不同氣候區(qū)中庭布局和朝向?qū)k公建筑負(fù)荷和能耗的影響

喬正珺（上海市建筑科學(xué)研究院有限公司， 上海 200032）

中庭設(shè)計(jì)由于能夠顯著改善建筑室內(nèi)自然采光，同時(shí)帶來良好的視野，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代辦公建筑和商業(yè)建筑。根據(jù)建筑的外觀形態(tài)、設(shè)計(jì)需求和氣候特征，建筑采用的常見中庭平面形式包括核心式、嵌入式、通廊式、外廊式等。不合理的中庭設(shè)計(jì)會(huì)顯著影響建筑全年的制冷制熱能耗，且會(huì)影響建筑內(nèi)的自然采光設(shè)計(jì)。因此，根據(jù)建筑所在氣候區(qū)的不同，因地制宜的設(shè)計(jì)建筑中庭，對(duì)于降低建筑制冷制熱能耗、改善建筑室內(nèi)光環(huán)境，有著重要的意義。

針對(duì)不同光氣候區(qū)氣候特征的中庭設(shè)計(jì)策略已經(jīng)有了廣泛的研究和關(guān)注。劉宏成等[1]對(duì)夏熱冬冷地區(qū)的生涯中庭生態(tài)設(shè)計(jì)策略進(jìn)行了探討。彭小云等[2]也對(duì)夏熱冬冷地區(qū)中庭玻璃選型對(duì)于建筑能耗影響進(jìn)行了研究和分析。侯寰宇等[3]對(duì)寒冷地區(qū)中庭空間的低能耗設(shè)計(jì)策略進(jìn)行了探索。楊修等[4]對(duì)夏熱冬暖地區(qū)的中庭節(jié)能設(shè)計(jì)策略進(jìn)行了研究。蘇梅龍等[5]研究了南京地區(qū)不同中庭平面布局尺寸比例以及幕墻朝向?qū)k公建筑自然采光系數(shù)、全年自然采光滿足率、天然采光照明節(jié)能率、室內(nèi)照度全年滿足率的影響。呂帥等[6]研究了深圳地區(qū)圓形中庭和方形中庭的中庭面積、貫穿層數(shù)、平面比例等形體參數(shù)對(duì)其天然采光性能的影響。

目前對(duì)中庭設(shè)計(jì)對(duì)建筑全年能耗和采光的影響主要集中于各個(gè)氣候區(qū)和不同城市的研究，對(duì)于不同氣候區(qū)的綜合對(duì)比研究相對(duì)較少。本文主要選取典型辦公建筑，采用參數(shù)化建模和分析方法分析不同氣候區(qū)典型城市，不同中庭平面布局和朝向?qū)τ诮ㄖ錈嶝?fù)荷、建筑能耗以及全年動(dòng)態(tài)采光的影響，研究不同氣候區(qū)適應(yīng)的中庭布局設(shè)計(jì)策略。

1 模型研究

1.1 計(jì)算模型

本文選取典型的 40 m×40 m 的公共建筑為研究對(duì)象，建筑地上 8 F，總高度 32 m。采用 Rhino Grasshopper 參數(shù)化建模軟件建立不同中庭布局的典型辦公建筑分析模型。本文使用 Grasshopper 建立不同中庭形式的建筑模型后，通過 Grasshopper 平臺(tái)的建筑性能分析插件 Honeybee 設(shè)置建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)和內(nèi)擾參數(shù)，并計(jì)算建筑的全年冷熱負(fù)荷。同時(shí)，利用 Honeybee 設(shè)置建筑內(nèi)表面反射比和玻璃透光率，并計(jì)算建筑一層的全年動(dòng)態(tài)采光結(jié)果。最后，利用 Grasshopper 平臺(tái)的數(shù)據(jù)輸出插件 Colibri 實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入?yún)?shù)的批量調(diào)整以及全年冷熱負(fù)荷和建筑能耗的批量輸出。Honeybee 插件的能耗和采光計(jì)算是基于 OpenStudio 和Daysim 開發(fā)的能耗負(fù)荷計(jì)算和采光計(jì)算功能。

1.2 參數(shù)設(shè)置

選取嚴(yán)寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)的 4 個(gè)典型城市。即哈爾濱、北京、上海、廣州，各個(gè)城市氣象參數(shù)選取 CSWD 氣象數(shù)據(jù)文件。模型室內(nèi)內(nèi)擾參數(shù)、空調(diào)供暖供冷溫度、運(yùn)行時(shí)間表，選取 GB 50189—2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》附錄對(duì)于辦公建筑的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。不同氣候分區(qū)典型城市圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)置如表 1 所示。采光參數(shù)設(shè)置，包括模型外墻、屋面和地板的內(nèi)表面反射比，以及外窗和內(nèi)窗的透光率設(shè)置如表 2 所示。

表 1 不同氣候分區(qū)典型城市圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)置

表 2 不同氣候分區(qū)反射比和透光率設(shè)置

1.3 分析工況

為了研究不同中庭平面布局對(duì)于不同氣候區(qū)建筑全年制冷制熱負(fù)荷的影響，本文主要分析 8 種不同工況 14 m×14 m 的嵌入式中庭，中庭側(cè)面為玻璃幕墻，頂部不設(shè)置天窗。分析工況主要研究不同中庭朝向?qū)τ诮ㄖ曦?fù)荷的影響，主要包括西南側(cè)、南側(cè)、東南側(cè)、東側(cè)、東北側(cè)、北側(cè)、西北側(cè)、西側(cè) 8 種嵌入式中庭平面布局工況。分析模型工況如圖 1 所示。

圖 1 不同中庭平面布局分析模型工況

2 結(jié)果與討論

2.1 負(fù)荷和能耗

本文主要研究不同氣候區(qū)中庭平面布局對(duì)于建筑全年負(fù)荷以及全年能耗的影響。在計(jì)算建筑全年冷熱能耗時(shí)，為了減小不同氣候區(qū)的差異，不同氣候區(qū)制冷系統(tǒng) COP 統(tǒng)一設(shè)置為 4.2，制熱系統(tǒng)效率統(tǒng)一設(shè)置為 0.82。計(jì)算不同氣候區(qū)不同中庭平面布局工況下，建筑的全年累計(jì)冷熱負(fù)荷和建筑全年冷熱能耗。嚴(yán)寒地區(qū)哈爾濱不同中庭布局建筑全年累計(jì)制冷和制熱負(fù)荷如圖 2 所示。

圖 2 嚴(yán)寒地區(qū)哈爾濱不同中庭布局建筑全年累計(jì)制冷和制熱負(fù)荷

對(duì)于嚴(yán)寒地區(qū)的典型城市哈爾濱而言，根據(jù)建筑全年累計(jì)冷熱負(fù)荷結(jié)果，影響嚴(yán)寒地區(qū)建筑全年負(fù)荷的主要是建筑的熱負(fù)荷，建筑全年冷負(fù)荷遠(yuǎn)小于建筑全年熱負(fù)荷。分析和對(duì)比全年制冷負(fù)荷計(jì)算結(jié)果可知，北向嵌入式中庭全年冷負(fù)荷最小，西南向嵌入式中庭全年冷負(fù)荷最大；南向嵌入式中庭全年熱負(fù)荷最小，西北向嵌入式中庭全年熱負(fù)荷最大。

分析全年冷熱能耗可知，南向嵌入式中庭的全年能耗最小，其次為東向和西向嵌入式中庭。相對(duì)于南向嵌入式中庭，東向和北向嵌入式中庭全年能耗分別增加 0.54% 和1.39%。不同朝向的嵌入式中庭布局，對(duì)于全年能耗的影響，相對(duì)于南向增加 0.54%～5.42%。在嚴(yán)寒地區(qū)東北朝向、西南朝向和西北朝向的嵌入式中庭平面布局，建筑全年能耗相對(duì)較大。寒冷地區(qū)北京不同中庭布局建筑全年累計(jì)制冷和制熱負(fù)荷如圖 3 所示。

圖 3 寒冷地區(qū)北京不同中庭布局建筑全年累計(jì)制冷和制熱負(fù)荷

分析和對(duì)比寒冷地區(qū)典型城市北京的全年累計(jì)冷熱負(fù)荷結(jié)果可知，北向嵌入式中庭全年冷負(fù)荷最小，西南向嵌入式中庭全年冷負(fù)荷最大；南向嵌入式中庭全年熱負(fù)荷最小，西北向嵌入式中庭全年熱負(fù)荷最大。

分析全年冷熱能耗可知，南向嵌入式中庭的計(jì)算全年能耗最小，其次為東向和西向嵌入式中庭。相對(duì)于南向嵌入式中庭，北向和東向嵌入式中庭全年能耗分別增加 0.36%和 1.54%。不同朝向的嵌入式中庭布局，對(duì)于全年能耗的影響，相對(duì)于南向布局增加 0.37%～7.91%。在寒冷地區(qū)東北朝向、西北朝向和西南朝向的嵌入式中庭平面布局，建筑全年能耗相對(duì)較大。夏熱冬冷地區(qū)上海不同中庭布局建筑全年累計(jì)制冷和制熱負(fù)荷如圖 4 所示。

圖 4 夏熱冬冷地區(qū)上海不同中庭布局建筑全年累計(jì)制冷和制熱負(fù)荷

分析和對(duì)比夏熱冬冷地區(qū)的典型城市上海的全年累計(jì)制冷制熱負(fù)荷可知，北向嵌入式中庭全年制冷負(fù)荷最小，西南向嵌入式中庭全年制冷負(fù)荷最大；南向嵌入式中庭全年制熱負(fù)荷最小，西北向嵌入式中庭全年制熱負(fù)荷最大。

分析全年冷熱能耗可知，南向嵌入式中庭的全年能耗最小，其次為北向和東向嵌入式中庭。相對(duì)于北向嵌入式中庭，東向和南向嵌入式中庭全年能耗分別增加 0.06% 和0.69%。不同朝向的嵌入式中庭布局，對(duì)于建筑全年能耗的影響，相對(duì)于南向布局增加 0.06%～7.38%。在夏熱冬冷地區(qū)，東北朝向、西南朝向和西北朝向的嵌入式中庭平面布局，建筑的全年冷熱能耗相對(duì)較大。夏熱冬暖地區(qū)廣州不同中庭布局建筑全年制冷制熱負(fù)荷如圖 5 所示。

圖 5 夏熱冬暖地區(qū)廣州不同中庭布局建筑全年制冷制熱負(fù)荷

分析和對(duì)比夏熱冬暖地區(qū)的典型城市廣州的全年累計(jì)制冷制熱負(fù)荷可知，北向嵌入式中庭全年制冷負(fù)荷最小，西南向嵌入式中庭全年制冷負(fù)荷最大；南向嵌入式中庭全年制熱負(fù)荷最小，西北向嵌入式中庭全年制熱負(fù)荷最大。

分析全年冷熱能耗可知，北向嵌入式中庭的全年能耗最小，其次為東向和南向嵌入式中庭。相對(duì)于北向嵌入式中庭，東向和南向嵌入式中庭全年能耗分別增加 0.55% 和2.50%。不同朝向的嵌入式中庭布局，對(duì)于全年能耗的影響，相對(duì)于北向布局增加 0.55%～4.06%。在夏熱冬暖地區(qū)，東南朝向、西北朝向和西南朝向的嵌入式中庭平面布局，建筑的全年冷熱能耗相對(duì)較大。

2.2 全年動(dòng)態(tài)采光

在不同布局和朝向中庭工況下，研究不同氣候區(qū)的全年動(dòng)態(tài)采光效果，計(jì)算中庭周邊建筑一層的全自然采光百分比 sDA(300,50%)。sDA(300,50%) 為全年工作時(shí)間中單獨(dú)依靠自然采光就能達(dá)到最小照度 300 Lx 要求的時(shí)間百分比達(dá)到 50%，分析各個(gè)氣候區(qū)中庭周邊建筑一層滿足sDA(300,50%) 的自然采光面積比例。

分析和對(duì)比不同平面布局工況不同氣候區(qū)中庭周邊建筑一層滿足全年動(dòng)態(tài)采光百分比 sDA(300,50%) 的面積比例。對(duì)于嚴(yán)寒地區(qū)哈爾濱，南向中庭滿足 sDA(300,50%) 的面積比例最高，達(dá)到了 61.54%，東北向中庭滿足 sDA(300,50%)的面積比例最低，為 54.58%。對(duì)于動(dòng)態(tài)采光效果相對(duì)較好的南向、西向、北向和東向，面積比例相差在 6.77%；對(duì)于動(dòng)態(tài)采光效果相對(duì)較差的東南、西南、西北和東北，面積比例相差在 1.97%。

對(duì)于寒冷地區(qū)北京，南向中庭滿足 sDA(300,50%)的面積比例最高，達(dá)到了 65.37%，東北向中庭滿足sDA(300,50%)的面積比例最低，為 58.34%； 對(duì)于動(dòng)態(tài)采光效果相對(duì)較好的南向、西向、北向和東向，面積比例相差在 3.89%；對(duì)于動(dòng)態(tài)采光效果相對(duì)較差的東南、西南、西北和東北，面積比例相差在 1.72%。

對(duì)于夏熱冬冷地區(qū)上海，南向中庭滿足 sDA(300,50%)的面積比例最高，達(dá)到了 72.17%，東北向中庭滿足sDA(300,50%) 的面積比例最低，為 55.93%； 對(duì)于動(dòng)態(tài)采光效果相對(duì)較好的南向、西向、北向和東向，面積比例相差在 3.27%；對(duì)于動(dòng)態(tài)采光效果相對(duì)較差的東南、西南、西北和東北，面積比例相差在 1.06%。

對(duì)于夏熱冬暖地區(qū)廣州，南向中庭滿足 sDA(300,50%)的面積比例最高，達(dá)到了61.61%，東南向中庭滿足sDA(300,50%) 的面積比例最低，為 55.82%。對(duì)于動(dòng)態(tài)采光效果相對(duì)較好的南向、西向、北向和東向，面積比例相差在 0.72%；對(duì)于動(dòng)態(tài)采光效果相對(duì)較差的東南、西南、西北和東北，面積比例相差在 0.83%。對(duì)于不同氣候區(qū)典型城市，南向、東向、西向、北向中庭的采光效果普遍好于西南、東南、西北和東北向中庭。南向、東向、西向、北向中庭對(duì)于周邊大進(jìn)深空間的自然采光改善效果較好。不同氣候區(qū)滿足 sDA(300,50%) 的面積比例，根據(jù)中庭布局和朝向的不同，最高值和最低值相差在 9.4%～11.32% 范圍之間。室外自然光條件較差的嚴(yán)寒地區(qū)城市哈爾濱，全年動(dòng)態(tài)采光結(jié)果和中庭平面布局的敏感度相對(duì)較高；室外自然光條件較好的夏熱冬暖地區(qū)城市廣州，全年動(dòng)態(tài)采光結(jié)果和中庭平面布局的敏感度相對(duì)較低。具體如圖 6 所示。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文利用參數(shù)化建模和分析軟件，能夠便捷和快速地對(duì)計(jì)算模型幾何形狀和分析輸入?yún)?shù)進(jìn)行調(diào)整，并且能夠批量化的輸出不同輸入?yún)?shù)和輸入條件下的計(jì)算和分析結(jié)果。本文利用 Grasshopper 參數(shù)化建模和 Honeybee 參數(shù)化計(jì)算分析模型，分析了嚴(yán)寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)不同氣候區(qū)的 4 個(gè)典型城市里，不同平面形式嵌入式中庭對(duì)建筑全年能耗和全年動(dòng)態(tài)采光的影響，得到結(jié)論主要如下。

（1）對(duì)于不同氣候分區(qū)的典型城市，地理和氣候因素對(duì)于不同中庭平面布局形式的建筑全年累計(jì)制冷負(fù)荷和全年累計(jì)制熱負(fù)荷影響較小，建筑全年制冷和制熱負(fù)荷主要受到中庭朝向的影響。對(duì)比不同氣候區(qū)的全年累計(jì)制冷負(fù)荷，北向嵌入式中庭全年制冷負(fù)荷最小，西南向嵌入式中庭全年制冷負(fù)荷最大。對(duì)比不同氣候區(qū)的全年累計(jì)制冷負(fù)荷，南向嵌入式中庭全年制熱負(fù)荷最小，西北向嵌入式中庭全年制熱負(fù)荷最大。

（2）對(duì)于不同氣候分區(qū)的典型城市，中庭平面布局的位置和朝向?qū)τ诮ㄖ昴芎挠幸欢ㄓ绊憽?duì)于嚴(yán)寒地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)的典型城市哈爾濱和廣州，不同位置和朝向中庭對(duì)于建筑全年能耗的相對(duì)影響范圍較小，在 0.20%～5.40% 之間。對(duì)于寒冷地區(qū)和夏熱冬暖地區(qū)的典型城市北京和上海，不同位置和朝向中庭對(duì)于建筑全年能耗的相對(duì)影響范圍，較于寒冷和夏熱冬暖地區(qū)的典型城市哈爾濱和廣州較大，在 0.10%～7.30% 之間。

（3）在考慮建筑節(jié)能需求時(shí)，對(duì)于嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)，嵌入式中庭設(shè)計(jì)建議優(yōu)先考慮南向、東向和西向。對(duì)于夏熱冬冷和夏熱冬暖地區(qū)，嵌入式中庭設(shè)計(jì)建議優(yōu)先考慮北向、東向和南向。在進(jìn)行中庭設(shè)計(jì)時(shí)，同時(shí)還應(yīng)結(jié)合建筑實(shí)際采光需求，對(duì)嵌入式中庭的平面布局和形式進(jìn)行權(quán)衡設(shè)計(jì)和考量。

（4）在考慮自然采光需求時(shí)，氣候和地區(qū)因素對(duì)于動(dòng)態(tài)自然采光的影響相對(duì)較小，嵌入式中庭設(shè)計(jì)建議優(yōu)先考慮南向、東西和西向中庭設(shè)計(jì)。室外自然光條件較差的嚴(yán)寒地區(qū)城市哈爾濱，全年動(dòng)態(tài)采光結(jié)果和中庭平面布局的敏感度相對(duì)較高。室外自然光條件較好的夏熱冬暖地區(qū)城市廣州，全年動(dòng)態(tài)采光結(jié)果和中庭平面布局的敏感度相對(duì)較低，在中庭設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)需求，調(diào)整中庭采光設(shè)計(jì)策略。