea t r i a t h e t e m p e r a t u r e f i e l do fn a t u r a lv e n t i l a t i o ni sc a u s e db yb u o y a n th e a t d l u m ew h i c hw h i r la n d t a k es u r r o u n da i r c o n s t a n t l y t h et e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o ni sa p p r o x i m a t e l yl i n e a rb e l o w 3m e t e r sw h i l et h ed i s t r i b u t i o ni s c u r v i l i n e a ra b o v et h e r ea r eo8o r 1 c e n t i g r a d ed e g r e e sb e t w e e nr o o f a n d d o o r 【nt h ee n d 、n e wm e t h o da r ep r o p o s e dt ou t i l i z en a t u r a lv e n t i l a t i o nt o c o l l o i i n d o o ra i re n v i r o m n e n ta c c o r d i n gt o a c t u a lc l i m a t ec o n d i t i o n s i n t a i y u a n t h e r e f o r e ，i ti sn o to n l yp o s s i b l eb u ta l s oe c o n o m i c a n a t l 1 ta l v e n t i l a t i o n f i f 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 e nd , i lo i i l l c i i | o t 、t h ea hi u l ni ns u n l m e l t o m a k eu s eo f k c ”( ) i d sa r t i u l n n a t u l a l e n t i l a t i o n c f dt h e t i n aje n v i r o n 1 溉甄越越 太原理工大学硕士研究生毕业论文 第1 章自然通风概论 1 1 自然通风面临的机遇与挑战 9 1 1 1 自然通风发展的背景 近年来环境资源急剧消耗，大气层内c 0 2 大量增加使大气温度升 高，国内经济迅速发展的同时伴随着环境的严重破坏，使越来越多的 学者倡导“绿色发展”( g r e e nd e v e l o p m e n t ) 的理论，在暖通空调行业 表现为绿色建筑，绿色空调。 绿色空调与传统空调的区别就在于重点关心内部环境的同时强调 对外部自然环境的保护，它反映了现代科学技术发展的现实和环境主 义思想主观意识的融合及内部环境与外部环境的平衡关系。绿色空调 的设计不但要留意到外部环境中气候、温湿度条件的变化，而且更要 考虑到内部环境能给人以健康、舒适的感受和提高效率，减轻疲劳的 效果，最后还应顾及投资方、用户以及运行维护人员的关心所在及利 害关系总之，持久耐用的设计、良好的环境及受益的用户三者之间 j 越该有平衡、良性的互动关系以达到最优的绿色效果。绿色字调就是 从这观点出发来协调内外环境，协调投资人、用j 上1 删刁i 同的需求， - i - ：州的能源依赖程度，达到室内环境与自然环境的平衡。i l i 绿色空调的设计一l = 作应该考虑四周的环境生态，为防l i 、水质、 壤的污染，使用生态有益的材料，选用氏寿、赢顾鼍、节能或能效 “的。驯砹备，尽，j 能的使用自然资源( 如自然通风等) ，捉供给川 f = | ! 廪、舒适、赢i 贞的z j 内叫；境。n ! 这种期j 璎求卜l 暖迎。，。i j 川n 帅个仪盟j e i l le l 石 1 ：赴选川、运仃、奠装咳迎。；j 删改符f | 1 ；j _ i = ；鑫懿辘溢。 太原理工大学硕士研究生毕业论文 一2 必须有整体系统的思想，有强烈的责任感对室内环境、能源及其他 切资源的有效利用向用户负责。 综上所述，绿色空调的实质有两个，即室内环境的可持续化与自然 化。前者指空调系统的节能降耗，多利用可再生资源，尽可能少的污 染环境，延长寿命等：后者指室内环境能尽量象自然生态环境一样健 康、舒适，做到返朴归真的效果。于是，在这样的背景下很自然地产 生了善用自然资源或者不依靠传统空调设备系统，而仍能维持适宜室 内环境的自然通风系统进行空气调节的意愿。 1 1 2 自然通风发展的优势 自然通风，顾名思义，是室外的空气在热压和风压的联合作用下对 室内进行通风换气的一种系统形式。以常识判断，自然通风似乎最容 易满足建筑绿化的要求。它一般不用外来不可再生资源，而且常常能 节省可观量的全年空调负荷而达到节能以及绿化目的。由于自然通风 出色的节能特点和环保特点使得这种通风方式非常接近绿色空调的标 准：自然化和可持续化。可以预见在不久的将来，自然通风将会受到 愈来愈多的重视。 其实自然通风在建筑设计中广泛应用于工业建筑”中，尤其，l 一夏 季，是种很传统的改善室内热环境的有效手段。当室外温度低1 ：室 内湍度时，自然通风能够对房间起到冷却作用，这种冷却作用在1 i ： l 、造成室内的气流流动，通过直接加强对流及人体蒸发散热求丛 到人体降温的b 的。 2 、流绐建筑的7t 流。l j 以带走建筑物构件及家具、设备的替热，、 n 在合适的条什卜，用室外的窄气直接代替室内热空气，降低率 l 。i w f 逻， + 【tj | i t l j 宅建筑。i i 也【恢! i | j i 迥f - f ( , j 效h ! ， 门然通风是利j | j 外界的空气刑室内进行通风换锄0 ，此，返1 = l 【f 太原理工大学硕士研究生毕业论文 送风状态同室外自然风的状态非常相似，自然风是最容易给人舒适感 觉的，具有空气清新，风速随机变化无规律，柔和，吹风有新鲜感等 特点。 表1 1人对自然风与机械风的舒适感受调查表 调查项目调查人数 在天热时是否喜欢吹喜欢9 7不喜欢5无所谓4 风 喜欢什么时候有自然工作2休闲2 4任何时候 风( 除睡眠 外) 8 0 喜欢的吹风方式自然风9 8电风扇吹风空调吹风2 1 l 最喜欢的环境有空调的凉有自女风的有电风扇的 爽环境5凉爽朔：境9 9凉爽环境2 如下两种环境有空调的凉爽环境有点热但有自然风， 您喜欢哪一种 1 7 总体讲能接受8 9 如下两种环境有空调的凉爽环境有点热但有电风扇， 您喜欢哪一种 6 8 总体讲能接受3 5 喜欢电风扇的吹风方摇头8 3直吹2 2 式 吹风长时风扇容易降温说不 单调间吹只吹感冒不明清楚 不喜欢电风扇的原因 4 3风不 身体 2 4显2 64 舒服一侧 7 32 5 空气冷风不是环境进出容易 不新吹得自然沉闷空调得病 鲜6 ( )不舒环境4 5环境 3 b l ：喜欢空调的原因 服l53 j有冷 热冲 f l i ： g 消华大。；。凹做过次m 卷州俞。【_ 窄州专、l 0 本利小化齐l 。l 尔 乡，t 成，被0 目硷托失1 0 ( i 人。，戈h ：41 人，卟龄最人 h ( ) 岁，h ： 小一l 岁， j ，1 介i ir l7 i 然胍 h i i 外l7 然蚪境内。i j 7l 流2 扎| 】j 机械 丝h ：l i | ；崩、落地扇等的1 1 欠风，表i i 是渊垒的二卜要内容及结粜，从c i - 溺i 溢酒醚| | | i | 激 太原璎工大学硕士研究生毕业论文 可以看出人们对自然风的偏爱。从调查中可以得出这样的结论：对于 即使有点热的环境，只要有自然风，人们大多数还是选择自然环境而 0 i 是空调环境；在环境较热时吹风有利于身体的散热，只要有合适的 吹风方式就可以减少空调的使用，这有利于健康，又有利于节能，无 论在工作还是休闲时，人们都喜欢自然风。 另外自然通风还是解决象军团病等病态建筑综合症的合适手段。病 态建筑( s i c kb u i l d i n g ) 和病态建筑综合症( s b s s i c kb u i l d i n g s y n d r o m e ) 的概念是在过去的2 0 年中，长期生活和工作在现代建筑中 的人们表现出愈来愈严重的病态反应，这一问题引起了专家学者们的 广泛重视而提出的。根据世界卫生组织( w h o ) 1 9 8 3 年的定义，病态建 筑综合症是因建筑物使用产生的症状，诸如眼睛发红、流鼻涕、嗓子 疼、困倦、头疼、恶心、头晕、皮肤瘙痒等。”1 国内外许多学者对不同类型建筑中的室内空气品质进行了调查、分 析、评价。”1 3 c h r i s t o p h e rw c o l l e t t 等对加拿大、美国、西欧南美 8 j 栋建筑室内空气品质状况的调查。j a ns u n d e l l 对瑞典2 1 0 座建筑 及6 0 0 0 人进行的调查。a l a nh e d g e 等对美国2 7 座空调建筑4 4 7 9 人进 行的凋查。上海城建学院的沈晋明对上海部分办公楼的调查。 这些调查多采用问卷调查与现场测试相结合的方法凋查结果显 示，引起室内空气品质问题的原因有两类：一是各类污染源产生的污 染物作用：二是暖通空调( h v a c ) 系统设计或运行不当，包括新风量 4 j 足，室内气流组织不好。由于自然通风使用的完全是外界的撕风， ! l 婴具有足够的清洁度，完全可以提高室内空气品质，减少病念建筑 综合症( s b s ) 。 综l ? 所述，自然通风的优势在于： l 、一然j o l 风利用可4 唯，t 资源，节省能嚣。 ! 、f l 然迎胍能满址人 门偏谩i | 然眦的特扎达刊。汗辽 j f 、1 7 然通风能够提供足够的弱i 风，减少病态建筑综合“， # 滋黼淄戳敝 太原埋t 人学顾f 二研究生毕业论义 1 1 3 自然通风面临的问题 在欧美、加拿大、同本的绿化建筑内经常能看到自然通风的应用， 同本最近出现的利用通风楼层( 建筑设计) 与通风窗( 空调及控制设计) 的超高层自然通风就是一例，另外还有零售市场进行自然通风的例证 ”1 。然而影响自然通风成败的因素有很多，建筑与空调设计者本身要面 临许多问题： l 、自然通风受自然环境气候的影响较明显，因而它的使用具有地 域性、季节性的特点。自然通风同一天的时间密切相关；由于利 用的是外界的空气，所以不同地区的清洁度有很大的影响。 2 、自然通风可能引起不舒适的两个原因：北欧诸国广泛采用的方 式，在房间下部开口进风，屋顶或房间上部出风。这种方式的优 点是在高大的空间会形成分层流动( s t r a t i f i c a t i o nf l o w ) ；但是在 春秋两季由于周围空气温度低而且存在穿堂风的情况下，会使用 户产生不舒适感。另外在夏季自然通风建筑中有过热的可能，这 将引起人的不舒适。造成过热的主要原因是从窗户传入的太阳得 热及室外过高温度的热空气直接进入室内。 3 、要不要这样的自然通风系统，即这样的节能值不值得，是否牺 牲内部环境太多。这罩需要一个自然通风可行性的评价指标。 4 、内外环境能接近到什么程度( 能容许的内部环境变动范围) 仍 能被大楼用户接受，诸如噪声、狄尘的侵袭，室内温湿度的迅速 变化等。 5 、根掘室外天气变化采用何种控制方式进行自然通风：完伞下动， 用广，远距手动或中央统一自动控制。 6 、如何与人楼内的现代空渊系统槲咖酬( i 刊时或单独远彳j ) 。 太原理工大学硕士研究生毕业论文 1 2 太原市利用自然通风的可行性气候分析 由于自然通风受自然环境气候的影响，有地域性和季节性的特点。 因此需要首先考虑太原地区的气候特点是否适宜利用自然通风。 1 2 1 气温 太原地处山西省中部，根据气候要素或气候因子带状性分布特征， 属于暖湿带地区，由于所在地区为太原盆地，年平均气温8 i o 。c 受地 形影响较为显著，气温分布比较复杂“。 1 2 1 1 气温的时间变化 根据1 9 5 1 1 9 8 0 年历年气象统计结果可知，太原地区气温年较 差为3 0 2 ；全年气温平均日较差为1 3 4 c ；气温年极端温差为 6 4 4 ；极端最低温度一2 5 5 。c ( 出现在1 9 5 8 年1 月1 6 曰) ：极端 最高温度3 9 4 ( 出现在1 9 5 5 年7 月2 4 日) 。气温的月变化规律 见表i 2 。 表1 2太原气温的月际问变化( ) 表 月差 2 13 24 35 46 - 57 6 月际间 3 16 97 66 53 81 6 变化 月差 8 79 8l ( ) - 9l l l o1 2 一1 1l i2 月际i 旬 一l 45 96 ( )一7 76 9一1 6 变化 气温日较羞的大小反映了地气温变化的程度。 季竹、地形的小硎而变化、太原揣地由 。空气受用闹i 】 二力较慢，h 链接量的爪轧i 刺热臂小易 散，温度较 较小的i 令，：蔓c “j i j i 坡1 、i 锋，浆g ：n ：i 地底甜：“t f 低 腽， 已随纬嫂、 厄的钏流 仪| 1 i j 州搜 甘j 波| i j z 苎塑些三查兰塑! ：型壅竺望、业堡兰 ：! ： 较大。另外同较差变化也与太阳辐射、风速、云量、降水等因素有关。 表l 3 所示为太原各月气温平均f 1 较差( ) ，从中j - 见气温平均i = 1 较差 伍春术夏初较大，尤其在5 月最大，8 月最小。这是由十5 月一般天气 晴朗干燥，白昼地面受热多，温度高，夜问云量少，散热快，降温迅速， 昼夜温差大；夏季8 月，云量少，日照少，降水集中，空气水蒸气含量 多，有较强的调节作用，温度同变化小，同较差小。 表】3 太原各月气温平均日较差( ) 表 月份l23 45 6 平均f 1 较差 1 4 11 4 0 1 3 91 4 8 1 5 21 4 2 月份789 1 01 l 1 2 平均同 较羞 1 1 31 0 81 3 o 1 4 o1 2 4 1 2 8 1 2 2 湿度 湿度表示空气潮湿的程度，其大小决定于空气中水汽含量的多少及温度 的高低。通常湿度以绝对湿度和相对湿度表示。 1 2 2 1 相对湿度的季节变化 相对湿度在一年中的变化以夏季最大，秋季次之。冬春季最小。表】4 给出1 、4 、7 、1 0 月相对湿度、绝对湿度的平均值以及最小相对湿度： 表j 0删个月的湿度指标表 月份1 月4 月7 月1 2 月 棚刈湿度 5 14 87 26 7 最小相 o01ol 刈湿度 绝刈，1 5 瞍 l96 22 0 ：h ( ) hh 0 ：l 蓊瓤i 鲻隧。撼疑j 巍 太原理工大学硕士研究生毕业论文 从中可以看出：冬季气温低，且空气干燥，水汽含量少相对湿度 小：春季气温开始回升，但风速大，水汽含量仍少。出现了四季中的 最小值：夏季暖湿的季风流行，降水多，相对湿度激增，为全年最高 值。详见图1 【相对湿度年变化曲线。 笔 赳 蹦 霞 图1 1 相对湿度年变化曲线图 1 2 2 2 相对湿度的日变化 相对湿度的大小除了与空气中水汽含量有关外，还与气温有密纠 关系。由于一日中气温有明显的日变化，所以湿度也有明显的变化。 卡刺湿度的e 1 变化与温度日变化正好相反。在空气中实际水汽含齄变 化小人的情况f ，当气温升高时，空气饱和水汽压随之增大，村洲泓 度就会减小，反之，气温降低，相对湿度就会增大。所以h 之r h 刘瀣度最小侦般出现以! 气温最高的午后i5 时荔：右。阴雨火气7e “l f 【 较芹小，温度变化般4 i 明显。隆l i 2 是太原晴火，人川刈7 盟 ii 变化线 【 纠i ! 址人驭啃灭，火棚刺湿嫂fl 变化线。， 蔫l 瀵蒜懑誊陵谶 相刘湿度 1 2 3 气压 太原理工大学硕士研究生毕业论文 4681 01 21 41 6侣五小时 太原晴天、阴天相对湿度日变化曲线图。 气压指地球表面单位面积上所承受的空气柱重量，气压分布不均 是引起空气流动的基本条件。气压随地形地势变化。气压的年变化、 曰变化都具有一定的周期性。另外气压还具有一些非周期性变化。 气压受地形、海拔高度的影响，一般是海拔较低的地方气压高， 海拔高的地方气压低。太原市气压年变化属于大陆型，即冬季1 月最 荔，从1 月以后气压开始下降，且春季下降最快，夏季7 月达到最低； 7 月以后气压开始升高，以8 1 0 月份升高最显著，见图13 太原市气 压年变化曲线。气压的年较差随着海拔高度增加而减少，随温度的增 高而增大。太原市年较差为l 7 0 0 p a 。 7 t 压的 肌低型， 变化有着l 归显的周期变化，通常情况i 、 日中有一最高最低俏，还有。次高次低值。最高最低“ 0 时和i 5 l8 时，次高次低值为 4 川l 冬j f3 为人原气j k 年变化曲线。 0 2 卫 。 图 太原理工大学硕士研究生毕业论文 1 2 4 风 图1 3 太原气压年变化曲线图 月份 空气在水平方向上流动形成风。风与城市规划、建筑设计等有很大 关系。 1 2 4 1 风向的年、季变化 太原受季风气候的影响，风向具有明显的季节变化。冬季盛行偏北 风，夏季盛行偏南风。春、秋两季为冬夏季风交替时期，风向不如冬 夏稳定，但春季仍以偏北风频率最多。 1 2 4 2 风向的日变化 人原处j m u 周群山的环抱i t f t ，l 1 1 于受地形的影响，般住：没订较人 人t 系统影响的情况下，白天多谷风，夜间多l 【j 风。i i i 谷风是以2 4 小 i i , j 为j 伺圳的小规模热力环流。太原的地形是北高粥低，东、两i l i 脉屹 、l 形成i l , i ：l t 狭长之毓地，自灭芥风来莉部、h 1 | 地k 傲川l i i 胍水 i i | i l n 0 i 岭。 m 齐个季节风的h 变化中，偏北j x l 和偏南风频；簪随符卡1 ，环流的l 鱼 ；l 蕊萄邀鑫漱囊i 纛 吾喵季|瞄吞|晰善；瞄 太原理工大学硕士研究生毕业论文 变也有差异。冬季上空主要是偏北气流，因此夜间至上午偏北风频率 大，而午后转偏南风也比其他季节少。夏季转为盛行东南风，夜间至 上午偏北风相对减少，午后偏南风的频率较大。太原地区春夏季股 是12 时左右，秋季一般是1 3 时左右，冬季14 时左右开始由偏北风转 为偏南风；春夏季是l 3 时左右，秋季一般是2 ： 时左右，冬季1 8 1 9 时左右开始由偏南风转为偏北风。 1 2 5 云量与日照 云量与日照，影响到地面和大气之间的辐射平衡和热量平衡，因而 在一定程度上决定着当地气温的变化和气候干湿情况。 1 2 5 1 云量 气象上，对云量的观测包括为总云量和低云量两部分。太原盆地 年平均总云量分布在5 成左右，年平均低云量在1 2 成之问。年之 中，总云量以夏季最多，月平均在6 成左右，春季次之，秋季较少， 冬季最少，仅三成左右，低云量以夏季和初秋最多，月平均2 ( ) 3 j 成，春秋次之，冬季最少，一般不足1 成。总云量在6 8 月最多，月 平均在5 5 6 5 之间；最少时期在1 1 月次年1 月，各月均1 i 超过 ： j 成。 暗、l 纠、昙天日数 太原冬季受极地一f 冷气团控制，冬季大气层结稳定，成z _ t - 4 , j l 会少， 理币成l t , i ：jl 会多年之中冬季晴天日数最多，般为l0 j 争；，：印2 j ，并j 啃人 t 数在1 0 _ 人以i ：，例灭f _ | 数最少；夏季则斗反，i ，h 、 9j j 火分刖花10 火以1 ，春秋季晴l i j h 数界r 两者之闸、 溯溢| | | | 氤 奎堡些! 叁兰塑! 业壅兰兰些丝兰 ：! ! ： 1 2 5 2 曰照 目照时数 只照时数通常指气象台站用同照仪器观测到的太阳光照时间。同照百分 率为实照时数和可照时数之比。气象上常用这两个值来衡量一地的日照多寡 及可利用程度。太原市日照时数和日照百分率见表1 5 。 表i 5 太原市全年f 1 照时数和r 照百分率表 项目1 月2 月 3 月4 月5 月 6 月 同照 时数 1 9 1 11 8 2 62 2 0 3 2 2 3 02 7 8 5 2 7 5 3 同照百 分率6 36 06 05 7 6 36 3 ( ) 项目7 月8 月9 月 1 0 月1 1 月1 2 月 闩照 2 3 7 32 3 1 42 0 8 0 2 i 8 41 8 8 11 8 2 5 时数 日照百 分率5 35 55 66 36 26 2 ( ) 太原市全年日照时数为2 6 3 6 5 小时，日照百分率5 9 。 i 2 6 太阳辐射 太阳辐射是地球及其周围一切物理过程的能量源泉。它由直接辐射和天 空散射辐射组成。它是由地理纬度、海拔高度、太阳高度、大气透明度、云 量等因素决定的。太原市太阳总辐射量及其辐射量见表1 6 。 衷j6 太原市各月太阳辐射量及其全年太阳总辐射量表( 单位： ：, l c m 2 ) 月份1 月2 月3 月4 月5 月6 月7 月 太阳 辐射 2 8 53 3 14 7 35 4 ，06 6 66 6 66 1 1 j j 份8 月 9h1 0 月 i 】月 12 月全年 八 辅目j5 n 54 7 3 口1 02 89 2 5 55 5 7 7 ；。i 。滋艇湛一、， 太原j 坐t 人学坝i 刈【冗生毕业论义 由表i 6 可见太原一年中总辐射量呈单峰型，从1 月起逐月增大，5 、6 月达到最大，以后逐月减小，1 2 月份达到最小。 1 2 7 结论 经过上面太原气候的分析，对于太原市利用自然通风进行空气调节以满 足用户舒适、健康要求的可行性作如下的结论： l 、太原冬季温度几乎全在零度以下，不具备自然通风的条件。春季平 均温度6 o c 8 o c ，相对湿度5 0 左右，秋季平均温度o 2 0 相对 湿度6 0 6 7 之间，只要设计时合理布置进出风口的位置和选择风口的 尺寸，完全可以利用自然通风来进行空气调节。 2 、太原夏季平均温度3 0 。c 左右( 近几年有升高的趋势) ，整个夏季 超过室外空调计算温度3 1 2 。c 的小时数总和不超过一个月，相对湿度 7 0 7 5 之间，此时外界温度焓值高于室内，不能利用自然通风。但是 由第一节可知，太原的平均气温f 1 较差较大，7 月为1 1 3 。c ，8 月1 0 8 ，9 月1 3 o 。c ，夏季的高峰调节时间很短，约有5 个小时左右，所以 可在外界温度焓值低于室内焓值的早晨和傍晚进行部分时间的自然通 风，或进行夜间通风( 文献m 1 3 ) ，以节省能量。 太原理工大学硕士研究生毕业论文 第2 章中庭建筑的特点 现代中庭建筑是1 9 世纪2 0 年代至7 0 年代在欧洲流行起来的。它 是工业革命使得预制结构和玻璃大量用于建筑之中的结果。随着社会 的发展，目前新的建筑理念认为城市和建筑设计的目的是为了向人民 提供娱乐、交际和相互沟通的场所。在这一思想指导下中庭建筑随着 时代的进步得到了迅速广泛的发展。在中国越来越多的大中型建筑中 出现了中庭，它提供了个阳光充足健康舒适的空间，很受用户欢迎 川。 2 1 中庭的使用和功能 中庭是人们路过、交谈、观察、等待、会晤、休息的公共场所。换 句话说，它是整个建筑的社会中心，如果设计师合理选用了形状、方 位、室内的色彩和局部的细节修饰、良好的空气品质，那么中庭将会 给人以光线和空间的美好感觉。 2 1 1 功能 因为宾馆、写字楼最基本的功能要求安静的环境，保留给使 j 者 定的私人空间，所以不可能将这些功能放置在中庭内，但是剥r 娱乐 性j 的场所和购物中心则没有这个必要。 休息娱乐：当中庭与工作区相连接，那么它很自然地会成为使用者 非正式会i _ f 】的场所。这可以加强公司内部的交流与联系。个内部友 慢何良好人阢火系和工作环境的公刊会有很高的效率年i i 好n 勺、r l 【。j 。，) 外r i ，座也】i j 以们：为纯娱乐场所。如尔牛苑泳馆 蚴物链0 j ：t l l 筵式f n 尚场、i i ) j l l l l l ljj 、小”么j j 会给人以尚2 身j 川i 的哆 。感觉，| l jh 会给人以视觉上的美好享受。如华宇购物j 、场，愉川鸿 太原珲工大学硕士研究生毕业论文 店的咖啡厅。 交通联系：建筑内部的水平、垂直交通设施都是设在中庭的。中庭 可被视为建筑内街道或交通中心。 作者曾在2 0 0 0 年8 月对太原市的某些宾馆、酒店、超市进行了询 问式调查，得出以下结论： 绝大多数的被询问者认为这里是建筑内部最吸引人的场所。 中庭及其周边的区域刺激了社会行为，人们愿意在这里进行社交 活动。 中庭的服务功能为人们提供了更大的主动性和便利性。 在超市、商场，同中庭相连接的区域最吸引人，最为顾客所光顾。 在写字楼中，中庭被职员和客户频繁使用，选择这里作为社交、会面 的场所。闲暇的人士在这里静坐观察，以此作为消遣娱乐放松的种 方式。 人们在这里驻足交谈、会面时，对温度的敏感程度很低。即使是 稍高的空气温度也能被人们所接受，利于推广使用自然通风，这可能 是由于中庭只是一个短暂停留的场所。 中庭的采光由于一般都有大面积的玻璃墙，不存在什么技术问题。 这里光线充足，但并不灼热，声音也远较外界安静。大面积的玻璃埔 或玻璃天花给人以和外界隔离，与建筑贴近的融合感。由于大量使明 l i 叶窗帘、反射率强的玻璃幕墙，所以太阳直射辐射并不很强。 巾庭内的植物盆景能吸收室内的氧化碳，“生新鲜的氧7t 、水 崩笠叩j 4 i 仪给人离渊e 舒适的感觉，| i ：_ h 还能提供足够的湿度和负离n 通过以上的洵叫结果r 叮知中庭建筑有这样的特点： i 、小庭是整个建筑内部卒阃的焦点，它：j # 常吸。 人， 2 、1 1 庭的他川：棼 艇m ，_ j 是剥0 i 湍艘的璎求评4 ：，扎j 以仃个 川划牧“n 勺。；i l 泓股， 理乒川户，s 铽对中庭的温度要求4 i 高，仁! 也膨i 幺比外界泓q “t 6 n l 巍凌。：。1 溺 太原理工大学硕士研究生毕业论文 否则人们会产生不舒适感，不满意随之而来。 2 2 中庭的内部环境 室内环境的内部描述通常包括以下几项：空气环境、热环境、光环 境、声学环境、心理环境等等。由于本论文涉及的范围，重点放在空 气与热环境两项上，况且这两项也是影响建筑能源使用的主要因素。1 2 2 2 2 1 热环境和热舒适 中庭建筑从热环境的角度看有以下特征： l 、由于中庭建筑通常有很大的玻璃幕、屋顶，室内环境受室外环 境( 尤其是太阳辐射) 影响强烈。若没有合适的空气凋节控制系统， 中庭空间会变得过热。日落后，温度又会急剧下降。如果使用常规 的空调系统，冬夏季冷热负荷会很大。【2 9 l 2 、中庭空间有很大的垂直温度梯度。屋顶下的空r 司全年温度都很 高，工作区相对较凉爽。 3 、隔热和气密性是影响热舒适和能量消耗的重要因素。 以下几个方面影响到室内空气的可接受程度： 空气温度、 长波辐射 空气速度 人的活动程 农着情况 湿度 度 有父以l 一吲索影响舒适的具体分析，以址l s ( 】s t a n d + t r d 7 7 3 0 ( d u l “l u + i h e r m a ll - nvir o t l i m u nl 1 ) e t e r m in h tlo n 【) i th 。i i vn n d 【h 。l i i ) ln d i 。h m ds p e c i 【- i 【r il i ( ) n 0 fl h uc i n “itlc ，nf ( ) r ih ur i i l l l l 0 n l l 或文献。中相关章节。 镒赫避 太原理工大学硕士研究生毕业论文 2 2 2 空气环境 空气环境包括室内空气品质( 但同时室外空气质量也是关键的因 素) ，通风效率和通风量，室内气流分布，产尘量，以及材料、设备、 人散发的气味。以下是中庭建筑空气环境的一些特点： 每平方米地板面积的房间容积大，这导致了大的通风换气量，如 果室外窄气质量足够好，最好不使用机械通风而直接利用自然通风。 f 白于中庭空间较高，热( 温度) 分层现象极易发生。通风如果充 分利用这种热分层，由于浮力作用，污染空气会逐渐上浮，清洁空气 留在较低的工作区。这导致优良的通风效率和清洁的工作区环境。 绿色植物常被用于产生氧气、去掉空气中的异味和某些污染气体。 2 2 3 光环境 在中庭中，目光是一项重要而复杂的设计参数。影响目光的重要因 素有： 中庭的纵横比。从外形上看就是有的中庭瘦长，有的矮胖。 中庭内表面的颜色和反射情况 中庭的玻璃类型和分布情况 良好日照能改善室内环境，减少人工光线，节省电力；需要注意的 是：n ：努力获得良好日照前提下，要避免由于日照引起的中庭过热。 “天【l ，庭的光设汁详细内容可见文献1 2 1 1 1 2 3 1 1 ”l 。 蔓蠢躐巍 太原理工大学硕士研究生毕业论文 2 3 影响中庭内部环境的因素及控制 2 3 1 影响中庭环境的因素 影响中庭室内环境的影响因素有很多，它们是相互联系在一起，对 中庭的环境产生作用，要达到对中庭室内环境进行控制实际上是在多 种因素影响下在热舒适与节约能源、环保之间求得一种平衡。 其中形状、颜色、朝向等是由建筑规划以及方案设计的观点决定f 来的。建筑规划中，环境工学即声、热、空气、光、色的规划应占据 了基本的地位，但中国目前大部分建筑或建筑规划为强烈的追求规划、 设计的自由性，大量地使用能量，缺乏节能考虑。实际上对中庭建筑 应做彻底的节能性探讨。 2 3 1 1 中庭的形状 建筑的形状受到场地条件限制。在场地内建造容许的最大限度容积 的建筑物时，形状的自由度是非常受限制的。尽管在各种形状中，根 据各朝向上的隔热特性、窗面积比的条件和气象条件的不同，直有 地方性和建筑物特性的差别。但在太原这样的城市大体上是立方体形 状的大楼负荷最少。这是因为对同一地板面积( 因此对同一地板容积) 外表面积为最小( 即s v 最小，s 是外表面积，v 是容积) ，所以负徜 小是理所当然的。 2 3 1 2 中庭的颜色 外袭的颜色因辐剁的吸收、反射，内表面的颜色因采光、j 嫩 ! i j f 内 度刑* 刚1 ，能有关。，一力m 表m 】越黑，白天吸收的r ：射就越多，所以 九冬人i l i i 人多的地方，n ：供热负衙人咖玲负倘小的息；令地i ，i l 泛j | j ，j ：包驯：川j 王冷仍倘人川e 暧负倘小的热带地最好川i 包u 1 、j 人 吣，、h f | 7 jj 血k ，冷热负茼券口i j 0 i 人， ：l 、p 自u 以盟季利川h 然迎j l 。j i ，；擞菇趱 太原理工大学硕士研究生毕业沦文 考虑，为减少冷负荷，以浅色为宜。 2 3 1 3 朝向作用| 2 6 】 朝向作用是中庭设计一个最基本的问题就是建筑的朝向及其对建 筑物的用途和使用者舒适的作用效果。随着朝向的不同，中庭建筑在 不同的时间、不同的季节所接受的太阳直射辐射也有所不同。由于太 阳高度角、方位角的变化，暴露在直射阳光下的地板和墙壁接受到的 太阳直射辐射时间和强度也会发生变化。这对中庭的热环境影响很大。 从文献【”惭列的建筑物朝向与热负荷图21 ( 图a 为两面有窗的情况， 图b 为四面有窑的情况，图中径向刻度为在某一方向下的负荷值) 。可 知以南北朝向为主立面热负荷较小。 图2l a图21 - b 建筑物朝向与热负荷图 2 3 1 4 采光和日照 除训刚外，采光和日照也是必须考虑的因素。窗剥j ：建筑之所以必 婴，堪为： 】、能够采圯，得到 _ _ 1 j 嫩 ! ，逊“i 1 然j i ! l 风换7 i j 、啪圳建筑荚观、获得心理i 的舒畅感 器鑫陵。邃裂 太原理工大学硕士研究生毕业论文 4 、作为火灾时的排烟口 由j 窗的型式、日照的变化和中庭内墙壁、地板的多样性，中庭建 筑内会出现彼此不同的日照情况。对于通常的日照，只要能够保证最 小的照度，不超过照明的上限就足够了。过多的目照会增加建筑冷负 荷造成能量的浪费。文献中发现有大面积玻璃的温室型中庭温度梯 度最大，这就是太阳直射辐射对中庭造成的影响，在中庭建筑设计中 应该避免。 为防止朝向和日照产生的过热，可采用对太阳辐射有一定反射作用 的玻璃及内部的百叶窗帘等遮阳滤光措施进行控制。 2 3 1 5 中庭的型式 中庭的型式对内部的热分布影响很大。文献i6 1 对日本1 4 座中庭建筑 型式比较发现：具有高天花塔楼型式和低层与各层相连通的中庭垂直 温度梯度最小。文献”中对狭窄瘦长( 即纵横比较大) 有玻璃屋顶的 中庭和普通中庭作了比较，在前者中明显存在着高低两个不同的温度 梯度区域。这可能是由于这种中庭很高，太阳辐射不能完全穿透整个 中庭，使得直接受到太阳辐射与未受到太阳辐射的区域存在明显的差 异。对于普通中庭太阳辐射能直接穿透，分区不甚明显。如图22 纵雠比人n 0 i | 埏仃托着两个分阢 m 分k 内孙i 嫂梯肢较均匀。 盛滋魅； 司纵横比；l l 庭i t | j 影响 翻5 分i x f 内滞& 嫂梯f 奠人 一 太原理工大学硕士研究生毕业论文 2 3 1 6 温度梯度 在空调设计系统之前，一定要考虑中庭型式和室内空气热分层的可 能。在靠近屋顶的最高区域是中庭内部温度最高的地方。在这一空间 应保持适当的通风如自然通风或强制通风。根据自己的需要，调节窗 户的开度虽是一种简单而有效的手段，但由于中庭建筑一般较高大所 以并不一定是可行的方法。对中庭进行夜间冷却是非常有效的手段。 它可以推后白天工作时间内温度高峰值到来的时间。机械通风虽然容 易调节，但由于中庭容积大，通风换气量大，所以能耗会很大。所以 以使用自然通风为宣。 2 3 1 7 室内空气品质 中庭内部的空气品质主要取决于以下几个方面：污染源、污染气体 量和污染微粒的浓度，以及它和人的接近程度。在中庭内，人的气味、 烟气、设备材料的污染产物都是污染物。但是研究室内空气品质是很 困难的。本论文中对此不做深入的研究。只对可能减少污染的方法作 了一些考虑。 减少污染源，可以通过相互独立的空调系统将污染源与周围环境 隔离。 对于外部可能进入中庭的污染物如街道的灰尘，汽车尾气可通过 改气密性较好的旋转门及门厅处的气幕来实现。 选择适宜的通风手段进行必要的通风换气等等。 2 3 2 控制 2 3 2 1 温度要求与能量消耗 s i ，j 迤内甜通，_ 7l 温度足个啦。揖的影u 阳能尉使刚的1 人l 祟艟”消l f 4 1 j _ t i 蛭* ，l ，迭的天系i - 璎墩决j 一中庭，外界、t i 庭与其他虏m f j 0 业舰， 太原理工大学硕士研究生毕业论文 式，太阳得热在节能与热舒适间取得平衡是困难的。当希望节省能量 时，可以预计利用自然通风将是最节省能量的设计思路。 2 3 2 2 阳光控制 控制阳光减少得热量的方法有：避免建筑本身的倾斜表面和使用遮 阳措施。使用遮阳措施会与采光的目的相悖，使用室内的百叶窗帘可 作为两者的折中。 无地区差别的有效方法： l 、在窗上设置通风换气用的带有气密窗框的开口 2 、用双层玻璃或特殊的反射玻璃等措施进行隔热 3 、在窗的内侧设置百叶窗帘等隔热幕 从图23 投入到窗上的日射中进入室内的比例( 文献1 ”1 ) ，就可定 性的了解特殊玻璃和内侧百页窗的效果。就内侧百叶窗帘来说，如果 不采用反射日射效果很好的浅颜色，则被其吸收了的热量最终还是要 变成室内负荷，因此要注意颜色的选择。如果把百叶设在外部，把投 射到窗上的曰射本身隔断，其效果将是很显著的，而且，玻璃面上发 射的辐射也减少了，窗边特有的闷热就消除了。 在寒冷地区尽量设计有大面积玻璃屋顶或墙壁的中庭，在冬季尽 艟利j 目温审效应( 冬季夜间设隔热幕以保温) 。 0 0 、升侧内侧 如对藏n2 “对流 一 沁 。1 - 4 ”1 l 】l 好j 咀城璃单j 。 蠡妊瀛越惑溶。测 删 俐 酬 苎 、弛 雌i抖忭 帕到 跌愀：毗 太原理工大学硕士研究生毕业论文 1 0 喁骒埔。，j 辩三 ( 图23 c ) 妖色吸热玻璃( 图23 d ) 灰色吸热玻璃和平板玻璃 图23 投入到窗上的日射进入室内的比例 在温暖地区除冬季日照时间长的地方以外，将玻璃表面的面积尽量 降低。在冬季日照时间长的地方，仅限于把南侧窗取大，在中庭室外 的南向、西向种植树木以遮蔽阳光的直射。 2 3 2 3 冷却 流入建筑物结构体内，作为热容量蓄存起来，徐徐放入室内的热量 成为蓄热负荷。当室外空气和室内的有效温差越大，蓄存的热量就越多。 7 7 二、 e 时问镕目 i 幸 量，井气 一l * 气 # 董l ”气f 日* * l * ( t 日* 辩 曩锚 太原理工大学硕士研究生毕业论文 图2 4 绘出了以室温为基准，夏季和冬季的室外气温和有效室外气 温( 有效室外气温是把日射和有效辐射又称夜间辐射的影