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

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1、中庭断面形状和尺寸对高层住宅建筑热压通风影响研究*基金项目：国家自然科学基金项目（）湖南大学李念平张敏慧李靖侯素娟何东岳摘要：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

2、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。Kotani[3],[4]对四个拥有不同中庭尺寸的高层住宅建筑进

3、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Kotani[3],[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（a）轴测图（b）

4、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2不同断面尺寸中庭中庭编号长宽比尺寸a2.52.0m×4.5mb1.442.5m×3.6mc13.0m×3.0m中庭简称尺寸中庭尺寸1As12.5m×2.5m中庭尺寸2As23.0m

5、×3.0m中庭尺寸3As33.5m×3.5mm中庭尺寸4As44.0m×4.0m中庭尺寸5As54.5m×4.5mm中庭尺寸6As65.0m×5.0mm1.2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150W·m-2）。窗口均为自由出流边界条件。1.3选择控制方程室内空气流动

6、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Boussinesq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-ε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ChenQingyan[5]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

7、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（1）式中：Φ代表流体的速度，焓(温度)等物理量。紊流系数μtμt=0.03874ρvL（2）式中：ρ为流体密度kg·m-3，v是速度m·s-1，L为与最近墙的距离m，0.03874为经验数值。2实验验证2.1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

8、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（