室内热源强度对中庭式高层住宅建筑热环境的实验研究

　　摘要：本文采用以阿基米德数为主要准则数的模型实验方法，分析了室内热源强度对中庭式高层住宅建筑热环境的影响。结果表明，室内热源强度与住宅内温度、气流速度均成正相关。高层住户受室内热源强度的影响最大，最容易产生不舒适的热环境。
　　关键词：中庭；高层住宅建筑；热环境；模型试验；
　　
　　1、引言
　　中庭空间一方面能使热压通风的利用价值得以体现，有效的气流组织对提高室内热舒适度产生直接的影响；另一方面由于其结构的独特性，使住宅热环境受诸多随机因素的影响而难以被准确预测。KotaniandSatoetal.(2003)曾对此类住宅建筑的热环境进行了问卷调查，并对中庭空间的通风特性开展了实验研究，但他们为了简化模型而忽略了住户室内热环境的变化对中庭空间热环境的影响，以及两者之间通过通风、传热方式而产生的耦合关系。本文通过模型实验方法，分析室内热源强度与中庭空间及住户室内热环境的影响关系，得到室内热源强度对住宅室内温度分布的影响规律。
　　2、模型实验
　　2.1相似准则
　　本实验属于稳态条件下的非等温自然对流问题，采用空气作为流动介质，并保持室外内温差(Tf－To)m=(Tf－To)p，普朗特数自动相等。对于由室内热源所产生的浮力驱动气流，流场处于充分流动状态(S.Murakami,2000)。因此雷诺数只要大于某一临界值，相似性便与雷诺数无关(Tang,etal.,1989)。阿基米德数是本实验中占主导地位的相似准则数，其描述非等温流体的浮力与惯性力关系。根据相似原理，有以下关系式：
　　(1)
　　
　　由于(Tf－To)m=(Tf－To)p，，gm=gp，有：
　　
　　(2)
　　
　　由于，，有
　　
　　(3)
　　
　　由于，有：
　　
　　(4)
　　
　　式中：g为重力加速度，m/s2；L为几何尺寸，m；β为定压热膨胀系数，1/K；v为气流速度，m/s2；(Tf－To)为温差，K；G为质量流量，kg/s；c为比热容，J/kg•K；Q为热量，W。
　　2.2物理模型
　　根据公式(1)-(3)的计算，模型几何尺寸比例取1：25，流动和传热过程满足相似性。模型总尺寸为600mm×600mm×1200mm，中庭空间尺寸为120mm×120mm×1200mm。模型尺寸及设备布置如图1所示。
　　
　　图1中庭式高层住宅建筑模型（左：模型实物；中：平面图；右：纵截面图；单位：mm）
　　2.3实验工况
　　热源强度由可调压变压器控制，电压与原型的室内热源强度关系式：
　　(5)
　　
　　式中，U为电压，V；I为电流，A；R为电阻，。本试验研究室内热源强度如表1所示。
　　表1
　　工况 原型室内热源强度(W/m2) 控制电压(V) 模型室内热源热量(W)
　　a 10 3.2 0.32
　　b 30 5.5 0.96
　　c 50 7.1 1.60
　　5模型实验结果
　　室内热源是住宅室内温升的唯一来源，因此中庭空间的气流速度与室内热源强度有关，如图3所示。其主要表现在中庭空间下部气流速度迅速增大。
　　(a)(b)(c)
　　图3中庭空间气流速度的模型实验结果
　　由于所有热压通风气流均从室内进入中庭空间，因此容易引起室内的热量在中庭空间内累积。图4显示了中庭空间内温度值沿高度方向的变化规律。随着住宅室内热源强度增加，温度明显升高且有加速上升的趋势，说明了室内热源强度是影响中庭空间内温度变化的重要因素，中庭空间内温升和室内热源强度成正比。
　　(a)(b)(c)
　　图4中庭空间温度分布的模型实验结果
　　图5显示了住宅的室内温度分布。说明室内热源强度的增加使住宅室内的纵向温升加速。考虑到中庭空间内上升热流随高度迅速从轴心扩散（图2），当住户所在楼层增加时，其受到中庭空间上升热流的影响，减弱了室内与中庭空间的对流换热作用。而室内热源强度增加使上升热流温度上升（图4），更影响了换热效果。另外室内窗户与中庭顶部开口高度差减小也引起热压通风效果的减弱，使热量滞留在室内，也使住户室内温度随高度增加而升高。因此低层住户的换热效果最好，而高层住户最差，受室内热源强度的影响也最大。
　　
　　(a) (b)
　　
　　(c)
　　图5住宅室内温度分布的模型实验结果
　　6结论
　　本文采用以阿基米德数为主要准则数的模型实验方法，采用1/25比例尺，分析了室内热源强度对中庭式高层住宅建筑热环境的影响。由于热压通风气流均从室内进入中庭空间，因此室内热源强度增大将使顶部开口处气流速度增大，且导致热量在中庭空间内累积，造成温度明显升高，最大值出现在中庭顶部。同时室内热源强度的增加使住宅室内的纵向温升加速，高层住户受室内热源强度的影响最大，最容易产生不舒适的热环境。