282 中庭断面形状和尺寸对高层住宅建筑热压通风影响研究

1、侯素娟 何东岳影响研究摘要：本文运用 Airpak 软件对中庭断面形状和尺寸对高层住宅建筑通风影响进行了数值模拟研究，并选取其中一个工况进行了实验验证。建筑外围尺寸保持不变，本文首先选用三个面积相同，长宽比不同的矩形中庭，模拟分析出中庭断面形状对该建筑通风效果的影响；其次选用六个均为正方形但尺寸逐渐增大的中庭，模拟分析中庭断面尺寸对该建筑通风效果的影响。研究表明不同长宽比相同断面面积的矩形中庭通风效果相差不大，中庭通风量相差最大不超过7%，可知矩形中庭的长宽比不是影响中庭通风效果的主要因素；而中庭断面尺寸对建筑热压通风效果的影响明显，随着中庭截面面积越大，高层住宅建筑的通风效果随之变好。 关键

2、词：高层住宅；中庭形状；中庭尺寸 建筑的可持续发展和城市住房日益紧张，使得具有中庭的高层住宅建筑形式备受建筑师们的青睐。王崇杰1等通过对济南地区三栋公共建筑的实测分析了影响中庭热舒适度的因素，并提出了改善措施。陈靖2等对甘肃某博物馆中庭热环境进行了数值模拟分析。Kotani3,4对四个拥有不同中庭尺寸的高层住宅建筑进行了问卷调查，以弄清居住者对实际环境的评价；同时通过风洞实验对风压和热压作用下的高层住宅中庭的通风问题进行了初步探讨和研究。国内外大量的学者对中庭内环境做了相当程度的研究，并且取得显著成果，但是大多数只局限于对商用建筑中庭内环境的研究。而即使是对高层住宅建筑内的中庭研究（如Kota

3、ni3,4）也没有具体到对中庭断面形状和尺寸对高层住宅建筑热压通风影响的研究。本文运用数值模拟和实验相结合的方法对中庭断面形状和尺寸对高层住宅建筑热压通风影响进行了研究。 1数值模拟 1.1 物理模型及模拟工况物理模型及模拟工况 （a） 轴测图 （b） 平面图 图1 具有中庭的高层住宅建筑物理模型(单位：mm) 选用具有中庭空间的一梯两户对称式十层住宅建筑，建筑外围尺寸为长 宽=15000mm 15000mm，层高3000mm，物理模型如图1。中庭位于建筑中心，不同断面形状相同断面面积中庭如表1，不同断面尺寸中庭如表2。窗户尺寸均为2000mm 1500mm。 表 1 不同长宽比矩形中庭 表

4、2 不同断面尺寸中庭 中庭编号 长宽比 尺寸 a m b 基金项目：国家自然科学基金项目（50778064） c 1 1.2边界条件边界条件 考虑到自然通风主要适用在春秋过度季节和炎热季节温度相对较低的夜晚，取室外温度为20。为简化计算模型，不考虑各热源间的辐射作用。建筑墙体除楼板外均为绝热墙体，使得热量交换全部通过热对流来完成。楼板为平面热源，各层楼板发热量均为15KW（楼板面积约为100，室内冷负荷取150Wm-2）。窗口均为自由出流边界条件。 1.3 1.3 选择控制方程选择控制方程 室内空气流动一般为低速流动，流速通常在10m s-1以下，而实际密度变化比较小可认为空气流动符合Bous

5、sinesq假设.流体中的粘性耗散略而不计：除密度外其它物性为常数；对密度变化仅考虑动量方程中与体积力(如浮升力)有关的项，其余各项中的密度作为常数。空气流动通常都是湍流流动。采用MIT零方程模型能获得比K-模型更为准确的结果，而且MIT零方程模型对室内等温和非等温流动能快速获得模拟结果,并能保证一定的准确度。鉴于此,计算中采用了Chen Qingyan5等人根据直接数值模拟结果提出的适合模拟室内自然对流和混合对流流动的零方程湍流模型。室内空气湍流流动的控制微分方程可以用通式表示为 ()()divugradSt （1） 式中：代表流体的速度，焓(温度)等物理量。紊流系数t tvL （2） 式中

6、：为流体密度kgm-3，v是速度ms-1，L为与最近墙的距离m，为经验数值。 2实验验证 2.1 2.1 实验模型实验模型 图 3 楼板组成 图2 实验模型 图 4 室内温度探头布置 由于本次数值模拟各工况具有相似性，实验选取其中一个工况进行验证，即选取中庭编号为c（中庭尺寸为As2）这一工况下的模型进行实验验证。本次实验选在2009年春季做的，模型周围环境温度基本恒定为20。根据阿基米德相似准则，实验模型采用1/25的缩尺比例制作，实验模型如图2所示。整个模型主要用厚8mm的有机玻璃制作，每层楼板则采用5mm的保温性能较好的聚乙烯板，楼板上下均贴有3mm厚的保温材料，如图3所示。各层楼板均匀

7、铺设电加热膜，模拟室内热源。风速均由热线风速仪(testo8347)测量得出。中庭内部以及各住户室内温度由感温探头金属铂电阻（Pt100）测得，感温探头通过导线连接于无纸记录仪（EN880，北京英华达）数据自动记录输出。 2.2 2.2 模型实验与数值模拟结果比较分析模型实验与数值模拟结果比较分析 中庭 简称 尺寸 中庭尺寸 1 As1 2.5m2.5m 中庭尺寸 2 As2 3.0m3.0m 中庭尺寸3 As3 3.5m3.5mm 中庭尺寸 4 As4 4.0m4.0m 中庭尺寸 5 As5 4.5m4.5mm 中庭尺寸 6 As6 5.0m5.0mm 00.511.522.53369121

8、51821242730中庭中心垂直方向高度/m速度/ms-1数值模拟模型实验24.52525.52626.52727.52836912151821242730中庭中心垂直方向高度/m温度/数值模拟模型实验 图4 中庭中心垂直方向上速度分布比较图5 中庭中心垂直方向上温度分布比较 模型实验和数值模拟中庭内垂直方向上速度分布比较如图4。从图4中可以看出，模型实验和数值模拟在中庭中心垂直方向上速度分布规律一致，模型实验测试的速度比数值模拟的速度略小，但是速度的数值很接近。除了在中庭中心垂直高度为3m相对误差为22%，高度为6m时相对误差为11%，其他高度处误差均在5%以下。从图中5可以看出，模型实验

9、和数值模拟在中庭中心垂直方向上温度分布规律一 图6 住户室内温度比较致，中庭越往高处温度越高。且误差都在5%以内。从图6中可以看出模型实验和数值模拟在各住户室内温度分布规律基本吻合。只是在顶层住户处两者之间的误差超过了5%，这是由于导热的现象的存在。第十层住户由于其楼顶与室外接触，而室外温度较低，两者之间的导热不可忽略，使得模型实验室最顶层与次顶层之间温度很接近。 综上分析可知，模型实验和数值模拟结果基本吻合，可以用 Airpak 软件来模拟此类热压通风问题。 3 数值模拟结果与讨论 3.1 中庭断面形状对高层住宅建筑通风影响分析中庭断面形状对高层住宅建筑通风影响分析 0.511.522.53

10、36912151821242730中庭垂直方向高度（m）速度（m/s）cba2324252627282936912151821242730中庭垂直方向高度(m)温度()cba 图 7 不同断面形状中庭中心风速比较图 8 不同断面形状中庭中心温度比较 不同断面形状中庭中心风速比较如图7所示。从图中可以看出不同断面形状中庭中心垂直方向上风速分布规律一样，只是数值大小不一样，但是三者之间数值大小相差比较小。也就是说仅热压通风条件下，具有相同断面面积，不同长宽比矩形中庭的高层住宅建筑，其中庭内风速相差不大。从图中还可以看出长宽比大的中庭a即中庭尺寸为2m 其中庭内风速稍大，b次之，c最小。中庭a情况下

11、，中庭内相对的两扇窗户距离最大(当中庭长宽不同时，短边为图1（a）中窗户所在边)，使得从住户室内进入中庭的横向气流相互冲撞小，从而增大了中庭的通风量。Luoyang6也得出过类似结果，中庭含窗的相对两面墙距离越大，中庭内通222324252627282912345678910住户1所在楼层温度/数值模拟模型实验2324252627282912345678910住户1所在楼层温度()cba风量稍大。 由于a内风速最大，除去同样热负荷，风量越大，当然中庭内温度相对越低，如图8所示。而对于不同断面形状住户室内温度的比较如图9，三条曲线几乎重合。这主要是因为中庭通风量相差小，相差最大的不超过7%，因此

12、具有相同断面面积变化建筑内中庭的长宽比，住户室内温度的变化不大，可知中庭断面形状不是高层住宅建筑热压通风的主要影响因素。 图 9 不同断面形状中庭住户室内温度比较 3.1 中庭断面尺寸对高层住宅建筑通风影响分析中庭断面尺寸对高层住宅建筑通风影响分析 2424.52525.52626.52727.52836912151821242730中庭垂直方向高度 (m)温度()As1As2As3As4As5As605101520253035404536912151821242730中庭垂直方向高度 (m)体积流量(m/s)As1As2As3As4As5As6 图10 不同断面尺寸中庭垂直温度分布图11 不

13、同断面尺寸中庭内通风量分布 图10对不同尺寸中庭内垂直温度分布进行了比较。图10表明随着中庭尺寸的增加，中庭内温度越来越低，说明增大中庭尺寸对中庭内的温降有很好的效果。对各条曲线的间隙进行比较发现，随着中庭尺寸的增大，曲线间的间隔越来越小，说明中庭尺寸的增大与中庭内温降效果并不是成绝对正比的。当中庭尺寸增大到一定程度，中庭尺寸的增加对中庭内温降效果已经没有很大意义了。由于每个中庭尺寸不同，对中庭内风速的比较没有实际意义。所以对中庭内通风量进行了比较，如图11。图11表明随着中庭尺寸的增加，中庭内的通风量也相应增大，说明中庭尺寸的增加有助于增大中庭内通风量。图11中可以看出，随着中庭尺寸的增大，

14、曲线间的间隔也越来越小，说明中庭尺寸的增大与中庭内通风量的增加同样不是成绝对正比的。当中庭尺寸增大到一定程度，中庭尺寸的增加对增大中庭通风量的意义也不是很大了。 取每层A点位置，如图1（b），且距每层楼板高度处点的温度为各住户室内温度。不同尺寸中庭住户室内温度比较如图12所示。图12表明，随着中庭尺寸的增加，同一层住户室内温度越来越低。但是当中庭尺寸增大到一定程度，即当增大到曲线As4时，接下来中庭尺寸的增加，同一层住户室内温降便不那么明显，如图12， As4As6，三条曲线很靠近。说明当中庭尺寸增大到As4后，中庭尺寸的增加对住户室内温降效果已经不明显了。取住户室内温度在1827即满足住图1

15、2 不同断面尺寸中庭住户室内温度比较 户的热舒适性要求，则 As3 即中庭尺寸为3500mm 3500mm便能满足本建筑除最顶上两层外其它住户室内的热舒适要求。图12中六条曲线温度最高点都在建筑顶层，并且温度很接近，说明中庭尺寸的增加对建筑顶层住户的室内温降没有明显效果。从图11中也可以解释，到了建筑顶层，各曲线的斜率都很小，曲线接近水平，即各个中庭尺寸下顶层住户流向中庭的空气流量很小，所以对于高层住宅建筑顶层住户，不能单靠增大中庭尺寸来改善其住户室内热舒适度，可以采用其他方式来解决，需要以后的进一步研究。 4 结论 2324252627282912345678910住户所在楼层温度()As1

16、As2As3As4As5As6（1）相同断面面积长宽比大的中庭即含窗户的两相对中庭墙面距离大的中庭对住户的通风效果稍好，相同位置处，该中庭内温度稍低，风速稍大。但是不同长宽比相同断面面积的矩形中庭通风效果相差不大，中庭通风量相差最大不超过7%。可以认为，矩形中庭的长宽比不是影响中庭通风效果的主要因素。 （2）热压作用下，随着中庭尺寸的增加，中庭内温降效果越来越明显，中庭通风量越来越大，住户室内的温度也越来越趋于人们所能接受的温度，当中庭尺寸为3500mm 3500mm时，便能满足本建筑住户室内热舒适度要求。 （3）随着中庭尺寸的进一步增大，中庭热压通风效果进一步趋于良好，但是变化的速率越来越慢

17、，即当中庭尺寸增大到一定程度，中庭尺寸的增大对高层住宅建筑通风效果的改善已经显得意义不大，而且这样对于解决城市住房日益紧张的问题不利。 （4）对于高层住宅建筑的顶层住户，中庭尺寸的增大对降低其室内温度的效果不明显。所以对于高层住宅建筑顶层住户，不能单靠增大中庭尺寸来改善其室内热舒适度。 参考文献参考文献 1王崇杰，温超，赵学义. 影响建筑中庭热舒适度的几个因素及改善措施J. 华中建筑， 2006，24(03)：80-83 2陈靖，王怡，刘加平. 甘肃某博物馆中庭热环境数值模拟与分析J. 制冷与空调（北京），2007，07（02）：36-39 3Hisashi Kotani, Masaya Na

18、rasaki, Ryuji Sato et al. Environmental assessment of light well in high-rise apartment buildingJ. Building and Environment. 2003,38(02): 283-289 4Hisashi. Kotani, R. Satoh, T. Yamanaka. Stackeffectin light well of high rise apartmen buildingc. In: International symposium on air conditioning in high rise buildings, Shanghai,China, 1997, 628-633 5Chen