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1、陕西关中庭院式民居夏季热环境研究 西安建筑科技大学硕士学位论文陕西关中庭院式民居夏季热环境研究姓名:赵敬源申请学位级别:硕士专业:建筑技术科学指导教师:刘加平2000.3.1陕西关中庭院式民居夏季热环境研究。专 业:建筑技术研究方向:建筑热工硕士生:赵敬源导 师刘加平摘要全球性的环境恶化和能源、资源危机已经越来越引起全人类的普遍重视.建筑作为人类利用自然、改造自然的一种重要社会活动,在建造和使用过程中要消耗大量的常规能源.如何减少建筑能耗,尤其是建筑使用阶段的能耗已经成为建筑从业者的迫切任务.庭院式民居作为中国传统居住建筑的主体和精华,具备良好的自然采暖与空调效应.但因种种原因,对庭院式民居这
2、种。冬暖夏?”热工性能的研究依然处于定性阶段本文则试图以陕西关中四合院夏季室内外热环境状况为例,对庭院式民居夏季的热工特性进行初步的定量化分析研究.二段,依据前人对庭院式民居热工特性的研究成果,采用.什克洛维尔提出的周期性热作用下的传热理论,在系统地分析了陕西关中典型传统民居一南北窄长四合庭院夏季的动态热过程,逐一列出了院内太阳辐射得热量、地面温度及墙体传热量计算式的基础上,建立了庭院内空气温度分布的物理模盈和数学模型;通过求解,得到了庭院空气温度与室内空气温度、院外温度之间的关联式,在诸多因子的作用下,院内空气温度亦随时间呈周期性变化./采用经典?紊流模型和著名的软件,对庭院内自然对流热过程
3、中的空气流场和温度场的三维时空分布做了近似模拟分析.经对所选实涓对囊的典型个列模拟计算结果与测试结果的对比分析,证明采用该研究方法研究庭院内热过程的基本规律和温度的分层分布是基本可行的,乙,选取典型民居,对关中地区庭院式民居一窄长型四舍院进行了实渊研究,得到一组具体反映关中地区四合院夏季热环境的试验效据.通过对实验数据和计算数据的对比,验证了模型的正确性,并在此基础上对庭院的热环境作了更完整、直观的分析文越。陋过分析和实测,定量地证实了庭院式民居夏季的。自然空谭”特征,并在对这种特征进行详细分析的基础上,讨论了影响其夏季热状况的建筑因素。以期为设计人员提供参考.。一“弋。一关键词:庭院式民居动
4、态热过程.。自然空调馓应,数值模魁/、, .国家自然科学基金资助项目资助号: 。:?&. .扭. , . ,“,扣一靠面函,”.”&.。 ” ., ,. , &., .、 &.? ?扭?, , . . , . : 西安建筑科技大学.课题背景建筑是人类利用自然、改造自然的重要社会活动.从远古时代祖先们架木为巢,掘土成穴,到今天:十世纪现代化的参天大厦,建筑一直是人类抵抗恶劣的自然环境,诸如太阳辐射、雨雪风霜等自然因素的侵袭、创造舒适生活的重要保障手段.目前,维持建筑舒适性的手段主要是以消耗常规能源为主的现代采暖与空调设备.然而全球范围的资源危机、能源桔竭,已使现代建筑这种能源消耗模式难以为继.由
5、于空调产生的密闭房间综合症,空调系统耗费的一次投资与运行费用以及由此而带来的城市热岛效应加剧,大气臭氧层破坏等诸多环境效益的损失,则更是令人触目惊心.针对能耗要求不断增加、环境恶化日益加剧,西方一些国家相继提出刨建自然?房的研究计划,力求使建筑适应自然生态良性循环的基本规律.应用自然界自身的调和功能改善人类居住环境的大趋势,已在全球范围内悄然兴起.建设生态城市,其中包括探索和营造结合自然和具有良好生态循环的人居环境,就成为一项迫切的任务.中国传统建筑是中华民族几千年文明历史的宝贵遗产.在漫长的农业社会中,生产力的水平比较落后,人们为了获得比较理想的栖息环境,以朴素的生态观,顺应自然,以最简便的
6、手法创造了宜人的居住环境.因此,中国传统建筑在结合自然,适应气候,因地制宜,保护环境方面的经验,是我们今天创造新的人居环境必须重新开发认识,继承和借鉴的宝库.庭院式民居是中国传统建筑的主体和精华.许多中外学者,经过长期的调查和研究.认为它在选址、朝向、平面布局、空间组合等方面,处处体现了人们适应自然。保护自然,以最简单灵巧且经济的手段创造建筑环境的特点.尤其是黄河流域的民居。在夏季炎热干燥的环境下,院内仍可保持宜人的?爽.由于巧妙地利用了通风降温、蒸发吸热、。烟囱”效应等方式,使庭院在没有主动式降温设备的情况下,可保持适宜的热舒适性,体现了良好的。自然空调”效应.本课题产生的背景,正是基于对传
7、统民居的重新认识和定位.我国大部分地区气候冬冷夏热,夏季日照强烈,炎热干燥,并且鉴于我国目前的经济水平,大量的居住建筑还不可能在短期内普及空调技术,热环境品质低下的状况还不可能在短期内得到普遍改善.因此,以现代科学技术的观点来审视庭院式民居,定量地研究它的建筑经验,对改善民用建筑的热工状况,提高室内热环境,节约建筑空调能耗,具有积极的意义.民居研究的现状传统民居作为我国传统建筑中的一个重要类型,是我国古代建筑体系中的重要组成部?】西安建筑科技大学分.自五十年代起,各地先后开展了民居建筑的调查研究,收集和整理了大量的资料,刊印和出版了不少论文著作.对中国民居的总体布局、平面组合特征、细部构造以及
8、民居的类型分布都有了较细致的分析.庭院是传统建筑的。灵魂”.粱思成先生就曾说过:。小至住宅,大至城市,我们的空间处理与欧洲的不同主要在庭院的应用上”.庭院式民居的典型代表?四合院和三合院在中国已有几千年的历史了.考古证实,西周时期典型的民居遗址陕西岐山风雏遗址,已出现了相当严谨的庭院式建筑.它由二进院落组成,中轴线上依次为照壁、大门、前堂、后室,前堂与后室之间有廊相连,门堂室的两侧为通长厢房,将庭院圈成封闭空间.地面下设排水陶管,屋顶已甩了瓦,这是我国北方传统四合院的雏形.庭院式民居在平面布局上的显著特征是明确的流线,完整的格局以及渐进的层次.虽然从南到北,建筑的具体形式,尺寸特征因各地的地形
9、、气候、材料、民俗而略有变化,但大致仍保持着前堂后寝,中轴对称,正厅两房,主次分明,院落相套,规整严谨的格局.外部有高高的封闭院墙,内部则是层层院落相连.华南理工大学陆元鼎教授曾详细分析过中国传统民居的分布与外部特征.从表.和图.中可以清楚的看到,合院而居的形式在中国民居中的影响之大,分布之广.庭院式民居在适应气侯方面的经验,也有重要的借鉴性.庭院式民居的分布,跨越了亚热带、暖温带、中温带及寒温带四个气候带.各地的气候条件对具体建筑形式提出了多种技术要求,而人们正是在长期与自然的适应中使庭院式民居不断改进并得以逐步发展完善,积累了丰富的经验.庭院式民居不仅在建筑空间设计上具有重要的借鉴意义,它
10、适应气候适应环境的良好热工特性,也已经引起了中外许多学者的重视.遗憾的是,由于民居研究的特殊性,而且大多敬民居目前仍处在使用阶段,对它的测试研究需要得到方方面面的配合.因此.大多数可检索到的文献报道,庭院热特性的分析仍限于对当地形式的定性分析.不论是南至广东的潮汕庭院式民居,还是典型的北方四合院,普遍都认为庭院的遮荫拔气,门廊厅堂的组织通风是造成庭院夏季?爽适宜的宅院小气候的主要原因.华南理工大学设计院的黎明先生曾在年夏季对佛山东华里清代民居组织过一次大规模的热环境实测研究.东华里清代民居以冬暖夏?著称,观测表明,由街心、里弄、庭院到厅堂,其昼夜温度的平均值和最低值都趋于一致,最大值次第减小,
11、由街心的.衰减到.,波幅值由衰减到.前庭内平均辐射温度最高值为.出现在午后点钟,的平均值为.,低于测试日室外最高气温.很多,甚至略低于当日室外或室内气温的平均值.东华里小区的平面图及热环境测点而置如图.。测点高度为距地.由测试数据计算得,当采用前厅.,./,一%,.西安建筑科技大学表.中国传统民居外观特征简析民族或地区 气侯条件 地理环境 外观主要特征主要建筑材料汉族平面前堂后寝、中轴对称、内部院落相同、规整严里寒带、寒冷平 原 木、土、砖 谨,为真型的四台院北京平味地区干攥,观青诗灰瓦,稳重朴实.室内装饰装惨丰富寒带地区、寒墙体和曩嘎较辱,宅前院幕竟嘲木、土东北寒冷地区 冷冰冻、日照 平 原
12、住害南窗大、内部火坑采暖步亚寒带地区、 窑洞民居,建筑内部器厚.杓遗衙单平原 黄 土中原黄河流城搴冷干爆 外观槲门亩、凹凸墙面,厚实简朴水乡民居特色.建筑与河辨相结台置带地区、夏长江下游江南 术、土、砖、山 建筑内部通遗开朗、庭院种檀花木、外观衙朴秀热多雨、冬寒 平原、多河地区 区有石 丽。冷体型组合、灵活匀称,地方材料质感强平面外封闭内开敞,布局为以小院建筑为组合单元的魔式或密集方式热带.亚热带丘陵地、多河蛔粤南方地区 地区,沮热多 木、土、砖石 建筑密切结合气候、组成厅堂、夭井、廊道相结台流霭,多台风 的通风体系外观规整朴实.细部轻巧明快、有南方特色沮带、亚热带 建筑结合山地,有白、垃、梭
13、、拖、挑、吊等多种责山区 山地区夏热多雨 多 术、石、土主羹窒鐾:;腱疆白、吊绪台地形和穿斗式结石翻厚璧台阶式平璜建筑寒冷、步雨、日藏 族高原多山 块石、木 石条密肋楼板、密肋曩面、布幡幕宙楣、照步石框梯形宙、放牧地区则采用方型活动帐篷蒙古族 寒冷少雨 草原 暇顶毡毛穹窿顶帐包木条、毡毛封闭性院落住宅,拱廓内院,平台屋顶沮带.大陆性抄摸维吾尔族 土.末土坯建筑与结构,外型朴宴,体型糟落干旱气侯 盆地尖拱和火焰式细都样式、装饰丰富平面。三坊一照量。,。四合五天井”亚热带地区、 外观由愚董、大门、墙、两山墙面组成,每低参白族 靠山近水 未,、诗显热 差、垂基匀称多变化门楼、熙璧、山堆面点装怖、华丽
14、丰富热带、亚热带 独皖干孵式竹楼靛、敞梯、室内开敲遵遗傣族 地区.显热多 平原多水 竹、木、土雨 高耸式歌山硬干啊式麻栏建筑,平面多开阿。厅堂大空问亚热带地区置 外疆完整、轻丑简朴未、土壮族 丘陵,多山热多雨 村囊鸯于半山、滑荨高绒布置、疏密相同、规整而有序西安建筑科技大学专条埽皑娑噬磁嗣靶匪子一一匝西安建筑科技大学的条件下,人们着薄型夏装一.,在前厅睡眠/:时,。.一一. 。.%同样计算条件下,人们在前厅静躺/时,.%都达到了国际标准,即士.;%的要求,处在人体生理和心理需要的热舒适区.当,。.,/仇,即人们着普通夏装短袖衬衣长裤或长裙在前厅静坐时,. .一%超出了的国际标准士.;%,即人体
15、感觉稍热,但仍然低于我国炎热地区年小康住宅.的热舒适标准.可见,东华里民居作为华南地区典型传统民居,夏季微气候质量较高,具有良好的“自然空调”效应。图.东华里小区平面及热环境测点布置云南工业大学的李兴发先生曾经对昆明地区的典型民居。一颗印”民居的热工状况作了详细的测试和分析.典型实例三闯两耳“一颗印”的浏试分析表明,传统的“一颗印”建筑的建筑热损失系数小于当地建议值.经测试,无天棚时。一颗印”正房的热流量/./相应的热损失系数为:三/一./西安建筑科技大学小于昆明市的建议热损失系效值.,也就是说,完全按原构造手法建造也能保证冬暖夏?.可见,。一颗印”民居作为西南地区的典型民居,也具有良好的。自
16、然空调”特性.囊.三间两耳。一颗印”正房热特性测试结果/蕾护结构. .墙. .木板墙. .双坡倚瓦屋面. .木梧栅楼面.瓤 、较早开始定量化分析民居热工特性的是重庆建筑大学的陈启高教授.陈先生认为庭院式民居热工状况较好的原因主要是因为庭院的大门在正常使用工况下通常是关闭的,庭院主要在上部开口与外界交换空气,而高空空气的温度日变化、年变化均比地面要小【,即这里的。和。分别是地表面和高度为处的空气温度;是由太阳辐射加热表面和长波辐射引起的空气温度差.长波辐射可以引起的温度梯度的变化大约为一土.在高度,温差。一士.由空气中水分相变引起的温差岛士. .耳。是水分相变率.当.“时,屯.温度变化与高度差成
17、比例为,当时土.因此在高空温差的总和可以估计为一在日照下的气流上升多云天【晴朗的夜晚由于空气在庭院的上部交换,使得四合院内空气质量好。高空空气温度的日变化年变化均比外界要小,使得庭院内气候冬暖夏?.温度的形成如图.所示.对于中国北方乡村常见庭院的热作用过程,在文献.中曾根据周期性热作用下的热稳定性理论加以分析,得到了如下的庭院内空气田墙系统的热平衡方程:.口?一口.一,一,是系统辐射热损其中,。是系统太阳辐射日得热总量 。是北向外墙散热日总量失日总量;。是对流热损失日总量.在对展开式作一定的简化计算后,估算出在冬季庭院的节能效率在%之间.而夏季,由于天井中水体或院内含湿多孔材质的水分蒸发作用,
18、造成潜热失热量的增?西安建筑科技大学降:庭院图.天井中温度的形成大,降低了四合院内的平均温度,对此过程作详细分析后得到庭院内外空气温度降低值?.一/?口。一/,.一肪式中,为院内空气平均温度,.为院外大气平均温度,。为室内温度.为水平面平均太阳辐射强度,为四合院墙面顶部围成平面对太阳辐射的吸收系数,为日太阳辐射时间,。为南向外墙面积,为等效辐射总面积,为南向外墙平均传热系数,。为水分蒸发量。日照期内由于围护结构的热情性,室内温度小于室外,即。一,同时,常温范围显然有.一,则由于水分蒸发造成。烟囱效应”使得平均温差降低,使得带天井的四合院类似于被动式利用太阳能的“空调装置”.存在的问题与本文的工
19、作重点综上所述,目前对传统民居的研究较多的体现在对民居的建筑形式以及建筑造型的研究上,而对凝聚着我国古代工匠智慧和经验结晶的良好的热工性能,还未得到应有的研究和继承.已有的研究成果多限于对它的定性分析和简单的稳态计算,难以提出定量化、条理化的建议,或实用的工作程序以供建筑设计人员参考利用.具体到北方民居的研究,则多限于冬季的。自然采暖”效应而对其夏季的“自然空调”效应来见有测试和研究.以西安为例,西安地处内陆,气候冬夏分明,冬季寒冷干燥,夏季炎热少雨.而关中地区传统民居?南北窄长型四合院既在冬季具备一定的防寒保温自然采暖效应,又在夏季具备一定的通风降温、自然空调效应.因此,在关中四合院夏季。自
20、然空调”效应的研究方面,还需去做大量的工作.关中地区的地理概况和民居特性陕西省地处我国西北东部,位于东经,。,北纬。之间,大部分属于黄河流域,它历来是我国东部与西北、西南地区联系的交通要地,也是著名的古?西安建筑科技大学丝绸之路起点.全省地形东西狭窄、南北特长,纵深公里,跨个纬度,由关中盆地、陕南秦巴山区与陕北黄土高原构成三个各具特色的自然区.由于自然条件、社会经济发晨水平、地方建筑材料与生活习惯等不同,三个地区的建筑布局与风格各有特色.关中盆地地处秦岭北倔,北界。北山”,东起潼关港,西迄宝鸡峡,东西长约公里,历代称谓八百里秦川,东宽西窄,地势平坦,海拔米.关中盆地的年平均温度为.,属暖温带.
21、四季分明,冬夏较长,春秋气温升降急聚,夏有伏旱,秋多连阴雨.西安市是本省夏季高温中心之一.东至潼关,西至宝鸡,其温差相差无几.无霜期天,年降雨量毫米,雨量集中在月.近年来冬季及夏季的气温有逐年上升的趋势.从历史记载以及现存的民居的形式与布局看,还是属于北方类型,其平面布局与北京民居类同.关中地区地少人多,宅基划分多以十米左右的三开问面宽居多,因此形成窄门面,大进深的宅基.加之夏季酤热,所以大多数宅院在布局上采用南北窄长的内庭,沿纵轴布置房屋,组成以层层厅堂、层层院落而成的序列空间.图.、图.是当地比较典型的二进庭院的布置形式.这类庭院的一般处理方法,是以前厅、内院组织各类房屋,最后部分是服务性
22、的后院.前庭:是大门进入宅院的过渡空间,具有外向性,它由门庭、过厅和厦房围合组成,供接待、婚丧、庆典及家人团聚之用.内院:位置多在过厅的后面,这是家庭内部起居生活使用的空间,一般宾客不进入内院.由于它处在宅院的后部,便于保持安静和独立的特点。内院的布置形式多为四合院。后院:设在宅院的最后部分,其大小不一,供生活服务之用,后院内一般设有厕所,并作为饲养、储藏及种植蔬菜果木等.总之,关中地区民居的平面,具有布局严谨、纵轴贯通、层次分明、庭院狭窄、临街封闭、院内通透等特点.本文的工作点多年的实践表明,关中地区特有的窄长型四合院适应了关中地区的地形特点和气候特点,在夏季具有良好的。自然空调”效应.而目
23、前,尚未见到有针对关中四合院夏季庭院热环境的定量研究报道.鉴于此,本文的工作重点是:、以关中民居为例,研究北方庭院的平面及空间尺度与院内夏季温度的周期变化之间的定量关系式.、建立庭院的平面与空间尺度、水分蒸发源与夏季院内温度场分布之间的计算机模拟程序.、选择一个典型的关中四合院,对其夏季热环境参量作详细测试.、从民居现场实测与计算机模拟程序的对比分析,讨论影响民居热环境的各要素及其?西安建筑科技大学相互关系,以期为设计人员提供参考.圈.西安相子庙街某宅院落平面图图.西安相子庙街赵宅院落平面图西安建筑科技大学庭院内的动态热过程.概述庭院内空气温度的波动处在多个周期性作用因素综合影响之下,是一个较
24、为复杂的热湿耦合作用过程.庭院的空间尺度,平面布局、建筑材料、太阳辐射、室外空气温度、瞬时风速等,都将影响着庭院内的温度分布.白天,太阳辐射依次照射西、东厦房朝向院内的墙面及院内地面,墙体外表面吸收太阳辐射后温度升高,其中一部分以对流和辐射的形式向院内教开,还有部分传入屋内或储存于地面内部.地面多孔材质在太阳辐射和空气流动的共同作用下,地表出现水分蒸发相变过程.尤其是白天,院内空气温度升高引起院内相对湿度降低,使蒸发作用进一步加强,蒸发时吸收地面附近空气热量降低了院内温度.四周封闭遮阳造成过厅处天井的空气温度相对较低,加之蒸发造成院内水汽含量增加.共同形成动力,推动院内热空气向院外流动,院外空
25、气水平方向的流动进一步加速了这种流动,形成。烟囱效应”,降低了院内空气的平均温度.本章将对这种热过程作定量分析.首先讨论庭院动态运行过程的数学物理描述的几个基本问题,并以此为基础,给出庭院空气温度,壁面温度的通用数学模型.动态热过程的基本方程式对任一建筑内部空间,在各表面的自然对流热作用下,一般情况空气温度应是空间坐标和时间的函数.对庭院这种有限空间而言,院内空气流动充分,混合均匀,可以认为庭院平面温度分布相差很小.为了先了解庭院一般情况下的热状况,即研究在外界空气温度周期性变化的条件下,庭院空气温度的整体周期性变化规律,以期对庭院夏季热环境做一个整体的评价和认识.我们取人体最敏感的区域一庭院
26、中心距地.高处的空气温度代替整个庭院的空气温度作为研究对象.在上述近似条件下,院内空气热平衡方程为:口口口一口.互矿式中,表示院内空气温度,为院内空气总体积,为空气密度,为空气的定压比热.其它各量的含义和定义式分别为:。、。、。分别为东、西厦房、北向正房朝向院内的墙面与院内空气的对流换热量,。为庭院地面与院内空气的对流换热量.,西安建筑科技大学.口?一一.口一.口一“一.口一一如一。、。、。、。分别是各个表面同空气的对流换热系数,其值大小受空气温度、壁面温度、空气流速等因素的影响.依据.雷柯夫在常温,低风速情况下的经验公式。. .表示壁面附近的空气流速.。、。、。分别代表东、西、北向外墙及地面
27、的温度和面积.关中庭院的院门通常是开在南墙上的.因此,以院门开在南墙这种典型情况作为研究对象.这样,南墙的实体墙面相对较少,为使所建立的模型简单实用且具有代表性,我们把南墙分两类情况处理.见图.第一类情况是南墙上居中开有一个正门,两侧对称开有两个侧门,整个南墙实体墙面面积与东、西、北墙相比可以忽略不计.这时可以不考虑南墙对庭院的影响,将其换热忽略不计.第二类情况是南墙只有一个居中的正门,两侧还保留有一定面积的实体墙,为尽量减少简化所带来的误差,将门两侧的南墙实体面积分别加到东墙和西墙的计算面积之上,即将其看作为东、西墙面的延伸.一爹第?类情况第二类情况图.南墙的处理。代表庭院内外空气交换的换热
28、量.口。?一屯为单位时同的庭院空气交换质量,为空气的比热;./,与分别是院内原空气及流入空气的温度.将以上各式整理可知,要讨论庭院内的动态热过程,必须首先确定庭院内壁面温度、庭西安建筑科技大学院内外空气交换量以及相应的空气流速.空气交换量及空气流速。庭院内外的空气循环过程是一个复杂的物理过程.院内外的热压差、湿气压差、人员的活动以及外界的随机风都是形成空气交换的动力.根据庭院的具体情况,典型的换气过程有以下两种.一进式庭院此种形式是庭院式民居的基本形态.正常使用情况下,它的大门虽设而常关.庭院内的空气交换主要通过庭院上方开口进行.设某时刻庭院内空气温度为,外界空气温度为.,若有。,庭院内外会有
29、空气交换.则有:?/式中.。为空气的摩尔质量.经过一段时间,至如下状态:.; “;?.庭院内外即达到稳定平衡.此时,如有随机风或庭院内人员活动所带来的扰动,在庭院上方界面两端会有空气相互渗透,直至系统重新恢复平衡.因此,可以认为这种庭院空气交换量很小,相应的热交换量也很小.可以不予考虑.庭院内外空气的湿度差也会造成一定的压力差.由物性表可知常温情况下,饱和湿空气的密度为./,千空气的密度为./.,差值非常小,而且,庭院内外的空气既不可能是绝对的干空气,也无法达到完全饱和.所以,由湿度差造成的庭院内外的压差,在有温差的情况下可以忽略不计.二、三进式庭院多进式庭院是关中地区传统民居的主要形式.正常
30、使用情况下,此种形式的庭院对外的大门通常是关闭的,而庭院内部保持通透.内院的门通常是开着的,门外是过厅处的天井.一般庭院的过厅“较短且四周均为封闭的外墙,所以,此处基本上得不到太阳的直接图.庭院空气循环过程照射,过厅外的空气较为阴?,温度比内院的空气温度要低.因此,空气由天井从内院门流入内院,从庭院上方的开口流出,西安建筑科技大学构成如图.所示循环过程.设天并处的空气温度为。,外界空气温度为.,庭院内的空气温度为,则据上段分析显有。.,如同形成一个有两个串联开口的。冷”烟囱.文献给出了由温差引起的。烟囱效应”的串联出入热压差;,日焉一暑” .?;矸 “取门中央至庭院上部开的垂直距离,为时的空气
31、密度./,则在自然通风情况下,单位时间通过串联开口的气流量.,州者”式中。、。分别为庭院门和庭院上部开口的面积.则总换气质量 ?为空气密度,其值为./由得入口和出口处的气流速度:.矿进;者.。,硝牢.一圭.州笨岛,。庭院门及庭院上部开口处的压力差在庭院流动中克服入口, 沿程及出口处的阻力形成庭院中的平均风速可,则有;一。学岛学蛊等.,其中,、皇分别为庭院门和上部开口处的地方阻力系数,表示空气在庭院内流动的沿程阻力系数.对庭院在自然通风条件下空气流动沿途无遮挡的情况,据文献有:岛.岛.矗九?/喜式中,为庭院中壁面的摩擦系数 为庭院截面的圆化直径,。为庭院空气流程即庭院门至上部开口的长度.西安建筑
32、科技大学丸一?可?詈.&归为表面粗糙度,对一般建筑物表面,取.;。为庭院垂直气流方向的断面面积,为该断面周长.将以上各式整理后,得沿程空气流速为:.矿.一.“”竺些尝.避外界风速的变化以及人员活动带来的扰动都是随机的,无法用简单函数描述.考虑到关中地区夏季常年主导风速很小,且庭院大门常关,本文选择最不利情况?外界无风天且内部无人员活动作为研究对象是可行的.则在上述情况下,由庭院内外空气温差所导致的气流交换速度,也就是上述公式、和.所描述的气流速度即庭院不同位置处的风速。,图.墙面计算模型.庭院四周壁面温度计算房间朝向庭院的墙体的简化模型如右图.所示,墙体传热的控制方程为:娑盟出式中,/,表示墙
33、体材料的导温系数,为导热系数/;为材料的密度/;为材料的比热/内外两侧的边界条件为:?袅.。,嘎一。,一。一一一口, .?【一轰。川。“.式中,赴表示墙面对太阳辐射的吸收率,为墙面接收的太阳辐射强度.为.西安建筑科技大学计算墙面对地面和其它各房朝向庭院的外墙的辐射散热之和.南向墙面因开有院门,实体墙面相对较少对南向墙面的处理同.节所述.,为墙面向天空的长波辐射热口,。虻一:口为墙面面积,为墙面对天空的角系数,为墙体材料的等效黑度,.为天空大气的当量温度.为黑体的辐射系数.;.一。/?厂?.,.为院外空气中的水蒸气分压力,.为大气温度.式中,为房间内表面换热系数;。表示房同内的空气温度.。的值受
34、庭院及房间的具体建筑材料,设备等多种因素的影响.考虑到关中地区民居庭院内房间在夏季一般门窗敞开,通风情况良好,可近似地认为房间温度同庭院温度相等.院内太阳辐射得热量计算任意时刻太阳辐射强度任意时刻的地表太阳辐射强度由直射辐射强度,散射辐射强度以及地面反射辐射强度三部分组成.直射辐射强度由定律,单色辐射在各向同性的大气透过时有,“”,一口胂式中,。为单色太阳辐射常敦,。为大气衰减系数,为大气质量.对于全波段辐射,做类似分析,有:,.和分别为垂直入射光线平面上的直射辐射强度和太阳常数.现时太阳常数取值为/,。称为大气透明系数,其值的大小取决于大气的成分及物理性质.在对大气中太阳光线受到的分子散射、
35、臭氧吸收、烟雾散射和水蒸气吸收的研究分析进行总结后,确定了不同地区,不同季节的.值在.之问波动.大气质量是指太阳辐射穿过大气层时所通过的路程.李怀瑾曾给出的确定式;幽“?式中的为太阳高度角.西安建筑科技大学散射辐射强度大气中的分子尘埃等对直射光进行散射后,其中有相当部分到达地表.和都曾给出过地表水平面散射辐射强度公式:一。?酣椰专蠢瓦地表反射辐射,地表总辐射强度中,应包括地面反射部分.视地面为散射辐射,到达地面的总辐射为直射辐射和散射辐射之和.则反射率为的地面反射辐射强度为:,一,一.,:则到达与地面的夹角为的表面处的反射辐射强度为:?,.一.:,。一。导地表自然表面对太阳辐射的吸收系数较大,
36、一般在.之闻,即一般来说很小.对于粗糙度很高的自然民居地表面,可认为,也就是说,地表反射辐射部分可以忽略不计.以上分析仅为理论值.如条件许可,应尽量采用当地气象站的观测值.国家一级气象台站有完整的地面直射辐射强度和散射辐射强度的逐时值.国家二级台站对太阳辐射的观测仅限于总辐射强度的逐时值西安地区气象台站为国家二级台站,可采用经验公式将其分解为和.于年指出,在标准大气压、一般潮湿、一般污染的情况下?,.,一.一?.式中的为任意时刻的太阳高度角.血一盎舢为计算地区的纬度角,为计算日赤纬角,为太阳时角.訾口日.矗一式中,为计算日在一年中的日期序号,为计算日的时差,。为计算地区标准时间.。?西安建筑科
37、技大学对与地面成任意角度的表面:.直射辐射:. /“一.散射辐射:,:一,。为任意时刻的太阳方位角,为所求表面的坡度角,。为所求表面法线的方位角.庭院太阳辐射得热量由以上关系式,可以得到东、西厦房朝向庭院的外墙以下简称东墙、西墙的直射辐射强度和所有墙面的散射辐射强度表达式.西墙直射辐射 ,。一,. 一一,.如口.东墙直射辐射 ,.一,. ,.散射辐射 。.。其中:/?。一.由于庭院的遮挡作用,西东各墙依次得到一定时间的直射照射,北向正房一般设有较长的廊檐,当地人称之为“歌阳”.它直接与东西厦房的廊檐相连接,因此北向外墙一般得不到阳光直射.各墙从日出到日落均接受散射辐射.如右图.所示,随着太阳高
38、度角的变化,太阳依次照射西墙、地面及东墙.照射位置和光斑宽度随的变化如表.假定得到的直射辐射能量在墙面范围内均匀分布,则: 图.窿院内太阳辐射.西墙,如岩%.东墙,.,.,争乞.北墙 ,.地面,一,孬辛一西安建筑科技大学表.庭院内太阳辐射情况随太阳高度角的变化照射位置 光斑宽度西墙 “?鲁一西墙,一“西墙?地”等”等地面一,屯地?等一詈地面“一,地一东墙一鲁一鼍 东墙?东墙 “彘一等.院内璺面间辐射换热计算由文献易得:用 ,。一也一,高一而南式中,。为绝对黑体辐射系数,屯一.为计算面对辐射面的角系数,一为两个灰体表面换热的折算相对辐射系数.铀可瓦耳可可?玎。和。为两表面间的相对辐射系数.院内壁
39、面温度均处在常温范围之内,可以运用.巴格斯罗夫斯基提出的线性化方法“,引入温度系数一,有:蠢一盎吐“,在室温条件下。一.为换热表面的平均温度,.,作以上变换后,可表示为西安建筑科技大学,一丸一,。一,考虑到整个庭院内各表面温差不大,且均在常温范围内,引入。房闻辐射温度”的概念,用表示其它各表面对计算表面的综合辐射温度.,甓。对璧面间常温辐射换热计算.可用院内气温来近似地代替院内各墙面综合辐射温度,整理后:.,”也一,。一一,一幻式中电一对院内所有墙面,各值可取.巴格斯罗夫斯基给出的夏季常温情况经验数据,一.;屯一】.一一.长波辐射散热计算长波辐射是庭院夜间散热的主要途径.天空大气的等效温度仍在
40、常温范围内,可以仿照处理院内壁面间辐射的方法,采用.巴格斯罗夫斯基的方法,将长波辐射线性化.将院外气温.展成付氏级数:。.。.?;。,。“、,。分别是某一地区气候参数周期变化的谐量分析的振幅值和相位值.周期为:堑。差。西。西则:,拦.罱.。矗讧篁柚/.由上,天空大气等效温度,可表示为:,。一.一,.一一在此基础上得:西安建筑科技大学口,。,一丑./。一.,.一。.一。妇:互其中为温度系数.。.。,.院内地面沮度计算地面温度。是庭院热过程的一个重要特征量,该量不仅与太阳辐射、气流速度有关,还与地面材料的水分蒸发重密切相关.该量的准确性直接影响着院内气温计算的准确性.地面的情况与墙面略有不同.常见
41、的北方四合院的地面处理情况有两种,一种直接为土地面另一种为素土夯实上铺青砖.武汉城乡建设环境保护学院的武止戈先生曾详细计算过几种常见土壤的导温系数.由文献,夯实粘土的导温系数为 的青砖,对于密度为;/由规范得,其导温系数为:】一/伊.两种材质的热物性相近,计算时可近似按一类材料处理.地面温度计算模型如下图.所示,传热控制方程为:.鸶望:。掣一?新。玉由气象观测值可得到地面下、和处温度逐时值,如表.所示表.地表下温度值温度 点点 点 点. . . . . 蒸麟. . .从表中数据可知,地面下处的温度己基本稳定,因此,对庭院地面,方程的边界条件为:? ?掌.一 一 一 上 一 口劬一.儿 “孛一西
42、安建筑科技大学.式中,咆为地面对太阳辐射的吸收率,表示地面同各个墙面之间的辐射换热,可仿照墙面的方法处理.,表示地面对天空的长波辐射热口.。,虻一:为地面面积,为地面对天空的角系数,为地面的等效黑度,为天空大气的当量温度.为黑体的辐射系数.式中,.十.,为砖的厚度,为地面下处的温度值取气象观测平均值.为水的汽化潜热.?.。为地面多孔材料的蒸发率.对于地面蒸发率的计算,考虑到物理过程的相似性,参考 和在年提出来的土壤表面蒸发率计算方法“”,经修正后得材料表面蒸发率计算式:.一./白式中,和.分别是温度为时蒸发面处空气的含湿量/和空气在参考高度处的含湿量/;为蒸发面处的空气动力学阻力/岛高二最其中
43、是乞在绝热或中性条件下的空气动力学阻力值/。是稳定度系数,分别由下式确定:二/. .墨/?。是理查逊数驴鼍鲁舞羝掣式中,参考高度一般取距地面,为蒸发面的粗糙度青砖的粗糙度取.,.为空气温度,为干空气密度,为蒸发面上的风速,按.式取值.一“。?三考?一精综合以上各式,可得到院内地面温度的计算模型.,叫屿等学成,.瓣酉安建筑科技大学.庭院热过程数学模型的通解.庭院璧面沮度的周期謦要求解壁面温度,必须首先将太阳辐射强度展成付氏级数:,“钆.式中的付立叶系数.一.。、吨分别是某一个地区气候参数周期变化的谐量分析的振幅值和相位值.周期为;堑差 。西西认为院内气温也随时间以同样顿率做周期变化,并将其展开?.在方程.、.中依次带入西墙、东墙、北墙的几何参数及气象数据,即构成各自墙面温度方程的边界条件,连同导热方程及、的周期函数,便可以得到各个墙面的温度表达式用下标、依次表示西墙、东墙、北墙.导热方程的解为:,.一以式中以一啦万、,巧力万对于西墙埽一,。.一日十.龟孵。瓦干可瓦而厕一,。蜥:瓦干可两丽:丽一逝吐垃等业丛型.;?.?盲.?一西安建筑科技大学祁。,即.。一碱一一,。东墙.“十“曰.。廿廿十廿%
