建筑中庭热压通风原理
中庭热压自然通风设计是中庭建筑物理环境设计中需要重点考虑的问题，需要建筑师和工程技术人员共同研究解决。
其中，通风换气量的大小和中和面的位置是关键的考虑因素。
对于后者而言，设计不当会出现中庭热空气在高处倒灌进入功能房间的情况发生，严重影响高层房间的热环境。
本文将利用流体网络方法，将中庭热压自然通风问题简化为一个流体网络问题，通过求解非线性方程组，对影响中庭热压自然通风换气量以及中和面位置迁移的各个因素进行研究和分析，并提出指导设计的一些基本原则和方法。
关键词：中庭热压自然通风中和面
1.引言
自1967年约翰波特曼在亚特兰大的海特摄政旅馆首次引入现代意义上的中庭建筑形式之后，在世界范围内掀起了一股建造中庭的热潮，在各种类型的公共建筑中都出现了中庭[1]。
中庭作为公共建筑整体的一部分，其构成的共享空间具有某种开放感和自由感，使得室内空间具有室外感，迎合了人们热爱自然的天性，因而得到了广泛的应用。
中庭通常具有不同于一般建筑形式的特点：大体量、高容积以及大面积的玻璃屋顶或者玻璃外墙，如何维持中庭良好的物理环境成为建筑师和工程技术人员需要共同协商解决的问题。
中庭有两种明显的气候控制特点：温室效应和烟囱效应。
温室效应是由于太阳的短波辐射通过玻璃温暖室内建筑表面，而室内建筑表面的波长较长的二次辐射则不能穿过玻璃反射出去，因此中庭获得和积蓄了太阳能，使得室内温度升高。
烟囱效应是由于中庭较大的得热量而导致中庭和室外温度不同而形成中庭内气流向上运动。
为了维持中庭良好的物理环境，应针对不同季节采用不同的气候控制方式。
冬季：白天应充分利用温室效应，并使得中庭顶部处于严密封闭状态，夜晚利用遮阳装置增大热阻，防止热量散失。
夏季：应采取遮阳措施，避免过多太阳辐射进入中庭，同时应利用烟囱效应引导热压通风，中庭底部从室外进风，从中庭顶部排出。
同时注意，要避免室外新风通过功能房间进入中庭，否则将导致该功能房间新风量增大而导致冷负荷大幅度增加。
过渡季：当室外温度较低时（如低于25°C时候），则应充分利用中庭的烟囱效应拔风，带动各个功能房间自然通风，及时带走聚集在功能房间室内和中庭的热量。
在中庭热压自然通风设计中，换气量和中和面的位置是其中关键的考虑因素，尤其对于后者而言，设计不当会导致中庭热空气在高处倒灌进入主要功能房间的情况发生，严重影响高层房间的热环境。
本文将利用流体网络方法，将中庭热压自然通风问题简化为一个流体网络问题，通过求解非线性方程组，对影响中庭热压自然通风换气量以及中和面迁移的各个因素（如开窗高度、面积等）进行研究和分析，从而能提出指导建筑中庭自然通风设计的一些基本原则和方法。
2.数学模型
以一个带有中庭的四层楼的建筑作为分析对象，热压自然通风示意图和简化的通风网络图如图1所示，网络图由室外节点、室内节点和中庭节点构成，门窗等构成通风网络的阻力部件。
图1 建筑热压自然通风网络图
针对上述通风网络图，按照流体网络的方法，可列出下述方程组：
其中，为各支路的通风气流流量。
为各支路阻抗。
为中庭各节点的空气密度；为室外空气密度。
为中庭各层的平均标高，为中庭顶部排风窗的平均标高。
上述五个方程，有五个未知数，是一个非线性可解方程，可利用EES计算软件求解该方程。
研究中和面位置的迁移情况，实际上就是研究各个支路的流向问题，如果支路流量计算结果为负值，则表明与图中所示的流向相反。
对上述方程组分析可知，热压中和面位置的主要影响因素包括：中庭各层节点标高，中庭各
层的温度，各层阻力元件S值的影响，即中和面位置。
此外，对于通过一个大开口的湍流流动，压降可以用下式求得[2]：
，因此。
（6）其中：
A－开口面积，m2
Cd－开口系数，取决于开口的特性和流动的雷诺数Re；
因此，可认为S主要取决于窗户的开口面积。
3.计算结果与分析
通过建立上述数学模型，能够对影响各个支路的通风量和气流方向进行仔细的分析，并从而能判断中和面的变化特征。
由于文章的篇幅有限，并考虑到在中庭热压自然通风设计中，影响较大的通常是中庭高处的排风窗的设计，因此本文重点对排风窗的设计参数进行分析。
3.1 改变中庭排风窗的高度
对于此四层建筑而言，为了避免出现第三、四层热压自然通风出现倒灌现象，建筑师通常会考虑提高中庭排风窗的高度，甚至会通过采用专门的通风烟囱以希望抬高中和面位置。
图2是随着中庭排风窗位置的提高，中庭各个支路流量的变化曲线图。
其它计算条件是：室外节点均为20℃，室内节点均为30℃。
各层支路上的阻抗S值均为4（单位均为kg/m7）。
h1=0,h2=4,h3=8,h4=12（单位均为m，下同）。
图2 各个支路流量的变化曲线图（中庭排风窗高度变化）
从图2可知单纯提高最高层节点的高度，中和面提高非常缓慢，并不如通常想象中那样，大约为最高层通风节点高度一半的位置。
当最高点的位置提高到80m的时候，才能避免第四层的支路出现气流倒灌现象的发生，即此时中和面的位置才达到第四层支路的高度12m。
从另一方面，可以发现随着最高层节点高度的增加，各层的热压通风流量都在增加。
3.2 改变中庭顶部的温度
建筑师可以采取一些措施提高中庭顶部的局部温度，比如布置一些金属集热板。
图3是随着中庭顶部的温度的提高，中庭各个支路流量的变化曲线图。
其他计算条件是：室外节点均为20℃，室内下四个节点均为30℃。
各层支路上的阻力S均为4。
h1=0,h2=4,h3=8,h4=12,h5=16。
图3 各个支路流量的变化曲线图（中庭顶部温度变化）
从图3可知，随着中庭顶部温度的提高，各层热压通风量有缓慢上升，但对于中和面位置几乎没有变化；第四层支路通风量始终为负值，说明从一、二、三层来的热压通风气流一部分从中庭顶部排风窗排出，另一部分从四层倒灌进入再排出室外。
这是在通风设计中必须要避免的。
从上面分析可知，中庭顶部温度的变化对中和面位置的变化影响很小。
3.3 改变中庭顶部排风窗的阻抗S5
由公式（6）可知，加大中庭顶部排风窗的开口面积，是降低中庭通风窗S5的最直接有效的方式。
图4是随着中庭顶部排风窗的阻抗S5值的提高，中庭各个支路流量的变化曲线图。
其它计算条件是：室外节点均为20℃，室内节点均为30℃。
地下四层支路上的阻力S均为4。
h1=0,h2=4,h3=8,h4=12,h5=16。
图4 各个支路流量的变化曲线图（中庭顶部温度变化）
从图4可知，随着中庭顶部排风窗的阻抗的提高，各层热压通风量和中和面位置都有所下升，其中对第三层支路的通风量影响较大。
第四层支路始终处于气流倒灌的状态，而当顶层排风窗阻抗S5=4时，第三层通风量为0，表明此时中和面位置处于第三层支路的高度上，即为8m；当S5大于4时，第三层支路开始进入倒灌状态。
从上面分析可知，改变中庭顶部排风窗的面积（进而改变阻抗S5值），对中庭热压自然通风中和面位置有着较大影响。
3.4 中庭热压自然通风设计原则
通过上述的分析，并结合实际的工作案例，可总结得出在中庭热压自然通风设计中的一些原则和方法：
1）在热压自然通风设计中，中和面的位置是其中一个至关重要的因素；上述模拟分析表明，中和面的位置通常并不是处于建筑最高通风节点的一半位置，而受到各个通风节点温度、标高、阻抗的影响。
利用上述模拟计算方法，能定量研究各通风支路的流量和流向，对中庭自然通风设计能起到辅助作用；
2）在上述计算分析中，可发现要使得中和面的位置高于建筑所有功能房间所在层的高度是非常不容易的。
在这种情况下，可考虑将建筑高层和底层的热压通风设计为不同的通风网络。
对于本文中讨论建筑可以考虑采用如图5所示的通风方式，即建筑的一、二层与中庭顶部排风窗构成一个通风网络；而三、四层与中庭顶部另一个排风窗构成另外一个通风网络。
此时，两个通风网络的中和面位置均有可能高于各自对应的最高层功能房间的通风窗标高，因此能避免出现倒灌现象发生。
3）上述分析可知各支路的阻力状况对通风的效果影响很大。
热压自然通风相比风压自然通风而言更是一个微动力的通风方式。
因此要想取得较好的通风效果，应尽可能减少阻力；对于带有中庭的办公建筑而言，开敞的空间布局的热压通风效果就要比采用隔间方式的布局好的多。
4.结论
1、本文利用流体网络的基本原理提出了一个能定量计算热压自然通风设计的方法；通过此方法能对通风量和中和面位置进行分析和判断，进而能对设计起到辅助作用；
2、热压自然通风设计中，尤其要重视中和面所在位置。
分析表明，要使得中和面的位置高于建筑所有功能房间所在层的高度是非常不容易的。
在这种情况下，应该考虑将建筑高层和底层的热压通风设计为不同的通风网络。
3、热压自然通风是一个微动力的通风方式，要取得较好的通风效果，应尽可能减少阻力。
