具有開啟式中庭的高層建筑熱環(huán)境探究

李崢嶸 張晗晗 趙群 徐天昊

1同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院

2同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院

具有開啟式中庭的高層建筑熱環(huán)境探究

李崢嶸1張晗晗1趙群2徐天昊1

1同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院

2同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院

中庭具有垂直溫度梯度較大的特點(diǎn)，而開啟式中庭與周圍房間連通，熱環(huán)境相互影響。為了分析該類中庭的熱環(huán)境及其對(duì)周邊空調(diào)區(qū)的影響，本文以杭州市某棟99.55m高具有貫通整棟建筑的核心式開啟式中庭的高層辦公建筑為研究對(duì)象，采用Ecotect及Airpak軟件進(jìn)行模擬分析，分為夏季供冷工況和冬季供暖工況。結(jié)果表明，在建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)氣密性很好的前提下，冬夏季均存在開啟式中庭頂部過熱的情況，局部高溫夏季42℃，冬季39℃；冬夏季中庭對(duì)周邊辦公區(qū)域影響較?。欢局型サ拇嬖谟欣跍p小采暖負(fù)荷；中庭存在氣流環(huán)流。

開啟式中庭供冷工況供暖工況Airpak環(huán)流

0 引言

建筑學(xué)上，中庭是指建筑物之內(nèi)或之間的有頂庭院，強(qiáng)調(diào)垂直方向的貫通[1]。各類中庭形式中，核心式中庭是國內(nèi)外最常見、最典型。中庭的剖面基本分為三種，矩形、V字形、Λ字形[2]。若中庭與周圍多數(shù)房間無隔墻完全連通，則稱之為開啟式中庭。本文研究對(duì)象是樓高為99.55m的高層辦公建筑，該建筑具有核心、開啟式中庭，剖面結(jié)合V字形和Λ字形的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。中庭空間熱環(huán)境主要受“溫室效應(yīng)”和“煙囪效應(yīng)”的影響[3]。中庭設(shè)計(jì)是否合理不僅影響室內(nèi)舒適度，還影響建筑自身的能耗[4，5]。

針對(duì)中庭熱環(huán)境，文獻(xiàn)[5]～[8]中學(xué)者采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法對(duì)中庭熱環(huán)境進(jìn)行探究，發(fā)現(xiàn)中庭存在明顯的垂直溫差。更多學(xué)者采用了模擬方法進(jìn)行研究[8～12]，張帆的模擬結(jié)果[10]顯示開啟式中庭由于中庭與各層直接連通，每層均有部分冷空氣自中庭下沉、熱空氣上浮的現(xiàn)象，溫度分層明顯。中庭的存在對(duì)建筑能耗的影響也較大[8，13]，尤其是頂層及各層回廊區(qū)域。

1 研究對(duì)象

目前中庭建筑的研究中，研究對(duì)象大多僅取中庭部分[9，11，12]。而具有開啟式中庭的建筑各層氣流相互流通，熱環(huán)境相互影響，不應(yīng)僅取中庭部分，而應(yīng)將氣流貫通的全部建筑空間作為研究對(duì)象。對(duì)于開啟式中庭建筑，若樓層較高[8]，其開啟式中庭大多僅與回廊區(qū)域直接連通，而與周邊其他區(qū)域的空調(diào)環(huán)境有墻體隔斷；與各層空調(diào)區(qū)域直接連通的開啟式中庭建筑樓層較低[10]。而本建筑樓層較高同時(shí)具有開啟式中庭，少有可以參考的設(shè)計(jì)案例，因此有必要針對(duì)該建筑進(jìn)行研究。本文采用Ecotect及Airpak軟件為主要工具，將本建筑氣流貫通的全部建筑空間作為研究對(duì)象，對(duì)該建筑熱環(huán)境進(jìn)行模擬分析，并進(jìn)一步探究該開啟式中庭對(duì)周邊辦公區(qū)域熱環(huán)境的影響。

1.1建筑概要

該建筑位于杭州市，建筑地上層數(shù)20層，高度99.55m，地上建筑面積43280m2，主體朝向南偏東53°，屬于一類高層辦公建筑。建筑外立面形狀較復(fù)雜（圖1），建筑基座呈72m×34.5m的長(zhǎng)方形。核心式中庭貫穿整棟建筑，高99.55m，形狀不規(guī)則（圖2），具體剖面形式為：東西側(cè)上部為Λ型，下部V型；南側(cè)上部為半Λ型，下部為半V型；北側(cè)為豎直規(guī)則立面。各樓層標(biāo)高匯總為表1。

圖1 建筑效果示意圖

圖2 中庭邊界示意圖

表1 建筑樓層標(biāo)高信息表

19層靠近中庭處為空中花園，其余為大空間辦公區(qū)域。空中花園上空為封閉的玻璃天窗，天窗總面積690m2。除大堂及空中花園外，每層凈高3m。11、17～20層與中庭之間用玻璃幕墻隔斷為封閉空間，其余樓層包括空中花園部分均與中庭直接連通，每層的走廊區(qū)域?yàn)榫嚯x中庭邊界2m范圍內(nèi)，每層中庭邊界設(shè)置1.4m高豎直玻璃圍欄，同時(shí)在吊頂上設(shè)置0.5m高懸梁擋壁阻礙冬季熱空氣外溢到中庭。由于建筑形狀不規(guī)則，故無標(biāo)準(zhǔn)層。以13層為例（圖3），建筑平面呈軸對(duì)稱設(shè)計(jì)，主要功能區(qū)域?yàn)榇罂臻g辦公室。

圖3 平面示意圖（13層）

1.2空調(diào)系統(tǒng)概要

整體上建筑的空調(diào)系統(tǒng)與建筑平面相適應(yīng)，也呈軸對(duì)稱分布。大堂、大空間辦公區(qū)域多采用低速定風(fēng)量全空氣系統(tǒng)，頂送頂回或側(cè)回；挑空大堂處采用雙工況噴口，側(cè)送頂回；空中花園采用雙工況球形噴口，側(cè)送側(cè)回。通過調(diào)節(jié)噴口向上或向下的傾斜角，適應(yīng)冬夏季不同溫濕度環(huán)境的需求。除球形噴口外，風(fēng)口均采用條縫型風(fēng)口。中庭底部人員活動(dòng)區(qū)為空調(diào)區(qū)域，其余為非空調(diào)區(qū)域。該建筑屋面除玻璃天窗外，其余部分涂覆了反射率為0.85的高反射涂料，使用了高反射隔熱屋頂?shù)谋粍?dòng)式節(jié)能技術(shù)，以增強(qiáng)頂層空間的人員熱舒適性[14]。根據(jù)國內(nèi)常用修正方法，對(duì)該部分屋面的傳熱系數(shù)乘以0.9的修正系數(shù)。設(shè)計(jì)方使用HDY-SMAD暖通空調(diào)負(fù)荷計(jì)算及分析軟件V1.7對(duì)冷熱負(fù)荷進(jìn)行逐時(shí)計(jì)算，計(jì)算表明，夏季最大冷負(fù)荷為5220kW，出現(xiàn)在16:00，冬季最大熱負(fù)荷為3100kW，出現(xiàn)在8:00。

2 模擬計(jì)算

本文首先利用Ecotect軟件分析中庭太陽輻射分布比例，然后采用Airpak軟件對(duì)該建筑熱環(huán)境進(jìn)行模擬計(jì)算。在保證模擬結(jié)果可靠性的基礎(chǔ)上，對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化及假設(shè)如下：

1）室內(nèi)空氣不可壓縮，且符合Boussinesq基本假設(shè)；

2）室內(nèi)空氣流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)湍流；

3）空調(diào)期間室內(nèi)為正壓且建筑氣密性很好，無滲風(fēng)、漏風(fēng)。

2.1物理模型

考慮到建筑平面及空調(diào)末端均對(duì)稱設(shè)計(jì)，且核心筒與大空間辦公區(qū)域不直接連通，因此為了避免計(jì)算區(qū)域過大，取建筑對(duì)稱軸西側(cè)、核心筒南側(cè)（見圖3的陰影部分）作為計(jì)算區(qū)域。11、17～20層辦公區(qū)域與中庭之間有玻璃幕墻隔斷，不列入計(jì)算區(qū)域。計(jì)算區(qū)域尺寸為（圖4、圖5）。

圖4 模型效果圖

圖5 模型西立面圖

2.2數(shù)學(xué)模型

室內(nèi)氣流屬于三維穩(wěn)態(tài)不可壓縮紊流流動(dòng)，因此采用改進(jìn)的RNG雙方程模型[15]。近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法，速度和壓力耦合采用SIMPLE算法，用控制容積法離散求解區(qū)域，控制容積為六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)約725萬。離散求解的相關(guān)參數(shù)的設(shè)定如表2所示。

表2 離散求解的相關(guān)參數(shù)設(shè)定

2.3邊界條件

建筑空調(diào)負(fù)荷根據(jù)設(shè)計(jì)方提供的負(fù)荷計(jì)算書，以體熱源的形式平均布置在每層相應(yīng)區(qū)域；送回風(fēng)口的尺寸、位置、風(fēng)量、溫度等按照暖通設(shè)計(jì)相關(guān)資料進(jìn)行設(shè)置，對(duì)送風(fēng)口設(shè)置流量、溫度、湍流度等參數(shù)，對(duì)回風(fēng)口設(shè)置流量、湍流度等參數(shù)；由于僅對(duì)建筑的一半進(jìn)行建模，因此對(duì)稱軸處的邊界采用對(duì)稱邊界。

頂部采光天窗接受太陽輻射，用Ecotect軟件對(duì)太陽輻射透過天窗后在中庭各壁面的分配情況進(jìn)行模擬分析。中午12時(shí)太陽輻射最強(qiáng)、太陽高度角最大，因此取設(shè)計(jì)日中午12時(shí)作為計(jì)算時(shí)刻，將模擬結(jié)果作為模型中對(duì)應(yīng)的中庭壁面的熱流量。中庭不同高度處接收的太陽輻射量不同，根據(jù)Ecotect軟件模擬結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，將中庭不同高度處所接收的太陽輻射量占進(jìn)入建筑的太陽輻射總量的比例列為圖6。外圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱已考慮在上述體熱源中，因此其余外壁面設(shè)為絕熱邊界。

圖6 不同高度處中庭所接收的太陽輻射量占進(jìn)入建筑的太陽輻射總量的比例

3 模擬結(jié)果分析

3.1夏季工況

夏季供冷工況溫度模擬結(jié)果如圖7～9所示，可見89m高度處出現(xiàn)溫度驟升，該處至天窗之間空氣溫度均高于30℃，99m高度處平均溫度34℃，局部最高可達(dá)42℃，平均溫升梯度為0.4℃/m。分析原因是頂層接受的太陽輻射熱量無法被排出，積聚在上空。而溫度驟升出現(xiàn)在89m高度，是因?yàn)?8.6m處存在空中花園的水平送風(fēng)噴口，噴口起到了一定的空調(diào)分層作用。但由于太陽輻射得熱量相對(duì)較多，空中花園平均溫度為28.7℃，較明顯地偏離25℃的設(shè)計(jì)溫度。

圖7 夏季A-A截面溫度云圖

圖8 夏季B-B截面溫度云圖

圖9 夏季中庭垂直溫度分布圖

由圖9可知，16層及以下的中庭平均溫度在24.8℃～26.2℃之間，溫升十分緩慢，僅上升了1.4℃。而16層及以下空調(diào)區(qū)平均溫度分布在23.2℃～25.7℃之間（圖10）。17、18層高度處的中庭溫度在26.2℃～28℃之間，溫升梯度為0.2℃/m。由于透光玻璃天窗占頂棚的面積比僅約28%，進(jìn)入中庭的太陽輻射量較少。此外，中庭上部的Λ型剖面設(shè)計(jì)使得最上層中庭面積較小，而且上層對(duì)下層起到的自遮陽作用使下層得到的太陽輻射量較少。核心式中庭被四周的空調(diào)區(qū)域包圍，因此16層及以下的中庭基本維持了周邊的空調(diào)設(shè)計(jì)溫度，并沒有對(duì)周邊空調(diào)區(qū)產(chǎn)生很大影響。而17、18層中庭不與空調(diào)區(qū)域連通，因此溫度稍高于下面幾層。由圖10可知，北部走廊區(qū)域的平均溫度高于該層平均溫度，主要是因?yàn)楸眰?cè)的豎直立面無自遮陽效果，太陽輻射熱量使北側(cè)走廊區(qū)域溫度稍高，但仍在可接受的范圍內(nèi)。

圖10 夏季空調(diào)區(qū)域的平均溫度（1～16層）

從矢量圖11、12可知，中庭內(nèi)氣流呈環(huán)流流動(dòng)：中庭北側(cè)和西側(cè)氣流上升，南側(cè)和西南側(cè)氣流下降。從前述分析可知，中庭北側(cè)溫度偏高，導(dǎo)致氣流上升，同時(shí)帶動(dòng)中庭西側(cè)的部分氣流上升；而南側(cè)、西南側(cè)由于中庭立面的自遮陽作用使溫度稍低，氣流下降，形成了中庭的環(huán)流。局部氣流速度為0.53m/s，會(huì)使相鄰走廊內(nèi)人員有明顯的吹風(fēng)感[16]。

圖11 夏季中庭45m水平面速度矢量圖

圖12 夏季A-A截面速度矢量圖

3.2冬季工況

冬季供暖工況溫度模擬結(jié)果如圖13～16所示。針對(duì)底層區(qū)域，中庭1、2層溫度約19.5℃，空調(diào)區(qū)域溫度約18.7℃，分析其原因是空調(diào)送風(fēng)的熱空氣上浮造成的，即中庭下送風(fēng)口距離地板9m，部分空調(diào)送風(fēng)并未到達(dá)底部，而是在浮升力的作用下通過中庭上浮，導(dǎo)致底層區(qū)域溫度較低。3～16層中庭溫度緩慢升高，在21.8℃～23.5℃之間，空調(diào)區(qū)域溫度在21℃～23℃之間?？梢?6層及以下的中庭溫度高于該層空調(diào)區(qū)域溫度，利于減少采暖負(fù)荷。

圖13 冬季中庭垂直溫度分布圖

圖14 冬季A-A截面溫度云圖

圖15 冬季B-B截面溫度云圖

中庭在73m和89m兩高度處均出現(xiàn)溫度驟升，在86m高度處溫度小幅下降。73m高度處的溫度驟升是因?yàn)閺脑撎幖?7層起中庭與空調(diào)區(qū)域不再連通，中庭壁面得到的太陽輻射熱量集中在中庭區(qū)域而不向其他空調(diào)區(qū)域擴(kuò)散。17、18層中庭處的溫度穩(wěn)定在27.9℃左右。86m和89m高度處的溫度突變均是由空中花園的水平送風(fēng)口引起的，25℃的送風(fēng)溫度低于周邊空氣溫度，造成86m高度處溫度有小幅的下降。而太陽輻射熱量的聚積導(dǎo)致中庭頂部過熱，從89m開始溫度迅速上升，99m高度處平均溫度38.5℃，平均溫升梯度為0.9℃/m。

北部走廊區(qū)域的平均溫度高于該層其他空調(diào)區(qū)域平均溫度（如圖16），中庭冬季亦存在氣流環(huán)流（如圖17），與夏季工況相類似。

圖16 冬季不同區(qū)域的平均溫度（1～16層）

圖17 冬季B-B截面速度矢量圖

4 結(jié)論和建議

針對(duì)該棟具有開啟式中庭的高層建筑，本文對(duì)其夏季工況和冬季工況的熱環(huán)境進(jìn)行了模擬分析，主要評(píng)價(jià)其在現(xiàn)有空調(diào)設(shè)計(jì)下，開啟式中庭是否會(huì)對(duì)周邊辦公區(qū)域的熱環(huán)境產(chǎn)生不利影響。在做出合理簡(jiǎn)化和假設(shè)的基礎(chǔ)上，通過模擬可以得出以下主要結(jié)論：

1）在現(xiàn)有空調(diào)系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況下，除建筑上部和底部外，空調(diào)區(qū)域基本可維持夏季25℃、冬季22℃的室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度，因此開啟式中庭對(duì)周邊空調(diào)區(qū)熱環(huán)境影響不大。

2）中庭頂部透明部分對(duì)建筑上部熱環(huán)境影響很大。在正午時(shí)刻，中庭頂部局部氣溫將高于40℃，對(duì)周邊區(qū)域尤其是空中花園會(huì)產(chǎn)生不利的影響，建議配合其它措施（如機(jī)械送排風(fēng)）緩解建筑上部局部過熱問題。

3）中庭內(nèi)冬夏季均存在氣流環(huán)流現(xiàn)象。夏季的環(huán)流氣流會(huì)在中庭拐角處局部加速，風(fēng)速約為0.53m/s，使在走廊靠近中庭的人員有吹風(fēng)感，但此處人員密度較小，因此可忽略此處氣流加速的影響；冬季不會(huì)出現(xiàn)這種情況。

4）中庭底部送風(fēng)口的高度和形式影響建筑底部熱環(huán)境，下送風(fēng)口不宜距人員活動(dòng)區(qū)較遠(yuǎn)，否則易出現(xiàn)熱空氣不能到達(dá)人員活動(dòng)區(qū)的現(xiàn)象，需要在設(shè)計(jì)中加以重視。

致謝

華東建筑設(shè)計(jì)院暖通工程師—吳國華老師為我們本次工作的順利進(jìn)展做了很大貢獻(xiàn)，亦給出很多建設(shè)性指導(dǎo)，在此向吳國華老師表示十分感謝。

[1][英]理查·薩克森著,戴復(fù)東譯.中庭建筑-開發(fā)與設(shè)計(jì)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1990

[2]林川,田先鋒,房志勇.中庭建筑設(shè)計(jì)及其熱舒適度控制[J].工業(yè)建筑,2004,34(7):28-29

[3]陳鈺.中庭的熱環(huán)境與節(jié)能研究[D].杭州:浙江大學(xué),2008

[4]王賓.生態(tài)高層的經(jīng)典之作--記法蘭克福商業(yè)銀行總部[J].城市建設(shè)(下旬),2010(5):47-48

[5]袁光宗,吳紀(jì)昌.深圳國貿(mào)大廈中庭熱環(huán)境實(shí)測(cè)分析與研究[A].見:第六屆建筑物里學(xué)術(shù)會(huì)議論文選集[C].北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社,1993:452-453

[6]王向?qū)?中庭式商業(yè)建筑室內(nèi)熱環(huán)境研究[D].天津:華北電力大學(xué),2006

[7]余濤,楊玲,雷波.辦公建筑中庭熱環(huán)境實(shí)測(cè)與分析[J].制冷與空調(diào)(四川),2012,26(6):550-553

[8]李玉明.中庭建筑負(fù)荷模擬方法的研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué), 2009

[9]Kato S,Murakami S,Shoya S,et al.CFD analysis of flow and temperature fields in atrium with ceiling height of 130 m[J].ASH -RAE Transactions,1995,101:1144-1160

[10]張帆.大型商場(chǎng)中庭氣流組織模擬研究[D].北京:北京建筑工程學(xué)院,2012

[11]王穎.上海中心大廈中庭建筑熱環(huán)境數(shù)值模擬研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2009

[12]孫燕.高大中庭空調(diào)氣流組織的數(shù)值模擬研究[D].濟(jì)南:山東建筑大學(xué),2013

[13]余濤,楊玲,何丹懷,等.中庭對(duì)建筑空調(diào)冷負(fù)荷的影響[J].暖通空調(diào),2013(2):110-113

[14]A Synnefa.Estimating the effect of using cool coatings on energy loads and thermal comfort in residential buildings in various climatic conditions[J].Energy and Buildings,2007,39(11):1167 -1174

[15]建筑通風(fēng)效果測(cè)試與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(JGJ/T 309-2013)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2013

[16]Nevins R G,Ward E D.Analysis,evaluation and comparison of room air distribution performance[J].ASHRAE Transactions,1968, 61:533

CFD Ana lys is of The rm a l Environm e nt of a High-ris e Building w ith Ope n Atrium

LI Zheng-rong1,ZHANG Han-han1,ZHAO Qun2,XU Tian-hao1
1 School of Mechanical and Energy Engineering,Tongji University
2 College of Architecture and Urban Planning,Tongji University

Atrium buildings are typically featured with great vertical temperature gradient,and the thermal environment of open atriums would directly affect its surrounding spaces.In order to study the influences,the thermal environment is analyzed by means of CFD on the basis of a 99.55 m high building with a central,open atrium,which located in Hangzhou.Both the cooling season and heating season were simulated by the Ecotect software and Airpak software. When the air tightness of building envelop is good enough,the result shows that the ceiling top is overheated,the temperature is up to 42℃in summer and 39℃in winter;the influence of thermal environment of the open atrium on surrounding occupied spaces is very small;the open atrium can help to reduce the heating load in winter;recirculating flow occurs in the atrium.

open atrium,cooling condition,heating condition,Airpak,recirculating flow

1003-0344（2014）06-031-6

2013-12-19

李崢嶸（1969～），女，博士，教授；上海市楊浦區(qū)四平路1239號(hào)同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院（200092）；021-65988869；

E-mail:lizhengrong@#edu.cn