中庭建筑的節(jié)能設(shè)計研究

本文介紹了中庭建筑的耗能情況，通過模擬軟件分析中庭建筑中不同高度、不同的剖面形式對于建筑自然通風(fēng)，自然采光的影響，并總結(jié)出一些中庭建筑節(jié)能設(shè)計的應(yīng)對策略。

引言

建筑中庭這一概念起源于天井，在天井上加蓋屋頂，形成有頂蓋的室內(nèi)空間，就是中庭的雛形。這種共享空間為人的交往行為提供了合適的場所，更可以將綠色植物引入室內(nèi)，形成園林景致；同時由于屋蓋的透明材質(zhì)，解決了大體量建筑的室內(nèi)自然采光的問題。因此，中庭建筑這種形式被廣泛應(yīng)用于各種公共建筑中。成為公共建筑內(nèi)部空間中最生動的因子。

但正是由于大面積透光材質(zhì)的使用，導(dǎo)致夏季時室內(nèi)溫度過高，冬季時室內(nèi)熱量大量散失，必須依靠機械設(shè)備保證室內(nèi)的熱舒適度，造成能耗的增加，這個問題在夏熱冬冷地區(qū)更為突出。這與中庭建筑的初衷相違背。

影響中庭建筑能耗的因素主要是采光和通風(fēng)，本文從這兩個層面出發(fā)，通過軟件Airpark、Ecotect對中庭建筑內(nèi)部的通風(fēng)情況和自然采光環(huán)境進行分析，對模擬結(jié)果總結(jié)出一些中庭建筑節(jié)能的應(yīng)對方法，希望對中庭建筑的節(jié)能設(shè)計有一定的參考價值。

中庭建筑的風(fēng)環(huán)境分析

中庭建筑有兩個明顯的通風(fēng)特征：風(fēng)壓通風(fēng)和熱壓通風(fēng)。對于高大的中庭建筑，受到垂直方向溫度不同、高度不同的影響，更有利于實現(xiàn)熱壓通風(fēng)，且更能適應(yīng)外部復(fù)雜的風(fēng)環(huán)境。從而實現(xiàn)自然通風(fēng)，帶走潮濕、污濁的空氣，提供清新、自然的新鮮空氣，降低室內(nèi)溫度；更重要的是可以降低機械設(shè)備的耗能。

根據(jù)中庭在建筑中的位置可以分為核心式，線性式，接觸式，包圍式。其中，核心式在實際設(shè)計中廣泛運用。為了實驗研究需要，本文假設(shè)對象為核心式中庭建筑，虛擬了單獨熱壓作用下穩(wěn)定的通風(fēng)條件，得出不同高度對于中庭建筑自然通風(fēng)的影響。

假設(shè)模型具體的結(jié)構(gòu)形式及尺寸為：房間進深8m，走廊寬度2m，層高均為4m，窗洞尺寸為1.8m×1.8米的方窗，中庭面積為10×10m，中庭窗為10×1.8米長方形窗。模擬溫度設(shè)定為室外30℃，室內(nèi)室溫，中庭頂部由于受到太陽輻射溫度設(shè)定為60℃。假設(shè)中庭高度分為為為20米、30m，對其結(jié)果進行通風(fēng)比較?？紤]到室外風(fēng)環(huán)境的復(fù)雜性，此模擬為單獨熱壓作用下的通風(fēng)情況。

由圖A中模擬結(jié)果顯示，當建筑高度是20米時，受到室外環(huán)境的影響較大，垂直方向溫度變化小于10℃，氣流紊亂，熱壓通風(fēng)效果不明顯。

圖1 氣流分布情況

由圖B中模擬結(jié)果顯示，隨著建筑物高度的增加，中庭空間垂直方向溫度梯度變化較大，上下溫度差在15℃左右，中庭內(nèi)部受熱輻射范圍較大。從氣流分布圖來看，室外氣流從下部入口處進入，被加熱的空氣空頂部流出，風(fēng)速在0.3米/秒，能夠形成良好的空氣循環(huán)。

中庭建筑的光環(huán)境分析

中庭采光是將自然光線直射或漫反射到中庭空間。中庭的剖面形式，玻璃頂?shù)耐该鞒潭纫约拔蓓數(shù)男问綄τ谑覂?nèi)的光環(huán)境影響很大。其中，中庭的剖面形式和高寬比對于采光設(shè)計顯得尤為關(guān)鍵。本小節(jié)僅針對對中庭的高寬比進行模擬分析研究，通過ECOTECT軟件模擬三種中庭的高寬比，并對結(jié)果進行比較分析。

假設(shè)中庭模型計算條件：

模型假設(shè)為四相中庭，即中庭位于建筑中部四周為房間，靠中庭頂部的天窗實現(xiàn)自然采光。假設(shè)中庭是邊長為10m×10m 的正方形，中庭高度分別為10m、20、40m。分析結(jié)果如圖所示：

由圖2實驗結(jié)果可以看出，矮而寬的中庭比高而窄的中庭有更大的天空視角，當高寬比為1：1時，室內(nèi)照度照度強烈，且分布均勻，最底層的采光系數(shù)在20%左右，與中庭相鄰的空間采光系數(shù)在10%左右；高寬比在2：1時，中庭底層和相鄰空間的采光系數(shù)在5%左右；當高寬比在4：1時，四層以下的房間采光系數(shù)低于3%，底層空間的照度明顯不夠，而且整個中庭空間顯得狹窄、高聳。通常中庭的剖面高寬比大多在1—2之間，能夠讓室內(nèi)產(chǎn)生良好的自然光環(huán)境。

圖2 中庭不同高寬比模擬分析情況

中庭的剖面形式對于建筑節(jié)能的影響

常見的剖面形式主要有上下垂直型（矩形），上小下大（A字型），上大下小（V字型）。

矩形中庭

矩形中庭在各個地區(qū)軍備廣泛采用，其節(jié)能設(shè)計的重點在于選擇適宜的高寬比。以期獲得良好的自然光照和舒適的自然通風(fēng)條件。（參考第三節(jié)）

V字型

如果中庭的剖面為上大小小的V字型，就能夠獲得更多的自然光線，但由于其斷面逐漸上擴，削弱了煙囪效應(yīng)，不利于通風(fēng)；同時底層房間進深增大，不利于采光

A字型

當中庭的剖面形狀假設(shè)為上小下大的A字型時，氣流分布情況如圖所示：

A字型剖面的中庭頂部面積較小，有利于減少陽光的進入，從而減

圖3 A字型剖面氣流分布

少得熱；上層為下層提供遮陽，也降低了下底層的溫度。同時，中庭的剖面逐層漸索，有助于煙囪效應(yīng)，加強通風(fēng)。從實驗中也可以看到，中庭內(nèi)部受熱輻射范圍較小，溫度垂直分布比較均勻，只在頂端部位產(chǎn)生溫度梯度變化，溫度差在8℃左右，能夠有效控制室內(nèi)溫度。通過氣流分布情況

可以看出，室內(nèi)氣流速度加快，可形成類似文丘里管的漸縮斷面，隨著截面面積的減小，斷面內(nèi)由下向上的氣流速度加快。這對于炎熱的夏季降低室內(nèi)溫度是很有利的。

總結(jié)

對于中庭建筑空間，加強通風(fēng)的措施有提高排風(fēng)窗口的高度；提高中庭的高度；擴大排風(fēng)窗面積；改變中庭的剖面形狀，例如采用上下下大的A字型剖面使得通風(fēng)的效果更突出。

（作者單位：河南農(nóng)業(yè)大學(xué)）