被动式生态建筑中庭的自然通风

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设计院中庭较为狭长,两侧均为办公室,顶层天窗为两侧上开窗,有部分可开启,由于 控制原因,东南侧天窗不可开启;顶层有侧窗,直接室外相通,可开启,但由于加盖建筑的 遮挡,只有西侧部分窗户可以打开。
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图 1 北侧中庭
图 2 北侧中庭顶层
3.1. 测试情况
3.1.1. 测试工况
建筑中庭顶层采取人工控制电动可开闭天窗,并在顶层有侧窗可开启与外界环境连通,
本次测试分别对顶层天窗开启与闭合两种情况进行初步测量,在测量的两天中,分别从 5
月 23 日中午 14:00 开始到 5 月 24 日下午 15:30 保持顶层窗户全开,从 5 月 24 日 15:30
到 5 月 25 日 11:00 将顶层天窗及侧窗全部关闭,进行测量。
3.1.2. 测试方法
使用自记温度计侧量不同层高和水平面不同点的温度。
Natural ventilation and Thermal Environment of Ecological
Building Atrium Case Study
Qin Fei Liu Jiagen Lin Borong (Department of Building Science of Tsinghua University, Beijing 100086 China)
3.3. 总结
总体说来,由于烟囱效应的影响使得热气流上升,在建筑的顶部聚集了过多的热量,影 响顶层的热环境,采用天窗自然通风或设置机械通风消除余热比较好。并且顶层开窗可使整 个楼宇产生空气从下向上的流通,将较冷的空气带入建筑物内,而将中庭由于温室效应产生 的热量,和上升到顶层的热量一并带走,降低整体楼宇的温度,达到较舒适的热环境。实现 热环境与自然通风的协调。通过实验测试,结果显示:
下图为两个时刻各层风速情况:
图 6 24 日中午开窗各层风速分布
图 7 24 日下午关窗各层风速分布 易从图中看出,开关窗风速分布的确如前文所言,且根据图 6(24 日中午 13:30(开 窗)各层风速分布图)可以看出,由于西侧开窗面积较大,故西侧的各点风速普遍较高,而 且可以看出,四层五层受开窗的影响比较大,三层次之,而二层基本上不怎么受开窗影响, 根据图 7 (24 日下午 17:30(关窗)各层风速分布)可以看出,关窗后,受到风压等影响, 二层三层风速较大,而且很不稳定。
使用热球风速仪测中庭吹拔上空的风速。
使用 PMV 计测量不同楼层水平面上不同位置的 PMV 值。
3.1.3. 中庭通风情况初步分析
建筑中庭立面图,如图 3,中庭高而狭长,自然通风动力以热压拔风为主。边庭空间宽
敞,与外界通过大面积玻璃幕墙间接接触,如果侧面窗户打开,自然通风动力主要是风压为
主。中庭与边庭通过南北两侧过道连通,两者中间大部分区域为玻璃墙办公室,办公室两侧
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中庭内的温度等,具体每种方式对空调区域有何影响,在参考文献[6]中有详细的模拟和介 绍。以下以某办公楼楼为例,分析开关窗对风速及温度的分布,从而看出自然通风与热环境 的关系。
3. 某生态建筑个例分析
北京某设计院,典型的生态建筑,建筑面积约 6800 平方米,主要用作建筑设计研究院 生产、教学、科研用房。建筑共分五层,其中南侧四层,北侧五层。内部南侧有一开阔的边 听,外围护结构为玻璃幕墙,二层种有植被,共三层楼高,顶棚天窗可开启。北侧为一狭长 中庭,共五层,顶层天窗可部分开启,并且顶层有朝向南侧的侧窗与室外相连,但由于后期 改造,只有西半面侧窗可开启。
随着中庭的发展,中庭内部的热环境和通风情况也受到了越来越多的关注,中庭的出现 对室内热环境和自然通风都有一定的影响。
2. 中庭的自然通风与热环境
中庭的形状和构造决定了两种自然现象:温室效应和烟囱效应。 一般而言,中庭带来较好的自然采光的同时,也带来了温室效应。温室效应一方面会使 室内温度升高,增加室内不舒适感,同时也可以加剧烟囱效应,使自然通风加强。只有较好 的处理两者的关系才能得到最好的热环境。 烟囱效应对建筑中庭室内热环境的影响主要有以下几点: (1)在冬季自然环境下,室内温度高于室外温度,在建筑烟囱效应作用下,冷空气从 低层部分的门窗渗入,带走室内的热量,这将使室内热负荷增加。 (2)在烟囱效应的作用下,室内热气流上升,热量通常聚集在中庭的顶部,而底部活 动区域温度偏低,形成明显的垂直温度梯度,影响室内热舒适性。 (3)在夏季,当室外气温较高时(高于室内温度,比如夏季中午的情形),形成烟囱效 应,此时室内的空气的流动方向是向下的,烟囱效应不断将室外的热量带入室内,使冷负荷 增加;但是,在夏季的晚上,当室内空气温度高于室外空气的温度时,烟囱效应则不断将室 内的热量带出室外,降低了冷负荷。 另外,建筑烟囱效应还有利于稀释室内空气中的二氧化碳和其它空气污染物的浓度,有 利于维持健康的室内空气质量。 不同的气流组织方式对中庭式建筑的室内热环境影响很大。对于开放型中庭,中庭与周 围各层连通,在连通区间内有气流的交换,造成中庭与功能区的热环境相互影响。不同的中 庭可以采用不同的气流组织方式,如在中庭顶部设置通风口,排除聚集在中庭顶部的热量; 在建筑的大门安装空气幕、挡风帘等阻挡室外空气的入侵;对中庭本身进行空调送风,控制
可能导致这种现象的原因有: (1)室内热源影响 经之前的分析可以确定,设计院很多办公室的电脑夜间是不关闭的,这些电脑就是主要 的室内热源,由于室内的蓄热作用而温度升高有所延迟。特别地,五点半之后大部分工作人 员离开,房间关闭,内热源作用使房间温度上升,通过内墙使中庭空气温度升高。 (2)室内外空气不流通 关窗时,顶层风速低,不能形成很好的对流,使温度受室外影响减小,夜间室内温度较 高,同时由于室内热源作用,傍晚之后温度较高,即出现了波幅变小的情况。 出项室内温度明显回升也和室内外空气不流通有关系,空气不流通时,室内热源产生的 热量不能及时排出建筑物,而是建筑屋内空气温度升高。开窗时没有明显的温度升高现象可 能是因为空气流通,可以及时带走热量,故没有明显现象。 (3)关窗后温度反应有一定的延迟效应 关窗后,室内温度并不是马上就发生变化,存在一定的延迟,这段时间一般都是几个小 时左右,15:30 关窗,可能在 17:00‐19:00 左右才能有一定的作用效果,故这也是下午 17:30 温度回升的一个原因。
中庭区域换气次数: n = G /V = 12.747 ÷ 3133.6875s−1 = 14.6438h−1
名义时间常数:τ n = V / G = 1/ n = 245.837s = 4.097 min
3.2.1.2. 开关窗对通风的影响 实验期间,分别对开关窗情况进行测试。对测试结果进行整理,开、关窗时,各层平均
分析开、关窗仪器各层平均风速变化的原因,开窗时,烟囱效应明显,但中庭高而狭长, 空气难以大范围流通,只是对高层影响较大;关窗后,五层基本上没有封闭,即使热压明显,
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通风量也较低;二、三层受边庭穿堂风,热压不明显时,受风压影响较大,流动较为自由, 故风量相比与开窗时反而增大。
1)中庭顶层开窗可以通过热压通风,通风情况良好,尤其对四、五层的自然通风状况 有较为明显的改善;
2)中庭通风使建筑物内环境收到环境温度的较大影响,并且位置越高影响越明显; 3)中庭温度随高度基本上成线形分布,上下平均温差在四到五度,并且关窗后有垂直 温差增大;
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显,且各层波动幅度有趋于一致的趋势,这一点将在后面的开关窗对温度的影响中说明。另
外可以我们发现,从 24 日下午五六点钟到晚
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上十点左右,温度出现了一定的回升,尤其是
在较低点处的温度出现了很明显的回升现象,
这一点也将在开关窗对温度的影响中说明。
同一时刻最高点和最低点的最大温差可
以达到 9~10℃,开窗时最低温差为 3.5℃左右,
1. 引言
现代建筑中庭作为建筑内部高大宽敞的共享空间,其构成的共享空间具有某种开放感和 自由感,通过中庭顶部的玻璃屋顶保证室内的采光,为人们提供免受外界天气影响的怡人环 境,同时迎合了人们热爱自然的天性。中庭在我国的商业建筑、文教建筑、办公建筑、医疗 建筑、展览建筑等各类公共建筑,以及住宅建筑中都得到了广泛的应用。
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生态建筑中庭的自然通风与热环境案例分析
秦菲 刘加根 林波荣 (清华大学建筑技术科学系,北京 100086)
摘 要:随着环境问题越来越受到社会的关注,生态建筑也被推上了建筑行业的 前沿。中庭营造一种开阔空间,同时改善建筑的室内热环境和自然通风,在生态 建筑中得到广泛的应用。
门窗开启式,形成穿堂风,将边庭与中庭连通,由于中庭的拔风作用,边庭的风主要是进入
建筑物,中庭顶层为出风口。具体如下图所示:
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3.2. 实验结果分析 3.2.1. 通风情况
3.2.1.1. 通风量及换气次数
图 3 自然通风示意图
开窗时通风量: G = 12.747m3 / s 。
风量的比较,如图 4 所示。
图 4 开关窗时各层平均风速比较
图 5 两个时刻各层平均温度比较
从图 4 中很容易看出,开窗通风时,四层五层风量较大;关窗后,二三层风量明显增大, 而四五层风量有明显减小,尤其是五层通风量,有大幅减小。
取去 5 月 24 日中午 13:30(开窗)和 24 日 17:30(关窗)两个时间点作比较,由有 图 5 可以看到,两个时刻,各层温度平均值之间的梯度近似,故可以忽略热压改变引起的风 速变化,及比较两时刻,可以较好反应开关窗对风速的影响。
3.2.2. 温度分布情况
3.2.2.1. 垂直分布情况
本楼室内相对高度为 20.5 米,为测量温度的垂直分布情况,在中庭内每隔三米放置一 个自记温度计,共 7 个,其测量的温度分布情况即为设计院中庭垂直温度分布情况。
下图为从 5 月 23 日中午 13:00 到 25 日中午 11:00 的垂直温度分布:
近于相同。
室内出现明显的温度回升现象。在垂直温度分布中,24 日下午温度出现奇怪的回升,
截取出现回升现象的时间段温度,得到下图。明显可以看出,从下午五点半以后室内温度上
升,二至四层变化明显,且在二、四层房间温度测量时此想象更为明显。
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图 10 垂直温度局部分析(24 日 12:00 到 25 日 0:00)
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图 8 中庭温度分布情况
由上图可以看出,垂直温度随室外温度变化有较为明显的衰减及延迟作用,即高度越高,
温度波动越接近室外,高度较低的点,温度波动逐渐衰减。观察两个温度波波谷,可以发现
温度从高到低有一定的延迟作用,延迟时间在两小时左右,而关窗后温度的延迟现象更为明
本文通过对已有文献的分析整理,研究了生态建筑的中庭对自然通风和热环 境的影响,主要是中庭“温室效应”和“烟囱效应”对室内热环境与自然通风的 情况的影响。并实地测量了某一典型生态建筑的中庭区域的风速、温度,对所测 数据进行分析整合,对中庭的自然通风与热环境做出评价,说明中庭对室内环境 的影响。 关键字:生态建筑 中庭 自然通风 热环境
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根据实验结果,提出以下建议: 室外温度较舒适时因多开窗通风,尤其是过度季及夏季夜间应多开窗使室内热源产生的 热量散发出去,避免热量堆积。 夏天,要利用烟囱效应,引导中庭的室内通风,带走热量,加强对流。一般采用开窗换 气的方式,利用热压差可组织自然通风,在中庭内部创造低于室外气温的环境。冬天,关闭 中庭天窗,利用温室效应来提高气温。设计得当,中庭不需要空调能获得较好的热环境。
关窗后在 4℃左右,总体平均温差在 4~5℃。
对各层平均温度进行整理,可以得到一张
线形分布图,有图型可知,各层平均温度呈线
性分布,梯度较为均匀。 3.2.2.2. 开关窗对温度的影响
图 9 平均温度垂直分布情况
与开窗相比,关窗时温度随外界变化波动幅度减少。由垂直温度分布图可以看出,关窗
后夜间温度明显比开窗时要高,且上层升高较多,上层的波幅变小,不同高度的波动程度趋
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