公共建筑中庭節(jié)能措施探究

羅梁生

(廈門市節(jié)能中心 福建廈門 361004)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各種形態(tài)的公共建筑點(diǎn)綴于城市的鋼筋混凝土森林中，成為城市中的耀眼明珠。這些公共建筑大量采用“中庭”這一建筑空間。中庭承擔(dān)著建筑的采光、通風(fēng)、交通組織、安全疏散等復(fù)雜功能。中庭頂部的大量玻璃帶了巨大的冷負(fù)荷，引起建筑的空調(diào)能耗的大大增加。基于此，要求建筑設(shè)計(jì)師及運(yùn)營(yíng)管理者，應(yīng)積極、主動(dòng)采取有效的節(jié)能措施，以通過中庭帶來良好的通風(fēng)效果來降低空調(diào)負(fù)荷。本文立足對(duì)實(shí)地調(diào)查的結(jié)果，對(duì)中庭的節(jié)能措施進(jìn)行探討。

1 即有建筑中庭存在的問題及節(jié)能措施

在《民用建筑設(shè)計(jì)術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50504-2009)中，建筑中貫通多層的室內(nèi)大廳為中庭。在現(xiàn)有建筑設(shè)計(jì)中，多數(shù)中庭負(fù)擔(dān)采光通風(fēng)等功能，頂部均有玻璃屋面。圖1為某商場(chǎng)建筑的中庭示意圖。

筆者通過對(duì)廈門市幾十家公共建筑(酒店、商場(chǎng)、寫字樓、圖書館等)實(shí)地考察及與運(yùn)營(yíng)管理者座談的方式，了解到現(xiàn)有公共建筑的中庭存在以下突出問題：中庭頂層回廊溫度過高，室內(nèi)溫度降不下來；人體受到陽光直射，舒適度差。

針對(duì)以上問題，最好的辦法是外遮陽。因?yàn)閺B門是臺(tái)風(fēng)多發(fā)地區(qū)，活動(dòng)用遮陽運(yùn)用較少。廈門大部分公共建筑采取對(duì)中庭頂部天窗貼膜或更換成Low-E玻璃；使用遮光布簾或電動(dòng)百葉等內(nèi)遮陽措施；在中庭頂部設(shè)排風(fēng)機(jī)；極個(gè)別公共建筑采取塑料黑網(wǎng)進(jìn)行外遮陽；有些建筑采取中庭部分玻璃更換為不透明的材質(zhì)，或貼上不透明圖案來減少陽光直曬；或采取在中庭頂部噴水霧降溫措施等。

圖1 某商場(chǎng)建筑中庭示意圖

2 太陽輻射對(duì)中庭的影響及節(jié)能措施

在夏季，中庭的天窗使建筑承受巨大的太陽輻射得熱，引起空調(diào)能耗的大大增加。在《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中，對(duì)屋頂透明部分的面積比例、太陽得熱系數(shù)及傳熱系數(shù)均提出了控制性指標(biāo)，如不滿足該標(biāo)準(zhǔn)的要求，應(yīng)進(jìn)行權(quán)衡計(jì)算。

圖1為位于福建省龍巖市的一個(gè)地上4層、地下1層的多層商業(yè)建筑，總建筑面積37 541m2，位于夏熱冬暖地區(qū)。根據(jù)該建筑的負(fù)荷計(jì)算書，總冷負(fù)荷為6502kW,冷指標(biāo)約為173W/m2，屋面的總面積為15 178m2(含天窗)， 屋頂玻璃天窗面積1249m2，天窗輻射冷負(fù)荷407kW,傳熱冷負(fù)荷為23kW，屋面不透明部分總負(fù)荷為217kW，屋面總冷負(fù)荷為647kW。天窗僅占屋頂面積8.23%，但天窗的輻射冷負(fù)荷占整個(gè)屋頂冷負(fù)荷的64%。減少天窗輻射負(fù)荷的最好辦法，是減少屋面的透明面積或采取外遮陽措施。沈陽建筑大學(xué)圖書館采用拆除部分原有玻璃，替換為壓型鋼板，在鋼板下設(shè)置保溫層的辦法來減少屋頂透明面積[1]。

多數(shù)公共建筑在中庭布置內(nèi)遮光布簾，這樣大部分太陽輻射熱負(fù)荷雖然進(jìn)入了室內(nèi)，但內(nèi)遮光布簾避免了人體受到陽光直射，同時(shí)把大部分太陽得熱留在中庭頂部。一方面起到了分層空調(diào)的效果，另一方面中庭頂部的高溫空氣可以直接排出室外，使部分熱量不進(jìn)入室內(nèi)空調(diào)區(qū)域，降低空調(diào)能耗。

為了便于設(shè)置外遮陽和內(nèi)遮陽，中庭透明部分跨度不應(yīng)太大，方便清洗和維護(hù)。筆者見到有個(gè)別中庭跨度大的商場(chǎng)，內(nèi)遮光布簾已經(jīng)布滿厚厚的灰塵。

3 自然通風(fēng)的節(jié)能措施

有中庭的建筑，可以通過合理的建筑布局加上良好開口設(shè)計(jì)，產(chǎn)生舒適的室內(nèi)通風(fēng)效果[2]。當(dāng)室外空氣參數(shù)優(yōu)于室內(nèi)參數(shù)時(shí)，良好的自然通風(fēng)能大大降低空調(diào)能耗。自然通風(fēng)效果的動(dòng)力來源主要是風(fēng)壓和熱壓。

3.1 熱壓

建筑物利用熱壓來自然通風(fēng)，利用了熱空氣上升的原理，即所謂的“煙囪效應(yīng)”。由于建筑物的內(nèi)熱源和外圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱，使建筑內(nèi)的空氣溫度升高，密度變小，熱空氣上升，空氣便從建筑物頂部的開口排出，從建筑物底部的開口進(jìn)風(fēng)。

根據(jù)式(1)[3]，自然通風(fēng)口熱壓引起的通風(fēng)換氣量與開口面積及室內(nèi)外壓差有關(guān)。建筑物底部和頂部的開口高差越大，室內(nèi)外的壓差越大。劉軒在《中庭對(duì)高層辦公建筑室內(nèi)自然通風(fēng)影響的模擬分析》[4]中，通過模擬分析，提出通過抬升采光頂出屋面的高度(高出3m)，在頂部側(cè)面四周留有通風(fēng)開口(高1m)等措施，大大增加了中庭的自然通風(fēng)量。

(1)

假定建筑的得熱量、開口的高差恒定，通風(fēng)量變化不大時(shí)，這時(shí)可以室內(nèi)外的壓差變化很小，那么開口的面積越大，通風(fēng)量越大。公共建筑的中庭近似于趙平歌在《太陽能煙囪增加熱壓自然通風(fēng)的計(jì)算研究》[5]的太陽能煙囪的模型。該文通過公式分析和軟件模擬，得出開口越大，通風(fēng)量越大的結(jié)論。

3.2 風(fēng)壓

室外氣流吹過建筑物時(shí)，迎風(fēng)面為正壓區(qū)，頂部和背風(fēng)面為負(fù)壓區(qū)。影響風(fēng)壓的主要是室外風(fēng)的風(fēng)速和風(fēng)向。在大型公共建筑的開口設(shè)計(jì)時(shí)，自然進(jìn)風(fēng)口應(yīng)盡量設(shè)在主導(dǎo)風(fēng)向的迎風(fēng)面，排風(fēng)口盡量設(shè)于建筑物的頂部或背風(fēng)面，以利用風(fēng)壓達(dá)到良好的通風(fēng)效果[6]。

3.3 增加自然通風(fēng)的措施

為了達(dá)到良好的自然通風(fēng)效果，除了利用熱壓和風(fēng)壓，還要優(yōu)化中庭及開口的布置。通風(fēng)口盡量靠近中庭，減少通風(fēng)阻力。采取多個(gè)小中庭代替大中庭的方式，使自然通風(fēng)效果比較均勻。廈門“寶龍一城”商場(chǎng)便采用多中庭，中庭附近設(shè)次要出入口來作為通風(fēng)口，且布置在主導(dǎo)風(fēng)向的迎風(fēng)面，與景觀相配合，布置了水池等形成微氣候，現(xiàn)在過渡季節(jié)通風(fēng)效果非常好。

綜上所述，要增強(qiáng)建筑物利用中庭自然通風(fēng)的效果，可以通過增加中庭開口面積，增大開口間的高差；進(jìn)風(fēng)口設(shè)在主導(dǎo)風(fēng)向的迎風(fēng)面，盡量靠近中庭，排風(fēng)口設(shè)在建筑物的負(fù)壓區(qū)；采用多個(gè)小中庭的布置方式等。

4 機(jī)械通風(fēng)的節(jié)能措施

4.1 中庭通風(fēng)控制

在冬天需要采暖時(shí)，除了滿足人體衛(wèi)生要求的新風(fēng)，或者中庭頂部出現(xiàn)溫度過高要開啟中庭頂部的通風(fēng)口，其它時(shí)候均應(yīng)保持關(guān)閉。在非采暖季，當(dāng)室外熱環(huán)境參數(shù)(焓值或溫度)優(yōu)于室內(nèi)時(shí)，應(yīng)盡量加大通風(fēng)量，當(dāng)自然通風(fēng)不滿足要求時(shí)，應(yīng)設(shè)置機(jī)械排風(fēng)。

當(dāng)陽光直射中庭頂部，中庭頂部的溫度遠(yuǎn)高于建筑內(nèi)其它地方的時(shí)候，只要室外溫度低于此處溫度，便應(yīng)該開啟通風(fēng)口。例如，在空調(diào)季節(jié)，室外溫度為33℃，空調(diào)室內(nèi)溫度為26℃時(shí)，中庭頂部溫度可能高達(dá)40℃～50℃。排走中庭40℃～50℃熱空氣，從首層或其它通風(fēng)口補(bǔ)充33℃的新風(fēng)，均有利于節(jié)能。

4.2 建筑的風(fēng)量平衡

空調(diào)季節(jié)，應(yīng)注意整棟大樓的風(fēng)量平衡問題。一方面，公共建筑一般都設(shè)有新風(fēng)系統(tǒng)，使建筑處于微正壓狀態(tài)。此時(shí)，從中庭頂部開口自然排風(fēng)或機(jī)械排風(fēng)，底層自然進(jìn)風(fēng)，避免從底層出入口排風(fēng)。另一方面，現(xiàn)在大型商業(yè)建筑存在大量餐飲業(yè)態(tài)。這些餐飲的廚房灶臺(tái)的排風(fēng)量巨大，廚房?jī)?nèi)部的補(bǔ)風(fēng)設(shè)施開啟率不高，導(dǎo)致整棟建筑均處于較大負(fù)壓狀態(tài)，無組織進(jìn)風(fēng)，而中庭頂部可能也處于進(jìn)風(fēng)狀態(tài)。當(dāng)中庭頂部溫度遠(yuǎn)高于室外溫度時(shí)，從中庭頂部進(jìn)風(fēng)導(dǎo)致這部分高溫空氣進(jìn)入空調(diào)區(qū)域，增加能耗。此時(shí)，應(yīng)加大整棟建筑的新風(fēng)量，增加底層出入口的通風(fēng)面積，或在餐飲集中區(qū)設(shè)置公共補(bǔ)風(fēng)設(shè)施，使中庭的開口仍處于排風(fēng)狀態(tài)。

中庭頂部的可開啟外窗，不但可以作為自然排風(fēng)口，也可以作為自然進(jìn)風(fēng)口。當(dāng)中庭高空取風(fēng)溫度低于底層出入口或新風(fēng)口的溫度時(shí)，可利用中庭的外窗自然進(jìn)風(fēng)，其它通風(fēng)口機(jī)械排風(fēng)，利用冷空氣自然沉降加大通風(fēng)量。文獻(xiàn)[4]抬高中庭的采光頂出屋面的高度，不僅增加了排風(fēng)時(shí)的熱壓，加大排風(fēng)量，在自然進(jìn)風(fēng)時(shí)也降低了新風(fēng)的溫度。

4.3 中庭頂部開口形式及節(jié)能措施

中庭的頂部通風(fēng)開口，有采用常開風(fēng)口，可開啟外窗及機(jī)械通風(fēng)口3種形式。

常開風(fēng)口使空調(diào)區(qū)域和室外直接聯(lián)通，不利于節(jié)能，僅部分較老的公共建筑使用常開風(fēng)口。為了適合不斷變化的室內(nèi)外空氣參數(shù)，推薦中庭使用機(jī)械排風(fēng)加可開啟外窗，可以適應(yīng)全年各種通風(fēng)空調(diào)工況。

傳統(tǒng)的樓宇自控的溫度監(jiān)測(cè)，只監(jiān)測(cè)空調(diào)機(jī)組的新風(fēng)口、回風(fēng)口及室內(nèi)溫度。建議增加監(jiān)測(cè)各自然進(jìn)風(fēng)口(含底層出入口、中庭的天窗等)的室外溫度和中庭頂部的室內(nèi)溫度，以便于運(yùn)營(yíng)管理者根據(jù)氣溫的變化選擇性地開啟各通風(fēng)口，有利于節(jié)能。

在冬季采暖時(shí)，可關(guān)閉所有通風(fēng)口，僅保留滿足人體衛(wèi)生需求的新風(fēng)；在冬季或過渡季節(jié)有制冷需求時(shí)，利用室外冷風(fēng)來降溫；在制冷季節(jié)中庭溫度過高時(shí)，開啟中庭的機(jī)械排風(fēng)或自然排風(fēng)；在整個(gè)建筑物處于較大正壓或負(fù)壓狀態(tài)時(shí)，加大室外空氣參數(shù)較優(yōu)的通風(fēng)口的通風(fēng)量。

5 結(jié)論

為了更好利用中庭這一上下貫通的空間來降低能耗，增加人體在建筑中的舒適性，在公共建筑的設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)管理時(shí)應(yīng)注意以下4點(diǎn)：

(1)應(yīng)盡量采用多個(gè)小中庭代替大中庭的設(shè)計(jì)；做好中庭采光頂?shù)恼陉柎胧?，適當(dāng)減少透明玻璃面積，通過各種措施減少陽光直射到人員經(jīng)過和停留的場(chǎng)所。

(2)適當(dāng)加大建筑物底層出入口的可開啟面積，且出入口宜布置于主導(dǎo)風(fēng)向的迎風(fēng)面；適當(dāng)加大中庭頂部可開啟外窗面積，抬高中庭采光頂高出屋面的距離。

(3)中庭頂部宜設(shè)機(jī)械排風(fēng)與可開啟外窗相結(jié)合的通風(fēng)方式，以靈活適應(yīng)全年各種通風(fēng)空調(diào)工況。

(4)建議對(duì)各自然和機(jī)械進(jìn)風(fēng)口的室外溫度及中庭頂部的室內(nèi)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，作為建筑物各通風(fēng)口、風(fēng)機(jī)開閉的依據(jù)。