上海市建筑科学研究院 上海 200032
摘要：具有中庭的建筑以其能够引入自然光、造成舒适的室内环境等显著功能受到建筑师的普遍青睐而应用于各类建筑中。为了研究这类建筑具有的良好热湿环境和节能效果的深层次原因，首先确定模型的相似准则数及各物理参数的比例尺寸，并对其在风压和热压共同作用下气流对中庭建筑通风效果的影响。结果表明，气流方向对中庭建筑产生良好的烟囱效果、有利于中庭建筑的通风换气的角度；在风压和热压同时作用下，横向开口越多，中庭换气量就越大。
关键词：中庭建筑；通风性能；模型试验；风洞
1 引言
具有中庭的建筑以其能够引入自然光、造成舒适的室内环境等显著功能而受到建筑师的普遍青睐，特别是在城市建筑迅速发展的今天，中庭建筑广泛的应用于银行、宾馆、办公、住宅和商业建筑中。中庭建筑的一大特点是具有一个或多个在竖直方向连续贯通多层的大型空间。这种结构形式增加了建筑空间的魅力与建筑的功能，为建筑的节能及改善室内环境提供了良好的条件。虽然国内外大量的学者都注意到了中庭这个特殊的建筑形式，但对建筑中庭内部气流流动特性的研究较多，对中庭邻室的通风特性研究较少；只考虑了中庭通风所带来的舒适环境，而对其所产生的节能效果评价较少。
基于目前中庭建筑通风的研究现状及我国的实际情况，建筑中庭空间自然通风具有风压和热压作用的十分复杂的混合通风换气流动特性（考虑到建筑物外部的气流、中庭结构特征、各种横向开口的位置及大小、人员活动的不确定性等），各种影响因素对建筑中庭实现节能效果的具体分析以及各因素之间的内在关联和相互耦合是当前涵待解决的问题，因此解决热压和风压共同作用来描述建筑中庭空间与室内及室外间混合通风换气流动的规律和特性是我们所研究的问题。
2 模型实验的理论基础
模型实验的假定条件：进行模型设计时，从理论上讲，要保证模型与原型流动问题的力学相似，必须是两个流动几何相似、运动相似、动力相似，以及两个流动的边界条件和起始条件相似。在模型研究中，需要抓住所研究现象的本质，将不影响全局的因素只作为近似的保证或忽略不计，使模型研究结果不产生较大误差。因此作出了一系列相应试验假设。
2.1几何相似
由于风洞实验段截面积为150×150cm2，理论要求模型迎风面积小于实验段面积12.5%，则模型与风洞高度比应在40%左右，则实体建筑尺寸为15000×15000×30000mm（长×宽×高），模型尺寸为300×300×600mm。
2.2 运动相似
3.模拟
3.1 气流方向对建筑通风影响的模拟
讨论建筑仅受横向风作用，实验规定模型所有窗户全部开启，来流风速2m/s。模拟的风向角度定为0°，90°。
3.1.1 模拟结果及分析
（1）工况一
取各层中庭中心点及中庭顶点为各工况对比点，工况一各点的平均风速见图3。从图上可以得出，当来流风向与高层住宅的正面夹角为0°时，中庭内的气流方向垂直。在1-3层，垂直方向气流速度不大，且主要为中庭对住户空间通风，随着高度的增加通风量有所增加；在4-8层，垂直风速增加，中庭对住户房间的通风量基本保持不变；到第9层，垂直风速继续增加，横向气流改为住户往中庭通风，但风速很小，通风量不大；到第10层，中庭内的垂直气流增加到最大，住户往中庭的通风量也有一定程度的增加。在图9中可以看出在整个住宅建筑中，最小风速在底层，最高风速在顶层，风速随着高度的增加而增加。可见，在0°角时，中庭的烟囱效应明显，此时，中庭的通风量为7.84 。
（2）工况二
当来流风向与建筑的正面夹角为90°时中庭内的气流分为两部分，一部分为垂直通风，一部分为横向通风，横向通风量大于垂直通风量，随着建筑高度的增加，垂直通风量增加，而横向通风量减少，这种现象随着层数的增高而明显。此时的通风效果仍然不利于建筑内的通风换气。取各层中庭中心点及中庭顶点为各工况对比点，工况一各点的平均风速见图4。由图可以看出，中高层位置的中庭风速随着建筑高度的增加而减少，中庭最小风速出现在整个住宅建筑的3/4高度处，最大风速仍然为中庭顶部。在此工况下，中庭的通风量为6.05 ，相对于工况一减少了23%的通风量。
3.2在风压和热压同时作用下，开窗情况对建筑通风的影响模拟
讨论建筑受到风压与热压共同作用下的通风情况是，采取窗全开与全闭的方式，所有电加热膜均开启。
3.2.1 模拟结果及分析
所有窗户都开启时中庭的通风量为5.44m³/h.，所有窗户都关闭时中庭的通风量为4.38 m³/h。较之于单层的效果，全开时，热压作用下的中庭通风量最大，当然温升也最高。
图5为中庭内垂直方向上的速度分布图，中庭内流速随着中庭高度的增加而增加，说明气流都是从室内流入中庭的。从曲线斜率可知，随着中庭高度的增大，速度增大的越来越慢，说明越到高层的住户，对中庭通风的影响越小。窗户关闭时，中庭内的风速下降极大，现有仪器无法测量出各住户室内进入中庭的流速。
图5所有窗户开与关中庭内垂直速度分布
4结论
通过分析上述工况的模拟结果，可以得到如下几点结论：
1.中庭内部气流分为两个部分，一部分为垂直气流，一部分为横向气流。其中，0°风向时以垂直气流为主，烟囱效应很明显。
2.对于垂直气流，随着高度的增加而增加。
3.随着建筑高度的增加，0°风向下中庭气流速度变化较快，通风量最大；90°风向时中庭内风速变化平缓，整体风速偏高。
4.在风压和热压同时作用下，横向开口越多，中庭换气量就越大。
参考文献：
[1].Hisashi Kotani，Masaya Narasaki，Ryuji Sato et al.Environment assessment of light well in high-rise apartment building，Building and Environment 38（2003）283-289.
[2].Hisashi Kotani，Ryuji Satoh，Toshio Yamanaka.Natural Ventilation of light well in high-rise apartment building，Energy and Buildings 35（2003）427-434.
论文作者:沈昱
论文发表刊物:《基层建设》2018年第15期
论文发表时间:2018/7/11
标签：中庭论文; 建筑论文; 气流论文; 风速论文; 风量论文; 工况论文; 模型论文; 《基层建设》2018年第15期论文;