摘要：本文采用以阿基米德數為主要準則數的模型實驗方法，分析了室內熱源強度對中庭式高層住宅建筑熱環境的影響。結果表明，室內熱源強度與住宅內溫度、氣流速度均成正相關。高層住戶受室內熱源強度的影響最大，最容易產生不舒適的熱環境。
　　關鍵詞：中庭；高層住宅建筑；熱環境；模型試驗；
　　
　　1、引言
　　中庭空間一方面能使熱壓通風的利用價值得以體現，有效的氣流組織對提高室內熱舒適度產生直接的影響；另一方面由于其結構的獨特性，使住宅熱環境受諸多隨機因素的影響而難以被準確預測。KotaniandSatoetal.(2003)曾對此類住宅建筑的熱環境進行了問卷調查，并對中庭空間的通風特性開展了實驗研究，但他們為了簡化模型而忽略了住戶室內熱環境的變化對中庭空間熱環境的影響，以及兩者之間通過通風、傳熱方式而產生的耦合關系。本文通過模型實驗方法，分析室內熱源強度與中庭空間及住戶室內熱環境的影響關系，得到室內熱源強度對住宅室內溫度分布的影響規律。
　　2、模型實驗
　　2.1相似準則
　　本實驗屬于穩態條件下的非等溫自然對流問題，采用空氣作為流動介質，并保持室外內溫差(Tf－To)m=(Tf－To)p，普朗特數自動相等。對于由室內熱源所產生的浮力驅動氣流，流場處于充分流動狀態(S.Murakami,2000)。因此雷諾數只要大于某一臨界值，相似性便與雷諾數無關(Tang,etal.,1989)。阿基米德數是本實驗中占主導地位的相似準則數，其描述非等溫流體的浮力與慣性力關系。根據相似原理，有以下關系式：
　　(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，1/K；v為氣流速度，m/s2；(Tf－To)為溫差，K；G為質量流量，kg/s；c為比熱容，J/kg•K；Q為熱量，W。
　　2.2物理模型
　　根據公式(1)-(3)的計算，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：模型實物；中：平面圖；右：縱截面圖；單位：mm）
　　2.3實驗工況
　　熱源強度由可調壓變壓器控制，電壓與原型的室內熱源強度關系式：
　　(5)
　　
　　式中，U為電壓，V；I為電流，A；R為電阻，。本試驗研究室內熱源強度如表1所示。
　　表1
　　工況 原型室內熱源強度(W/m2) 控制電壓(V) 模型室內熱源熱量(W)
　　a 10 3.2 0.32
　　b 30 5.5 0.96
　　c 50 7.1 1.60
　　5模型實驗結果
　　室內熱源是住宅室內溫升的唯一來源，因此中庭空間的氣流速度與室內熱源強度有關，如圖3所示。其主要表現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驗結果
　　由于所有熱壓通風氣流均從室內進入中庭空間，因此容易引起室內的熱量在中庭空間內累積。圖4顯示了中庭空間內溫度值沿高度方向的變化規律。隨著住宅室內熱源強度增加，溫度明顯升高且有加速上升的趨勢，說明了室內熱源強度是影響中庭空間內溫度變化的重要因素，中庭空間內溫升和室內熱源強度成正比。
　　(a)(b)(c)
　　圖4中庭空間溫度分布的模型實驗結果
　　圖5顯示了住宅的室內溫度分布。說明室內熱源強度的增加使住宅室內的縱向溫升加速。考慮到中庭空間內上升熱流隨高度迅速從軸心擴散（圖2），當住戶所在樓層增加時，其受到中庭空間上升熱流的影響，減弱了室內與中庭空間的對流換熱作用。而室內熱源強度增加使上升熱流溫度上升（圖4），更影響了換熱效果。另外室內窗戶與中庭頂部開口高度差減小也引起熱壓通風效果的減弱，使熱量滯留在室內，也使住戶室內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，受室內熱源強度的影響也最大。
　　
　　(a) (b)
　　
　　(c)
　　圖5住宅室內溫度分布的模型實驗結果
　　6結論
　　本文采用以阿基米德數為主要準則數的模型實驗方法，采用1/25比例尺，分析了室內熱源強度對中庭式高層住宅建筑熱環境的影響。由于熱壓通風氣流均從室內進入中庭空間，因此室內熱源強度增大將使頂部開口處氣流速度增大，且導致熱量在中庭空間內累積，造成溫度明顯升高，最大值出現在中庭頂部。同時室內熱源強度的增加使住宅室內的縱向溫升加速，高層住戶受室內熱源強度的影響最大，最容易產生不舒適的熱環境。