建筑中庭熱壓自然通風(fēng)計劃

建筑中庭熱壓自然通風(fēng)設(shè)計研究摘要：中庭熱壓自然通風(fēng)設(shè)計是中庭建筑物理環(huán)境設(shè)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(fēng)換氣量的大小和中和面的位置是關(guān)鍵的考慮因素。對于后者而言，設(shè)計不當(dāng)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(yán)重影響高層房間的熱環(huán)境。本文將利用流體網(wǎng)絡(luò)方法，將中庭熱壓自然通風(fēng)問題簡化為一個流體網(wǎng)絡(luò)問題，通過求解非線性方程組，對影響中庭熱壓自然通風(fēng)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(dǎo)設(shè)計的一些基本原則和方法。關(guān)鍵字：中庭熱壓自然通風(fēng)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(yīng)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(yīng)和煙囪效應(yīng)。溫室效應(yīng)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(yīng)是由于中庭較大的得熱量而導(dǎo)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(yīng)針對不同季節(jié)采用不同的氣候控制方式。冬季：白天應(yīng)充分利用溫室效應(yīng)，并使得中庭頂部處于嚴(yán)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(yīng)采取遮陽措施，避免過多太陽輻射進入中庭，同時應(yīng)利用煙囪效應(yīng)引導(dǎo)熱壓通風(fēng)，中庭底部從室外進風(fēng)，從中庭頂部排出。同時注意，要避免室外新風(fēng)通過功能房間進入中庭，否則將導(dǎo)致該功能房間新風(fēng)量增大而導(dǎo)致冷負荷大幅度增加。過渡季：當(dāng)室外溫度較低時（如低于25°C時候），則應(yīng)充分利用中庭的煙囪效應(yīng)拔風(fēng)，帶動各個功能房間自然通風(fēng)，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(fēng)設(shè)計中，換氣量和中和面的位置是其中關(guān)鍵的考慮因素，尤其對于后者而言，設(shè)計不當(dāng)會導(dǎo)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(yán)重影響高層房間的熱環(huán)境。本文將利用流體網(wǎng)絡(luò)方法，將中庭熱壓自然通風(fēng)問題簡化為一個流體網(wǎng)絡(luò)問題，通過求解非線性方程組，對影響中庭熱壓自然通風(fēng)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(dǎo)建筑中庭自然通風(fēng)設(shè)計的一些基本原則和方法。2.數(shù)學(xué)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(fēng)示意圖和簡化的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖如圖1所示，網(wǎng)絡(luò)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(fēng)網(wǎng)絡(luò)的阻力部件。圖1建筑熱壓自然通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖針對上述通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖，按照流體網(wǎng)絡(luò)的方法，可列出下述方程組：其中，為各支路的通風(fēng)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(biāo)高，為中庭頂部排風(fēng)窗的平均標(biāo)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(biāo)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。嶼3死.偵計算結(jié)促果與分垂析院通過建葛立上述雅數(shù)學(xué)?？坌?，能籍夠?qū)τ皢T響各個支支路的柿通風(fēng)量返和氣流刪方向進貼行仔細捐的分析裹，并從奸而能判饅斷中和犯面的變滋化特征摟。由于蓋文章的舉篇幅有匯限，并逃考慮到豆在中庭腿熱壓自淺然通風(fēng)違設(shè)計中而，影響瞧較大的妖通常是床中庭高歐處的排竭風(fēng)窗的舉設(shè)計，吼因此本疤文重點默對排風(fēng)舞窗的設(shè)紐計參數(shù)收進行分紗析。湖3.1囑渾改變中畢庭排風(fēng)應(yīng)窗的高兆度鴿對于此夾四層建疲筑而言座，為了約避免出客現(xiàn)第三建、四層積熱壓自幻然通風(fēng)毒出現(xiàn)倒翼灌現(xiàn)象病，建筑繞師通常慢會考慮統(tǒng)提高中曬庭排風(fēng)湯窗的高額度，甚輪至?xí)ǘ^采用聚專門的鑄通風(fēng)煙偵囪以希環(huán)望抬高手中和面院位置。酬圖霞2趟是隨著砍中庭排菜風(fēng)窗位奉置的提登高，中村庭各個麻支路流篇量的變閱化曲線損圖。其捧它計算宜條件是孟：室外放節(jié)點均久為及2贈0捷℃緒，室內(nèi)寧節(jié)點均佛為跟3麗0眠℃作。各層竭支路上醉的阻查抗市S悶值均壇為籌4黎（單位疏均丸為右kg/挪m摩7拐）拖。介h1=痛0,h胃2=4屈,h3捕=8,缺h4=少1碰2?。▎挝恍蔷o為員m掛，下同饞）。宵圖畜2形來各個支床路流量疑的變化援曲線圖嫁（中庭撐排風(fēng)窗叨高度變售化）究從揚圖鄭2霞可知單助純提高幕最高層遭節(jié)點的銀高度，桌中和面委提高非浩常緩慢艦，并不跨如通常月想象中裹那樣，率大約為殊最高層吹通風(fēng)節(jié)重點高度畏一半的令位置。亞當(dāng)最高攤點的位蛛置提高苦到攀80虜m盛的時候燦，才能誰避免第學(xué)四層的書支路出卷現(xiàn)氣流么倒灌現(xiàn)設(shè)象的發(fā)葉生，即豆此時中娛和面的鬧位置才轉(zhuǎn)達到第者四層支泰路的高莖度券12告m頂。從另撫一方面屑，可以賞發(fā)現(xiàn)隨刻著最高父層節(jié)點腫高度的唯增加，扔各層的幸熱壓通罰風(fēng)流量紀(jì)都在增座加。迫3.2薪烘改變中襪庭頂部環(huán)的溫度牽建筑師蠻可以采縱取一些突措施提妖高中庭僚頂部的殲局部溫像度，比慶如布置吃一些金贊屬集熱塞板。群圖他3小是隨著厲中庭頂時部的溫魚度的提裝高，中防庭各個留支路流悅量的變象化曲線愧圖。其徐他計算赤條件是庫：室外疏節(jié)點均鵝為朝2滑0館℃盲，室內(nèi)廁下四個惕節(jié)點均秒為植3捏0可℃爪。各層泡支路上葬的阻達力早S嗎均倆為申4回。填h1=屢0,h省2=4壽,h3冠=8,故h4=覆12,赤h5=抽1斥6邊?？v圖睬3概睛各個支小路流量岡的變化萌曲線圖侍（中庭筐頂部溫訂度變化烤）雅從震圖姿3盲可知，召隨著中失庭頂部教溫度的尺提高，繪各層熱違壓通風(fēng)銹量有緩臥慢上升晌，但對找于中和艦面位置患幾乎沒歷有變化淹；第四盛層支路湊通風(fēng)量袖始終為比負值，片說明從抗一、二露、三層牛來的熱孩壓通風(fēng)刃氣流一義部分從光中庭頂擦部排風(fēng)訪窗排出溜，另一首部分從叮四層倒撇灌進入齒再排出鉆室外。顆這是在哭通風(fēng)設(shè)控計中必禍須要避科免的。封從上面悟分析可骨知，中唱庭頂部其溫度的域變化對抓中和面扶位置的早變化影貴響很小宗。葬3.3容紅改變中撲庭頂部延排風(fēng)窗悶的阻餃抗森S5晚由公式躁（織6拘）可知頁，加大借中庭頂顧部排風(fēng)罰窗的開族口面積巡，是降坊低中庭駁通風(fēng)商窗籌S滲5紐的最直抬接有效郵的方式哪。貧圖煤4震是隨著塘中庭頂蜻部排風(fēng)課窗的阻置抗街S旗5州值的提豬高，中遵庭各個外支路流稅量的變和化曲線塌圖。其膜它計算春條件是箭：室外逃節(jié)點均箱為桐2宜0折℃鋸，室內(nèi)堅節(jié)點均生為盛3晌0蜘℃砍。地下莖四層支踏路上的桂阻斯力肺S繪均算為雷4汪。資h1=恭0,h慶2=4濱,h3暴=8,付h4=磚12,郊h5=毒1骨6劇。揀圖詢4御棒各個支繁路流量床的變化啊曲線圖繁（中庭炭頂部溫篇度變化己）狗從黎圖侮4胞可知，斤隨著中次庭頂部涂排風(fēng)窗零的阻抗刊的提高趣，各層癢熱壓通亮風(fēng)量和框中和面醒位置都敵有所下符升，其酬中對第肅三層支失路的通纏風(fēng)量影于響較大蝦。第四惹層支路座始終處也于氣流舟倒灌的闊狀態(tài)，東而當(dāng)頂卡層排風(fēng)恭窗阻料抗恥S5=秤4芽時，第鉆三層通咸風(fēng)量采為旋0箏，表明綱此時中黃和面位照置處于邪第三層店支路的摩高度上啞，即交為灘8腰m榴；汁當(dāng)嬸S日5鴿大體于露4錄時，第錘三層支足路開始幕進入倒拜灌狀態(tài)廁。從上漸面分析觀可知，刺改變中襲庭頂部鞭排風(fēng)窗繩的面積跪（進而鬼改變阻留抗潮S決5老值），皺對中庭但熱壓自虹然通風(fēng)防中和面庭位置有身著較大廳影響。富3.4養(yǎng)奴中庭熱標(biāo)壓自然奶通風(fēng)設(shè)互計原則戀通過上緩述的分袍析，并睬結(jié)合實京際的工坊作案例棒，可總暗結(jié)得出家在中庭傾熱壓自取然通風(fēng)棟設(shè)計中么的一些平原則和筒方法：損1喉）論增在熱壓微自然通孤風(fēng)設(shè)計飾中，中皺和面的川位置是澤其中一造個至關(guān)女重要的服因素；隨上述模出擬分析湖表明，高中和面燒的位置蝶通常并睬不是處攀于建筑炒最高通撥風(fēng)節(jié)點炕的一半允位置，載而受到漠各個通遇風(fēng)節(jié)點跨溫度、事標(biāo)高、純阻抗的逢影響。晶利用上遵述模擬叨計算方傲法，能死定量研胞究各通鞏風(fēng)支路煩的流量錄和流向弄，對中將庭自然雪通風(fēng)設(shè)屬計能起用到輔助旅作用；佛2妨）羞住在上述提計算分撇析中，拆可發(fā)現(xiàn)窄要使得場中和面悶的位置隔高于建勞筑所有嗽功能房飽間所在低層的高烤度是非誘常不容奸易的。宅在這種撈情況下壽，可考坡慮將建曠筑高層犯和底層鼠的熱壓東通風(fēng)設(shè)寶計為不康同的通裙風(fēng)網(wǎng)絡(luò)詢。對于糧本文中長討論建眾筑可以避考慮采武用如天圖孔5仇所示的頭通風(fēng)方統(tǒng)式，即物建筑的鼠一、二四層與中闊庭頂部叛排風(fēng)窗技構(gòu)成一遼個通風(fēng)描網(wǎng)絡(luò)；哄而三、爐四層與吳中庭頂范部另一數(shù)個排風(fēng)井窗構(gòu)成葡另外一蓮個通風(fēng)擇網(wǎng)絡(luò)。睜此時，附兩個通睬風(fēng)網(wǎng)絡(luò)啞的中和蘿面位置既均有可找能高于奴各自對例應(yīng)的最政高層功少能房間布的通風(fēng)庸窗標(biāo)高勾，因此暫能避免灑出現(xiàn)倒另灌現(xiàn)象配發(fā)生鞠。障福3簽）亞閥上述分叨析可知鴿各支路綿的阻力直狀況對笛通風(fēng)的波效果影書響很大演。熱壓荒自然通徐風(fēng)相比勁風(fēng)壓自律然通風(fēng)澤而言更決是一個啟微動力秤的通風(fēng)農(nóng)方式。慢因此要勸想取得顆較好的緒通風(fēng)效波果，應(yīng)重盡可能福減少阻侄力；對蛛于帶有描中庭的頸辦公建檔筑而言姐，開敞抱的空間水布局的徹?zé)釅和ㄍL(fēng)效果給就要比釋采用隔珍間方式塘的布局肆好的多最。圖4盛.話結(jié)論揭1塵、本文片利用流只體網(wǎng)絡(luò)鄰的基本副原理提畜出了一贈個能定盛量計算夠熱壓自緒然通風(fēng)幸設(shè)計的徑方法；總通過此魯方法能朗對通風(fēng)截量和中麻和面位賣置進行扁分析和李判斷，超進而能槐對設(shè)計渾起到輔施助作用燃；魔2停、熱壓段自然通掛風(fēng)設(shè)計銅中，尤誰其要重戶視中和括面所在級位置。乒分析表制明，要陣使得中啦和面的孫位置高漂于建筑調(diào)所有功賠能房間繡所在層偶的高度變是非常