摘要：本文采用以阿基米德數(shù)為主要準(zhǔn)則數(shù)的模型實(shí)驗(yàn)方法，分析了室內(nèi)熱源強(qiáng)度對中庭式高層住宅建筑熱環(huán)境的影響。結(jié)果表明，室內(nèi)熱源強(qiáng)度與住宅內(nèi)溫度、氣流速度均成正相關(guān)。高層住戶受室內(nèi)熱源強(qiáng)度的影響最大，最容易產(chǎn)生不舒適的熱環(huán)境。
　　關(guān)鍵詞：中庭；高層住宅建筑；熱環(huán)境；模型試驗(yàn)；
　　
　　1、引言
　　中庭空間一方面能使熱壓通風(fēng)的利用價(jià)值得以體現(xiàn)，有效的氣流組織對提高室內(nèi)熱舒適度產(chǎn)生直接的影響；另一方面由于其結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性，使住宅熱環(huán)境受諸多隨機(jī)因素的影響而難以被準(zhǔn)確預(yù)測。KotaniandSatoetal.(2003)曾對此類住宅建筑的熱環(huán)境進(jìn)行了問卷調(diào)查，并對中庭空間的通風(fēng)特性開展了實(shí)驗(yàn)研究，但他們?yōu)榱撕喕�模型而忽略了住戶室�?nèi)熱環(huán)境的變化對中庭空間熱環(huán)境的影響，以及兩者之間通過通風(fēng)、傳熱方式而產(chǎn)生的耦合關(guān)系。本文通過模型實(shí)驗(yàn)方法，分析室內(nèi)熱源強(qiáng)度與中庭空間及住戶室內(nèi)熱環(huán)境的影響關(guān)系，得到室內(nèi)熱源強(qiáng)度對住宅室內(nèi)溫度分布的影響規(guī)律。
　　2、模型實(shí)驗(yàn)
　　2.1相似準(zhǔn)則
　　本實(shí)驗(yàn)屬于穩(wěn)態(tài)條件下的非等溫自然對流問題，采用空氣作為流動介質(zhì)，并保持室外內(nèi)溫差(Tf－To)m=(Tf－To)p，普朗特?cái)?shù)自動相等。對于由室內(nèi)熱源所產(chǎn)生的浮力驅(qū)動氣流，流場處于充分流動狀態(tài)(S.Murakami,2000)。因此雷諾數(shù)只要大于某一臨界值，相似性便與雷諾數(shù)無關(guān)(Tang,etal.,1989)。阿基米德數(shù)是本實(shí)驗(yàn)中占主導(dǎo)地位的相似準(zhǔn)則數(shù)，其描述非等溫流體的浮力與慣性力關(guān)系。根據(jù)相似原理，有以下關(guān)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為重力加速度，m/s2；L為幾何尺寸，m；β為定壓熱膨脹系數(shù)，1/K；v為氣流速度，m/s2；(Tf－To)為溫差，K；G為質(zhì)量流量，kg/s；c為比熱容，J/kg•K；Q為熱量，W。
　　2.2物理模型
　　根據(jù)公式(1)-(3)的計(jì)算，模型幾何尺寸比例取1：25，流動和傳熱過程滿足相似性。模型總尺寸為600mm×600mm×1200mm，中庭空間尺寸為120mm×120mm×1200mm。模型尺寸及設(shè)備布置如圖1所示。
　　
　　圖1中庭式高層住宅建筑模型（左：模型實(shí)物；中：平面圖；右：縱截面圖；單位：mm）
　　2.3實(shí)驗(yàn)工況
　　熱源強(qiáng)度由可調(diào)壓變壓器控制，電壓與原型的室內(nèi)熱源強(qiáng)度關(guān)系式：
　　(5)
　　
　　式中，U為電壓，V；I為電流，A；R為電阻，。本試驗(yàn)研究室內(nèi)熱源強(qiáng)度如表1所示。
　　表1
　　工況 原型室內(nèi)熱源強(qiáng)度(W/m2) 控制電壓(V) 模型室內(nèi)熱源熱量(W)
　　a 10 3.2 0.32
　　b 30 5.5 0.96
　　c 50 7.1 1.60
　　5模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果
　　室內(nèi)熱源是住宅室內(nèi)溫升的唯一來源，因此中庭空間的氣流速度與室內(nèi)熱源強(qiáng)度有關(guān)，如圖3所示。其主要表現(xiàn)在中庭空間下部氣流速度迅速增大。
　　(a)(b)(c)
　　圖3中庭空間氣流速度的模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果
　　由于所有熱壓通風(fēng)氣流均從室內(nèi)進(jìn)入中庭空間，因此容易引起室內(nèi)的熱量在中庭空間內(nèi)累積。圖4顯示了中庭空間內(nèi)溫度值沿高度方向的變化規(guī)律。隨著住宅室內(nèi)熱源強(qiáng)度增加，溫度明顯升高且有加速上升的趨勢，說明了室內(nèi)熱源強(qiáng)度是影響中庭空間內(nèi)溫度變化的重要因素，中庭空間內(nèi)溫升和室內(nèi)熱源強(qiáng)度成正比。
　　(a)(b)(c)
　　圖4中庭空間溫度分布的模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果
　　圖5顯示了住宅的室內(nèi)溫度分布。說明室內(nèi)熱源強(qiáng)度的增加使住宅室內(nèi)的縱向溫升加速。考慮到中庭空間內(nèi)上升熱流隨高度迅速從軸心擴(kuò)散（圖2），當(dāng)住戶所在樓層增加時(shí)，其受到中庭空間上升熱流的影響，減弱了室內(nèi)與中庭空間的對流換熱作用。而室內(nèi)熱源強(qiáng)度增加使上升熱流溫度上升（圖4），更影響了換熱效果。另外室內(nèi)窗戶與中庭頂部開口高度差減小也引起熱壓通風(fēng)效果的減弱，使熱量滯留在室內(nèi)，也使住戶室內(nèi)溫度隨高度增加而升高。因此低層住戶的換熱效果最好，而高層住戶最差，受室內(nèi)熱源強(qiáng)度的影響也最大。
　　
　　(a) (b)
　　
　　(c)
　　圖5住宅室內(nèi)溫度分布的模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果
　　6結(jié)論
　　本文采用以阿基米德數(shù)為主要準(zhǔn)則數(shù)的模型實(shí)驗(yàn)方法，采用1/25比例尺，分析了室內(nèi)熱源強(qiáng)度對中庭式高層住宅建筑熱環(huán)境的影響。由于熱壓通風(fēng)氣流均從室內(nèi)進(jìn)入中庭空間，因此室內(nèi)熱源強(qiáng)度增大將使頂部開口處氣流速度增大，且導(dǎo)致熱量在中庭空間內(nèi)累積，造成溫度明顯升高，最大值出現(xiàn)在中庭頂部。同時(shí)室內(nèi)熱源強(qiáng)度的增加使住宅室內(nèi)的縱向溫升加速，高層住戶受室內(nèi)熱源強(qiáng)度的影響最大，最容易產(chǎn)生不舒適的熱環(huán)境。