2013年第2期(总第41卷第264期)
No.2in 2013(TotalNo.264，Vol.41) doi ：10.3969/j.issn.1673-7237.2013.02.001
建筑节能
■暖通与空调
HEATING, VENTILATING &AIR CONDITIONING
教学楼中庭的自然通风与热环境分析*
李传成，
季群峰，
李
浩
(武汉理工大学，武汉
430070)
摘要：中庭的存在对建筑通风与热环境具有重要影响。通过对武汉地区某教学楼中庭内的温度场与室外微气候进行了现场实测，对所测的数据进行了分析整合，并应用CFD 数值模拟方法对中庭垂直温度梯度等参数进行了模拟，研究表明：实测数据与模拟结果在允许的误差范围内能够很好地吻合，且中庭内的垂直温度梯度对自然通风影响很大，中庭外窗的充分开启有利于夏季自然通风和节能。
关键词：中庭；自然通风；热环境；
TU834.1
数值模拟
A
文章编号：
1673-7237(2013)02-0001-04
中图分类号：文献标志码：
Natural Ventilation and Thermal Environment in the Atrium of Teaching Building
LI Chuan-cheng, JI Qun-feng, LI Hao
(Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)
Abstract: The existence of atrium is crucial to buildings ’ventilation and thermal environment. The temperature distribution in atrium and outdoor micro -climate is tested, analyzing the measured data and simulating the temperature distribution in atrium with numerical method, which indicates that the simulated results can be well agreed with the measured results, and the temperature stratification will signifi －cantly impact on natural ventilation. And it's useful for natural ventilation and energy-saving during the atrium windows open fully.
Key words: atrium; natural ventilation; thermal environment; numerical simulation
0引言
中庭作为现代建筑内部共享空间，可以为人类提供受外界气候影响的怡人环境，同时满足人类热爱自然的天性。中庭在我国的大型体育馆、教学楼、展览馆等大空间建筑中广泛使用。随着中庭的发展，其内部的热环境和通风问题也受到了广泛的关注，中庭的存在对室内热环境和通风都有一定的影响。
1中庭的自然通风与室内热环境
中庭是大空间建筑内部空间环境中最生动、最活跃的因子，其在学校、商场、办公室等建筑物里的性能应用引起了学界的关注。中庭顶部外窗与外界直接接触，使得中庭内空气时刻受到外界空气扰动的影响，从而增强了中庭内的自然通风，有效地改善了建筑内部的热环境。1.1中庭自然通风
对于中庭而言，开敞的建筑外窗以及顶部，可以充分利用风压而对建筑进行自然通风；其贯穿建筑的构造可形成上下端温差，从而加速室内空气流动，达到真正意义上的烟囱效应，形成热压通风。
收稿日期：2012-09-28；
修回日期：2012-10-16
*基金项目：武汉理工大学自主创新研究基金青年教师探索研究项目，
项目名称：《高大空间建筑能耗模拟研究》(123206008)
中庭室内热环境
中庭作为大空间建筑的一种形式，其特殊的构造产生了两种效应：温室效应和烟囱效应。
(1)烟囱效应也叫热压效应，是由于室内外温差造成热压力差，从而形成中庭内气流的流动。中庭往往高度较高，由于空气浮力的作用，底部热空气上升，聚集在中庭顶部，而在中庭底部的活动区域，温度会相对较低，在整个中庭空间形成明显的垂直温度分层。
(2)温室效应是由于太阳的短波热辐射透过玻璃加热室内建筑表面，而室内建筑表面的较长波长的二次辐射则不能穿过玻璃反射出去，因此，室内便获得和积蓄了能量，使得室内温度升高。此外，开放型中庭的热环境还会与周围空间的热环境相互影响。这两种效应在不同的情况下，可以让中庭内舒适度增加，也可以使之降低。因此，只有较好的处理两者的关系才能达到较舒适的热环境。
中庭建筑中间的流动是层流向湍流的过渡状态，是一种低雷诺数的流动，这主要是由于稳定的热分层衰减了垂直方向的湍流；而不稳定的热分层则加强了紊流。由于中庭建筑的高大，在其许多区域空气的流动，空气几乎没受湍流影响，甚至是停止的。
1
1.2
2教学楼中庭案例分析
以武汉地区某高校带中庭的教学楼为研究对象，见图1、2。
图1中庭俯视图
主入口
北
106105
2 400600
中庭
上
114
115
A B
C
500
116
113
111112
次入口
图2中庭平面图
中庭建筑沿东西向布置，为6层教学楼的公共建筑，总高近30 m，中庭顶部采用玻璃屋顶，同时，中庭空间采用侧面采光。建筑底面为长方形，中庭空间在建筑的正中间，顶部侧面玻璃是可以人为控制开启的。
图3室外气象站布置
实验小组于2012年7月28日～8月5日对该中庭建筑的室内垂直温度场及室外微气候进行了连续监测，用气象站测试了室外温湿度、辐射、风速与风向等参数，用热巡检仪测试了中庭内的温度场，记录
2
周期10 min(见图3、4) 。
图4中庭测试布置
(1)测试方法。气象站位于楼顶上，实时监测室外微气候；巡检仪测量中庭垂直温度场，从地面1.5 m处布点，每隔2 m递增，接近中庭顶部，加密测点，这主要是因为考虑到中庭空间顶部透明的玻璃天窗，直接接受太阳辐射，温度较高，靠近中庭顶部的空间温度分层会比中庭底部明显增多，因此，在靠近中庭顶部空间安放较多的实验测点，便于更准确地得到中庭空间垂直温度场。
(2)实验结果分析。选取7月31日测试的数据进行分析，当天室外辐射强度比较大，具有典型的代表性(见图5、6) 。
7月31日实测室外瞬时总辐射
1 000900
)
m 2800/700(W /射600辐500总400300200
[***********][***********]30：：：：：：：：：：：：：：：：：：：[***********][**************]1图5
室外总辐射变化曲线
7月31日实测室外空气温度变化曲线
424140℃
39/度38温37363534
00
00000
0000000：
：
：：：：
：：：890
1
2
3456：111111171图6
室外空气温度变化曲线
而从图7可以看出，
中庭垂直温度分布非常明
7月31日实测中庭中部测点温度场分布
[***********][**************]3
15：3016：0016：3017：00
8：008：309：009：3010：0010：3011：0011：3012：0012：3013：0013：3014：0014：3015：00
24 m18 m12 m6 m1.5 m
温度/℃
图7实测中庭垂直温度分布
显。从7月31日白天实测中庭内温度分布曲线可以看出，中庭内的温度梯度非常明显，从低到高出现温度分层现象，接近中庭顶部的测点非常明显，其中中间段24 m处的测点温度变化最明显，最高温度达到49 ℃，远远高于室外最高气温实测值40 ℃，与其他高度测点相比，其温度大小远高于这些测点，分析其主要原因是与太阳辐射相关，中庭玻璃顶部吸收太阳辐射，直接加热其下面的测点，显然距离顶部玻璃越近，其温度值就越高。
3数值模拟
3.1
物理模型
中庭空间的空气流动是复杂的三维非稳态湍流流动，在流动中的各种物理参数(如速度、温度等) 随时间和空间随机变化。
本文采用RNG 的K~ε湍流模型，该模型的主要优点有：①模型中产生项考虑了流动情况以及空间坐标；②修正了湍流黏度，考虑了平均流动中的旋转及旋流流动情况；③提供了一个考虑低雷诺数流动
的解析公式，较标准k~ε方程能更准确地对待近壁面流动。
本文利用fluent 软件对中庭内部垂直温度场进行模拟，物理模型及网格划分见图8、9。3.2边界条件
四面墙体、屋顶采用第一类边界条件，即给出壁面温度值。地面考虑为平面热源，采用第二类边界条件，即为定热流边界条件。主要是因为考虑到中庭人员的易流动性且人员散热比例相对较小，地面热源的这种简化方法是可行的，并且给数值模拟带来了极大的方便。进口采用速度入口，所有出口采用压力出口边界条件，为了与实测数据对比，在模拟过程中采用实测的壁面温度数据作为输入边界条件(见表1) 。3.3结果分析
主要对中庭内的垂直温度场及模拟与实测的垂直温度分布进行了对比与分析研究：顶部侧窗关闭时，中庭的垂直温度分布见图10、11；顶部侧窗开启时，中庭的垂直温度分布见图12、13
。
Gz Gy
Gx
图8物理模型图
表1
边界条件的设置
西壁面温度/℃
图9模型网格
东壁面温度/℃南壁面温度/℃北壁面温度/℃
39.8 42.3 40.4 38.9
屋顶内表面温度/℃
地面热流/(W/m2) 速度入口/(m/s) 压力出口/Pa
44.8 50 2.5 0
3
从温度分布图中可以得出，无论是关窗还是开窗，垂直温度梯度都随高度增加，但关窗时中庭内部温度明显高于开窗时情况，热舒适度明显低于开窗时的状况，这主要是由于烟囱效应影响气流上升，在中庭顶部聚集了过多的热量，影响顶层的热环境，因此，顶层侧
Z
Z
窗开启可以使中庭产生从下至上的气流流动，将顶部的余热带出中庭，达到较舒适的热环境。
图14反映了中庭温度场实测与模拟的比较，可以看出，在误差允许的范围内实测与模拟是比较吻合的，能够接受。
Z
X
Z
X
Temperature
[***********][***********][**************]
Y
X
Temperature
[***********][***********][**************]
Y
X
Temperature
[***********][***********][**************]
Y
Y Temperature
[***********][***********][**************]
图10X=5 m
[***********]4039383736
图11Y=3 m图12X=5 m图13Y=3 m
温度/℃
B 实测温度B 计算温度
1.5 3 6 9 12 15 18 20 22 24
距地面高度/m图14
实测与模拟的比较
[4]Liu Pei-Chun, Lin Hsien-Te, Chou Jung-Hua. Evaluation of buoyan-cy-driven ventilation in atrium buildings using computational fluid dynam-ics and reduced-scale air model[J]. Building and Environment,2009,44(9):1970-1979.
[5]秦菲, 刘加根, 林波荣, 等. 生态建筑中庭的自然通风与热环境案例分析[C]//第五届国际智能、绿色建筑与建筑节能大会论文集,2009:449-455.
[6]杨建坤, 张旭, 刘东, 等. 自然通风作用下中庭建筑热环境的数值模
参考文献：
[1]陈靖, 王怡, 刘加平, 等. 甘肃某博物馆中庭热环境数值模拟与分析[J].制冷与空调,2007,7(2):36-39.
[2]赵林. 住宅建筑中庭内自然通风的数值模拟研究[D].长沙:湖南大学, 2009.
[3]何东岳. 中庭式高层住宅建筑的热压通风特性及预测模型研究[D].长沙:湖南大学,2010.
作者简介：
李传成(1974)，男，山东人，毕业于华中科技大学，副教授，
建筑设计及理论专业，从事建筑节能、大空间建筑等方向的研究(Chuanchengli@163.com)。拟[J].暖通空调,2005,35(5):26-29.
[7]张君瑛, 吴喜平, 章学来, 等. 夏季建筑中庭内的热环境数值模拟及中庭外窗自然通风研究[J].流体机械,2008,36(2):64-68.
4结论
(1)中庭顶部侧窗的开启可以通过热压通风实现良好的通风环境及其舒适的热舒适度，因此，在炎热的夏季，应尽可能开启侧窗，加强自然通风，带走余热，增加热舒适度。
(2)中庭温度随高度基本呈线性分布，上下平均温差达到5～6 ℃，并且关窗后，垂直温差增加。
4
教学楼中庭的自然通风与热环境分析
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
李传成， 季群峰， 李浩武汉理工大学,武汉 430070建筑节能
Building Energy EFFICIENCY2013(2)
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_fcyyy201302001.aspx