中庭形式及天窗面積對空調(diào)能耗的影響分析

高旭聰

本文以夏熱冬暖地區(qū)大型中庭建筑為研究目標(biāo)，建立核心式、整體式、線型式及接觸式四種中庭模型，并在每種中庭形式下建立不同天窗面積比的模型。對不同模型的空調(diào)冷負(fù)荷及年總耗冷量進(jìn)行計算并做縱向與橫向的對比。分析了中庭冷負(fù)荷與中庭太陽輻射得熱的相關(guān)性，通過線性回歸擬合出四種中庭在不同天窗面積比下冷負(fù)荷與太陽輻射的線性方程。結(jié)果表明核心式中庭設(shè)計更節(jié)能，相比其他形式最大節(jié)能28%；中庭天窗面積比對中庭耗冷量影響很大；中庭冷負(fù)荷與中庭太陽輻射得熱間存在高度相關(guān)性，對于不同的中庭，其判定系數(shù)均大于0.8。

中庭的建筑形式廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代各類建筑中，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)多為玻璃結(jié)構(gòu)，在冬季可以利用溫室效應(yīng)降低采暖能耗。但在夏熱冬暖地區(qū)，大量太陽輻射通過中庭玻璃結(jié)構(gòu)進(jìn)入，熱量積聚不利于中庭的空調(diào)節(jié)能。對于夏熱冬暖地區(qū)，合理的中庭設(shè)計對建筑節(jié)能非常重要。衣健光等人對不同氣候區(qū)中庭天窗性能對辦公建筑能耗的影響進(jìn)行了研究，建議天窗面積比控制在10%以內(nèi)，指出天窗玻璃性能的優(yōu)劣特別是遮陽系數(shù)對空調(diào)能耗影響顯著。彭小云對夏熱冬暖地區(qū)中庭玻璃能耗進(jìn)行了分析研究，結(jié)果表明日射能耗占了中庭總制冷能耗的60%以上，100%玻璃天窗時甚至達(dá)到了93.7%，指出夏熱冬暖地區(qū)中庭最有效的節(jié)能措施就是利用遮陽來降低制冷能耗。現(xiàn)行的國家規(guī)范對中庭設(shè)計未能提出具體的要求或規(guī)定，如玻璃天窗面積比的合理范圍、玻璃天窗的熱工性能及選型等，使得建筑設(shè)計人員在設(shè)計中很難把握。夏熱冬暖地區(qū)中庭設(shè)計不當(dāng)還會造成溫室效應(yīng)、空調(diào)能耗高、熱舒適性差等問題。

中庭設(shè)計主要涉及到中庭形式，常見的中庭形式有核心式、整體式、線型式及接觸式。

夏熱冬暖地區(qū)中庭的太陽輻射能耗占有很大比例，與中庭太陽輻射能耗計算相關(guān)的參數(shù)有中庭天窗面積比、中庭外圍護(hù)結(jié)構(gòu)部分的窗墻比、玻璃的熱工參數(shù)、遮陽系數(shù)等，這些參數(shù)綜合作用是反映到中庭單位面積太陽輻射值上。本文以廣州市大型中庭建筑為研究對象，采用能耗模擬軟件VE的建模計算，分析中庭冷負(fù)荷與中庭太陽輻射得熱的相關(guān)性，通過線性回歸擬合出四種中庭在不同天窗面積比下空調(diào)冷負(fù)荷與太陽輻射得熱之間的線性方程。這些方程可用于中庭設(shè)計方案比較，建議相關(guān)規(guī)范中可對不同氣候區(qū)中庭單位面積太陽輻射得熱值進(jìn)行約束，以控制中庭空調(diào)能耗。

一、模型建立

選用模型：單層建筑面積為4800m2，底層中庭面積為1200m2，層高4.5m，共6層，建筑高度27m，總建筑面積28800m2。建立核心式A、整體式B、線型式C及接觸式D四種中庭模型，并在每種中庭形式下建立不同中庭天窗面積比的模型，天窗面積比分別取100%，80%，60%，40%，20%，0%，見圖1。中庭體積不隨天窗面積比而變化，為1200×27=32400m3。圖中陰影部分為天窗開窗面積，虛線包圍部分為中庭空間。圖2為各中庭型式在100%天窗面積時的能耗模擬模型，此時建筑屋面可透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)面積比為33%。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)化中庭平面圖

圖2 各中庭型式在100%天窗面積時的能耗模擬模型

圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)按《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)GB50189-2015》要求確定（表1）。外窗和天窗均采用遮陽系數(shù)為0.3的雙層Low-e玻璃，外墻采用輕質(zhì)混凝土磚墻。室內(nèi)設(shè)計溫度為26℃。照明負(fù)荷按11W/m2計算，人員密度按照標(biāo)準(zhǔn)走廊人員密度50m2/人。

表1 外圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

模型不考慮空調(diào)時間，即根據(jù)室內(nèi)設(shè)計參數(shù)和室外氣象參數(shù)決定空調(diào)的開啟來模擬全年逐時冷負(fù)荷。由于軟件VE的圍護(hù)結(jié)構(gòu)在時間和空間上均采用有限差分法，節(jié)點數(shù)量由傅里葉數(shù)（Fo）確定，室內(nèi)空氣采用集總參數(shù)法，因此不考慮中庭全年溫度場分布。

二、不同天窗面積比下中庭耗冷量分析

經(jīng)過計算可得24個模型的全年逐時動態(tài)負(fù)荷及年總耗冷量。圖3為.A模型在100%天窗面積下的全年逐時動態(tài)負(fù)荷。

圖3 A 模型在100%天窗面積下的全年逐時動態(tài)負(fù)荷

四種中庭在不同天窗面積下的中庭年總耗冷量、中庭耗冷量占建筑總耗冷量的比例、中庭年耗冷量中太陽輻射所占比例，如圖4～6所示。

圖4 中庭年總耗冷量

圖4可見中庭年總耗冷量由低到高分別是：核心式A＜整體式B＜線型式C＜接觸式D。耗冷量最低的A中庭相比耗冷量最高的D中庭，全年可減少26%的冷量。中庭耗冷量約占建筑總耗冷量的比例與中庭天窗面積比相關(guān)（圖5），接觸式D最大約為33%，核心式A最小約為20%，因此中庭是建筑能耗影響很大，不同中庭形式的能耗存在較大差異。中庭年耗冷量中太陽輻射所占比例同樣與中庭天窗面積比直接相關(guān)（圖6），最大約為85%，最小約為20%。天窗面積大的中庭太陽輻射得熱大，全年耗冷量大。

圖5 中庭耗冷量占建筑總耗冷量的比例

圖6 中庭年耗冷量中太陽輻射所占比例

三、不同天窗面積比下建筑耗冷量分析

圖7、圖8為四種不同中庭在不同天窗面積比下的建筑年總耗冷量和單位面積耗冷量，計算結(jié)果表明相同天窗面積下的不同形式中庭的建筑年總耗冷量差別并不大。但隨著天窗面積的減小建筑年總耗冷量呈線性減少的趨勢，建筑單位面積耗冷量從63降到52kWh/（m2·a），下降17.5%，說明天窗面積比對空調(diào)年能耗影響較大。

圖7 建筑年總耗冷量

圖8 建筑單位面積耗冷量

四、中庭單位面積太陽輻射得熱與中庭冷負(fù)荷相關(guān)性分析

將A中庭模型100%開窗面積下的中庭單位面積太陽輻射得熱與中庭冷負(fù)荷在制冷季每月的相關(guān)性做統(tǒng)計分析，三月、七月、十一月特征月情況如圖9所示。并擬合出各個月份的線性回歸方程與判定系數(shù)R2值，見表2。其中斜率為線性模型中的k，截距為b。從結(jié)果可以看出對于A中庭形式，在廣州地區(qū)，中庭冷負(fù)荷與單位面積太陽輻射得熱的相關(guān)性較大。

表2 A中庭在100%天窗面積下冷負(fù)荷與單位面積太陽輻射得熱相關(guān)性線性擬合數(shù)據(jù)

圖9 A中庭在100%天窗面積下冷負(fù)荷與單位面積太陽輻射得熱在三、七、十一月的相關(guān)性

提取24個模型在八月和九月的逐時冷負(fù)荷數(shù)據(jù)和太陽輻射得熱數(shù)據(jù)，分析可得各模型的中庭冷負(fù)荷與單位面積太陽輻射得熱的散點圖，因篇幅限制，本文僅列出A模型在不同天窗面積比下的中庭冷負(fù)荷與單位面積太陽輻射得熱的散點圖（圖10）。其他模型的擬合數(shù)據(jù)見表3。

從圖10可以看出，隨著天窗面積的減小，中庭冷負(fù)荷與單位面積太陽輻射得熱的相關(guān)性也減小。分析表3可以發(fā)現(xiàn)，100%天窗面積下中庭模型的判定系數(shù)由低到高分別是：A＜C＜B＜D。橫向?qū)Ρ瓤梢?，隨著天窗面積的減小判定系數(shù)減小，即相關(guān)性減小。

圖10 A中庭在不同天窗面積下冷負(fù)荷與單位面積太陽輻射得熱的相關(guān)性

表3 不同中庭形式在不同的天窗面積下冷負(fù)荷與單位面積太陽輻射得熱相關(guān)性線性擬合數(shù)據(jù)

五、結(jié)論

1.廣州地區(qū)核心式的中庭設(shè)計更節(jié)能；天窗面積比一定時，其中庭年耗冷量、中庭耗冷量占建筑總耗冷量的比例、中庭年耗冷量中太陽輻射所占比例、建筑總耗冷量、建筑單位面積耗冷量在四種中庭形式中均最小。

2.中庭形式一定時，隨著中庭天窗面積的減小，中庭年耗冷量，建筑年耗冷量，建筑年單位面積耗冷量會線性減小。中庭耗冷量所占建筑耗冷量比例以及太陽輻射得熱占中庭耗冷量的比例會呈二次曲線加速減??；中庭天窗面積比對中庭能耗影響很大。

3.無論何種形式的中庭，中庭單位面積太陽輻射得熱與中庭冷負(fù)荷相關(guān)系數(shù)r均d≥0.8，屬于高度相關(guān)。因此在中庭設(shè)計中應(yīng)控制中庭單位面積太陽輻射得熱值以控制中庭空調(diào)能耗。

4.本文通過回歸得到不同中庭形式、不同天窗面積比下中庭冷負(fù)荷與單位面積太陽輻射得熱間的線性方程，可用于中庭方案設(shè)計比較。