基于節(jié)能技術(shù)的建筑中庭熱環(huán)境設計研究

(1.沈陽建筑大學 遼寧 沈陽 110168；2.遼寧省環(huán)境監(jiān)測實驗中心 遼寧 沈陽 110161)

據(jù)國際能源署2007年世界能源預測：到2030年，全球能源需求將增加55%以上，石油、煤炭、天然氣則占能源需求的82%。因此，“節(jié)能減排”已成為當今世界性的主課題。[1]現(xiàn)代建筑隨著建造技術(shù)的進步也在發(fā)生著日新月異的變化。建筑師除了考慮功能完善，形式美觀，經(jīng)濟適用外，也越來越重視建筑節(jié)能和可持續(xù)性發(fā)展。中庭作為現(xiàn)代建筑的代表空間起到了一定的節(jié)能作用。

一、節(jié)能建筑

近年來我國一直致力于全面推廣節(jié)能建筑。相比較普通建筑，節(jié)能建筑節(jié)能減排可達90%以上，節(jié)能建筑設計能夠達到即節(jié)省能源又創(chuàng)造舒適環(huán)境的雙重目的。[2]為了實現(xiàn)節(jié)能建筑的目標，全世界越來越重視可再生能源的開發(fā)，以及最大限度的利用自然采光和自然通風來減少能耗。本文從節(jié)能減排和綠色健康的角度出發(fā)，分析中庭設計案例以及對已建成中庭溫度、濕度測量來探討建筑節(jié)能技術(shù)如何改善中庭熱環(huán)境。

自然通風是最常見的通風換氣方式，幫助調(diào)節(jié)室內(nèi)熱環(huán)境、提高空氣品質(zhì)、降低空調(diào)能耗，比機械通風更宜人環(huán)保。中庭具有煙囪效應它能提升室內(nèi)自然通風效率，現(xiàn)代建筑中中庭受到設計者和使用者的喜愛，它不但可以增加室內(nèi)自然采光，創(chuàng)造明朗大氣空間體驗，同時，中庭易儲存太陽輻射熱，使空氣升溫形成熱壓，空氣從天窗排出，從而形成煙囪效應，其強度受建筑高度、出風口面積和室內(nèi)外溫差影響。

二、中庭設計

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人們對室內(nèi)環(huán)境舒適性的需求提高，在公共建筑中引入庭院空間的設計手法在我國迅速普及。其中建筑內(nèi)部的中庭和邊庭等空間已運用多年，其具有豐富的空間感，使用功能多樣性，突顯心曠神怡的精神感受，一直受到設計者和使用者的認可。各地為了適應不同的氣候環(huán)境創(chuàng)造出了相應的中庭形式，其對于建筑的整體節(jié)能、氣候控制和環(huán)境凈化等方面能起到積極的作用。生態(tài)中庭的確能在節(jié)能方面帶來很大收益。英國建筑研究院(BRE)在2000年曾對英國的各類辦公建筑進行了調(diào)研，結(jié)果顯示，帶有中庭的可自然通風的辦公建筑，每平米建筑除采暖外能耗約為30k Wh/(m2·a)，而典型的全封閉中央空調(diào)辦公建筑則超過300k Wh/(m2·a)，有十倍之差。[3]

但在這個過程中也暴露出了一些問題，諸如中庭在建筑中的功能定位并不明確，尺度沒有相關的規(guī)范，有時面臨空間布局不當，節(jié)能效果不佳等問題。中庭節(jié)能技術(shù)就是通過選擇合理的材料和形體，利用一些機械手段使自然采光、溫室效應和煙囪效應來達到優(yōu)化建筑室內(nèi)環(huán)境的目的。

三、建筑節(jié)能技術(shù)與中庭熱環(huán)境

(一)中庭節(jié)能設計案例分析

本設計為建筑設計作業(yè)，地點位于北京，是一座建筑系教學樓。中庭作為本設計的一大亮點，集休閑、交通、集散為一體，力圖打造豐富的空間體驗感，中庭是學生們課余時間活動的重要場所，所以要考慮使用人群的熱舒適性和心理感受，需要做到冬暖夏涼，通風良好，空間開敞明亮。為了做到相對舒適的中庭熱環(huán)境，屋頂設計了可調(diào)節(jié)百葉。冬季時充分利用太陽光，此時中庭能收集大量太陽輻射熱提升室內(nèi)溫度。使室內(nèi)溫暖如春。夏季時，根據(jù)光照調(diào)節(jié)百葉角度，防止多余熱量射入中庭。僅僅這些還不完善，還需要做到室內(nèi)自然通風，保證室內(nèi)空氣品質(zhì)，提供足夠的氧氣給師生。所以在中庭頂部最上層開了小出風口，這出風口與一層入口的進風口相結(jié)合形成了煙囪效應(詳見圖1)。

圖1 節(jié)能措施剖面示意圖

圖2 煙囪效應剖面示意圖

為了讓煙囪效應的效果更為突出，還配備一些輔助手段。1.充分利用中庭上升式屋頂，因為這種逐層上升的空間可以增強煙囪效應的通風效果。2.在建筑進風方向種植若干植被綠化，空氣經(jīng)過植物后，能降低溫度及濕度，改善空氣質(zhì)量。3.在進風方向還有一座噴泉，噴泉水可冷卻進入室內(nèi)的熱空氣，降低空氣的溫度。4.中庭內(nèi)部種植綠化，二次凈化空氣，另外，植物進行光合作用，呼吸空氣，可帶動空氣流通。5.出風口處采用玻璃材料，直面太陽光的輻射，出風口溫度較高，與室內(nèi)形成更大的熱壓(詳見圖2)。

設計中還涉及到了其他綠色節(jié)能措施。還有雨水收集系統(tǒng)，雨水通過屋頂?shù)氖占芎蛷V場上的吸水磚匯集到地下，經(jīng)過過濾沉淀后，既可以在平日里用來灌溉綠植，又可以為廣場上的噴泉提供水源。另外，利用斜墻和屋頂設置了太陽能光伏板，其主要作用就是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，為建筑系館提供部分電力供應。最后就是屋頂綠化，因為北京近幾年霧霾沙塵嚴重，綠化可以有效改善建筑周邊空氣品質(zhì)，也能做到屋頂隔熱(詳見圖1)。

(二)中庭熱環(huán)境實測分析

將理論與實際相結(jié)合，在2018年1月對沈陽市某多層辦公樓的中庭進行了熱環(huán)境測量工作。實測目的是得到中庭在工作時間內(nèi)溫度與濕度變化情況。此中庭水平面長21米，寬23米，面積約452平方米。取工作面橫向5排縱向6列作為中庭橫縱向典型剖面，橫縱剖面相交處為測量點。

圖3 2018年1月某工作日中庭溫度與濕度對比圖

經(jīng)過數(shù)據(jù)整理，本表是根據(jù)中庭(大廳)及電梯廳的一層測量點求出平均溫度(詳見圖3)。如圖所示，中庭全天溫度較為穩(wěn)定，略受室外溫度變化影響。最高溫度為11.68℃，在12：30左右出現(xiàn)。最低溫度出現(xiàn)在17:00，為10.13℃。溫差為1.55℃。室外平均溫度為-7.06℃，室內(nèi)空調(diào)供暖為25℃，中庭平均室內(nèi)溫度為11.16℃。東西兩側(cè)電梯廳的溫度略高于中庭自身溫度，西側(cè)的電梯廳溫度最高，下午受西曬的影響。綜上所述，中庭在18℃以下，不符合標準，使在中庭里工作的接待和保安人員仍需要依靠其他供暖設備才能辦公，中庭不節(jié)能。原因在于中庭采用大面積玻璃幕墻和ETFE膜屋頂，這種頂部與南北側(cè)采光的形式能較好的滿足中庭自然采光的使用需求，但同時致使這種形式在嚴寒地區(qū)會導致保暖不足，冷風滲透，熱損失嚴重，消耗供熱資源。

利用相同方法求出工作時間段中庭平均濕度，可以得出濕度與溫度成正比關系(詳見圖3)。中庭濕度幾乎成一條直線，變化不明顯，與室外濕度曲線相似。由于冬季干燥且是空調(diào)供暖，所以建筑內(nèi)部濕度低于國家要求標準。最高濕度為19.21%RH，在9：00左右出現(xiàn)。最低濕度出現(xiàn)在14:00，為17.33%RH，相差1.88%RH。中庭平均室內(nèi)濕度為18.13%RH。與東西兩側(cè)電梯廳相比較，東西兩側(cè)變化較為活躍，受下午西曬的影響，溫度和濕度都偏高。

四、對建筑節(jié)能技術(shù)發(fā)展的思考

通過以上分析可以得出中庭熱環(huán)境在節(jié)能建筑的前進道路上還需要進一步完善?？梢栽谧鲈O計時考慮以下幾種輔助手段：1.在建筑進風口周邊設計人工水景，既美化景觀環(huán)境，又起到了降低進入建筑的室外空氣溫度的作用。2.種植茂密的植被，以調(diào)節(jié)建筑周邊微氣候，提高空氣品質(zhì)。3.中庭南立面玻璃上做遮陽板和百葉，防止陽光直接射入室內(nèi)，確保室內(nèi)空氣溫度。對于嚴寒地區(qū)，大面積的玻璃幕墻不適用于冬季寒冷的環(huán)境，所以應該在立面設計時控制窗墻比，在自然采光滿足的請況下在北向立面設置可調(diào)節(jié)百葉，達到冬暖夏涼的目的。4.以中庭作為煙囪效應載體時可以在底層設計水景或者綠化，降低空氣溫度，促進空氣對流。5.出風口用玻璃天窗，有助于加熱出風口附近空氣，加大熱壓差，強化煙囪效應。在冬季，可關閉出風口，玻璃材質(zhì)的煙囪成了一個陽光房，可以為室內(nèi)蓄積熱量，減少空氣熱損耗。6.對于進深較大的建筑，利用煙囪頂部開口，并且在其內(nèi)壁采用可反射材料，不僅可以解決室內(nèi)的新風問題，也可以利用它的反射為室內(nèi)帶來陽光。

五、收獲和總結(jié)

盡管現(xiàn)代技術(shù)為建筑師提供了多方面的便利，開拓了建筑空間多重可能性。但也能僅僅依靠技術(shù)來解決建筑環(huán)境問題，部分技術(shù)對能源的消耗使建筑節(jié)能越來越受重視。通過這幾年對中庭設計的學習和應用，我深刻的認識到運用建筑節(jié)能技術(shù)不僅是改善建筑熱環(huán)境問題的一種手段,同時可以提高建筑內(nèi)部環(huán)境質(zhì)量,并具有節(jié)能環(huán)保和綠色健康的效果。在未來，我們要更加努力的去尋求建筑節(jié)能的途徑讓節(jié)能建筑長遠的發(fā)展下去。