建筑中庭熱壓自然通風設計

建筑中庭熱壓自然通風設計研究摘要：中庭熱壓自然通風設計是中庭建筑物理環(huán)境設計中需要重點考慮的問題，需要建筑師和工程技術(shù)人員共同研究解決。其中，通風換氣量的大小和中和面的位置是關鍵的考慮因素。對于后者而言，設計不當會出現(xiàn)中庭熱空氣在高處倒灌進入功能房間的情況發(fā)生，嚴重影響高層房間的熱環(huán)境。本文將利用流體網(wǎng)絡方法，將中庭熱壓自然通風問題簡化為一個流體網(wǎng)絡問題，通過求解非線性方程組，對影響中庭熱壓自然通風換氣量以及中和面位置遷移的各個因素進行研究和分析，并提出指導設計的一些基本原則和方法。關鍵字：中庭熱壓自然通風中和面1.引言自1967年約翰波特曼在亞特蘭大的海特攝政旅館首次引入現(xiàn)代意義上的中庭建筑形式之后，在世界范圍內(nèi)掀起了一股建造中庭的熱潮，在各種類型的公共建筑中都出現(xiàn)了中庭[1]。中庭作為公共建筑整體的一部分，其構(gòu)成的共享空間具有某種開放感和自由感，使得室內(nèi)空間具有室外感，迎合了人們熱愛自然的天性，因而得到了廣泛的應用。中庭通常具有不同于一般建筑形式的特點：大體量、高容積以及大面積的玻璃屋頂或者玻璃外墻，如何維持中庭良好的物理環(huán)境成為建筑師和工程技術(shù)人員需要共同協(xié)商解決的問題。中庭有兩種明顯的氣候控制特點：溫室效應和煙囪效應。溫室效應是由于太陽的短波輻射通過玻璃溫暖室內(nèi)建筑表面，而室內(nèi)建筑表面的波長較長的二次輻射則不能穿過玻璃反射出去，因此中庭獲得和積蓄了太陽能，使得室內(nèi)溫度升高。煙囪效應是由于中庭較大的得熱量而導致中庭和室外溫度不同而形成中庭內(nèi)氣流向上運動。為了維持中庭良好的物理環(huán)境，應針對不同季節(jié)采用不同的氣候控制方式。冬季：白天應充分利用溫室效應，并使得中庭頂部處于嚴密封閉狀態(tài)，夜晚利用遮陽裝置增大熱阻，防止熱量散失。夏季：應采取遮陽措施，避免過多太陽輻射進入中庭，同時應利用煙囪效應引導熱壓通風，中庭底部從室外進風，從中庭頂部排出。同時注意，要避免室外新風通過功能房間進入中庭，否則將導致該功能房間新風量增大而導致冷負荷大幅度增加。過渡季：當室外溫度較低時（如低于25°C時候），則應充分利用中庭的煙囪效應拔風，帶動各個功能房間自然通風，及時帶走聚集在功能房間室內(nèi)和中庭的熱量。在中庭熱壓自然通風設計中，換氣量和中和面的位置是其中關鍵的考慮因素，尤其對于后者而言，設計不當會導致中庭熱空氣在高處倒灌進入主要功能房間的情況發(fā)生，嚴重影響高層房間的熱環(huán)境。本文將利用流體網(wǎng)絡方法，將中庭熱壓自然通風問題簡化為一個流體網(wǎng)絡問題，通過求解非線性方程組，對影響中庭熱壓自然通風換氣量以及中和面遷移的各個因素（如開窗高度、面積等）進行研究和分析，從而能提出指導建筑中庭自然通風設計的一些基本原則和方法。2.數(shù)學模型以一個帶有中庭的四層樓的建筑作為分析對象，熱壓自然通風示意圖和簡化的通風網(wǎng)絡圖如圖1所示，網(wǎng)絡圖由室外節(jié)點、室內(nèi)節(jié)點和中庭節(jié)點構(gòu)成，門窗等構(gòu)成通風網(wǎng)絡的阻力部件。圖1建筑熱壓自然通風網(wǎng)絡圖針對上述通風網(wǎng)絡圖，按照流體網(wǎng)絡的方法，可列出下述方程組：其中，為各支路的通風氣流流量。為各支路阻抗。為中庭各節(jié)點的空氣密度；為室外空氣密度。為中庭各層的平均標高，為中庭頂部排風窗的平均標高。上述五個方程，有五個未知數(shù)，是一個非線性可解方程，可利用EES計算軟件求解該方程。研究中和面位置的遷移情況，實際上就是研究各個支路的流向問題，如果支路流量計算結(jié)果為負值，則表明與圖中所示的流向相反。對上述方程組分析可知，熱壓中和面位置的主要影響因素包括：中庭各層節(jié)點標高，中庭各層的溫度，各層阻力元件S值的影響，即中和面位置。此外，對于通過一個大開口的湍流流動，壓降可以用下式求得[2]：，因此。（6）其中：A－開口面積，m2Cd－開口系數(shù)，取決于開口的特性和流動的雷諾數(shù)Re；因此，可認為S主要取決于窗戶的開口面積。3.計算結(jié)果與分析通過建立上述數(shù)學模型，能夠?qū)τ绊懜鱾€支路的通風量和氣流方向進行仔細的分析，并從而能判斷中和面的變化特征。由于文章的篇幅有限，并考慮到在中庭熱壓自然通風設計中，影響較大的通常是中庭高處的排風窗的設計，因此本文重點對排風窗的設計參數(shù)進行分析。3.1改變中庭排風窗的高度對于此四層建筑而言，為了避免出現(xiàn)第三、四層熱壓自然通風出現(xiàn)倒灌現(xiàn)象，建筑師通常會考慮提高中庭排風窗的高度，甚至會通過采用專門的通風煙囪以希望抬高中和面位置。圖2是隨著中庭排風窗位置的提高，中庭各個支路流量的變化曲線圖。其它計算條件是：室外節(jié)點均為20℃，室內(nèi)節(jié)點均為30℃。各層支路上的阻抗S值均為4（單位均為kg/m7）。h1=0,h2=4,h3=8,h4=12（單位均為m，下同）。圖2各個支路流量的變化曲線圖（中庭排風窗高度變化）從圖2可知單純提高最高層節(jié)點的高度，中和面提高非常緩慢，并不如通常想象中那樣，大約為最高層通風節(jié)點高度一半的位置。當最高點的位置提高到80m的時候，才能避免第四層的支路出現(xiàn)氣流倒灌現(xiàn)象的發(fā)生，即此時中和面的位置才達到第四層支路的高度12m。從另一方面，可以發(fā)現(xiàn)隨著最高層節(jié)點高度的增加，各層的熱壓通風流量都在增加。3.2改變中庭頂部的溫度建筑師可以采取一些措施提高中庭頂部的局部溫度，比如布置一些金屬集熱板。圖3是隨著中庭頂部的溫度的提高，中庭各個支路流量的變化曲線圖。其他計算條件是：室外節(jié)點均為20℃，室內(nèi)下四個節(jié)點均為30℃。各層支路上的阻力S均為4。h1=0,h2=4,h3=8,h4=12,h5=16。圖3各個支路流量的變化曲線圖（中庭頂部溫度變化）從圖3可知，隨著中庭頂部溫度的提高，各層熱壓通風量有緩慢上升，但對于中和面位置幾乎沒有變化；第四層支路通風量始終為負值，說明從一、二、三層來的熱壓通風氣流一部分從中庭頂部排風窗排出，另一部分從四層倒灌進入再排出室外。這是在通風設計中必須要避免的。從上面分析可知，中庭頂部溫度的變化對中和面位置的變化影響很小。3.3改變中庭頂部排風窗的阻抗S5由公式（6）可知，加大中庭頂部排風窗的開口面積，是降低中庭通風窗S5的最直接有效的方式。圖4是隨著中庭頂部排風窗的阻抗S5值的提高，中庭各個支路流量的變化曲線圖。其它計算條件是：室外節(jié)點均為20℃，室內(nèi)節(jié)點均為30℃。地下四層支路上的阻力S均為4。h1=0,h2=4,h3=8,h4=12,h5=16。圖4各個支路流量的變化曲線圖（中庭頂部溫度變化）從圖4可知，隨著中庭頂部排風窗的阻抗的提高，各層熱壓通風量和中和面位置都有所下升，其中對第三層支路的通風量影響較大。第四層支路始終處于氣流倒灌的狀態(tài)，而當頂層排風窗阻抗S5=4時，第三層通風量為0，表明此時中和面位置處于第三層支路的高度上，即為8m；當S5大于4時，第三層支路開始進入倒灌狀態(tài)。從上面分析可知，改變中庭頂部排風窗的面積（進而改變阻抗S5值），對中庭熱壓自然通風中和面位置有著較大影響。3.4中庭熱壓自然通風設計原則通過上述的分析，并結(jié)合實際的工作案例，可總結(jié)得出在中庭熱壓自然通風設計中的一些原則和方法：1）在熱壓自然通風設計中，中和面的位置是其中一個至關重要的因素；上述模擬分析表明，中和面的位置通常并不是處于建筑最高通風節(jié)點的一半位置，而受到各個通風節(jié)點溫度、標高、阻抗的影響。利用上述模擬計算方法，能定量研究各通風支路的流量和流向，對中庭自然通風設計能起到輔助作用；2）在上述計算分析中，可發(fā)現(xiàn)要使得中和面的位置高于建筑所有功能房間所在層的高度是非常不容易的。在這種情況下，可考慮將建筑高層和底層的熱壓通風設計為不同的通風網(wǎng)絡。對于本文中討論建筑可以考慮采用如圖5所示的通風方式，即建筑的一、二層與中庭頂部排風窗構(gòu)成一個通風網(wǎng)絡；而三、四層與中庭頂部另一個排風窗構(gòu)成另外一個通風網(wǎng)絡。此時，兩個通風網(wǎng)絡的中和面位置均有可能高于各自對應的最高層功能房間的通風窗標高，因此能避免出現(xiàn)倒灌現(xiàn)象發(fā)生。3）上述分析可知各支路的阻力狀況對通風的效果影響很大。熱壓自然通風相比風壓自然通風而言更是一個微動力的通風方式。因此要想取得較好的通風效果，應盡可能減少阻力；對于帶有中庭的辦公建筑而言，開敞的空間布局的熱壓通風效果就要比采用隔間方式的布局好的多。4.結(jié)論1、本文利用流體網(wǎng)絡的基本原理提出了一個能定量計算熱壓自然通風設計的方法；通過此方法能對通風量和中和面位置進行分析和判斷，進而能對設計起到輔助作用；2、熱壓自然通風設計中，尤其要重視中和面所在位置。分析表明，要使得中