上海某高層綠色辦公建筑中庭夏季熱環(huán)境優(yōu)化分析

張麗娜（上海市建筑科學(xué)研究院有限公司， 上海 200032）

建筑學(xué)上的中庭指建筑物內(nèi)部的有頂庭院，其強調(diào)垂直方向上的貫通[1]。中庭是當(dāng)代建筑中常見的空間形式，是解決大體量、大進(jìn)深建筑采光不足、通風(fēng)不暢等問題的有效方式[2]。由于其具有良好的融合內(nèi)外部環(huán)境的空間特色，可用來營造恢宏氣派或自然和諧的空間氛圍，因此越來越多的設(shè)計師在高品質(zhì)的綠色辦公建筑設(shè)計時采用中庭。中庭建筑的常見形式有核心式、整體式、線型式和接觸式等[3]，如圖 1所示。

圖1 中庭建筑的常見形式[3]

中庭空間屬高大空間，熱環(huán)境較為復(fù)雜，主要受“溫室效應(yīng)”和“煙囪效應(yīng)”影響。當(dāng)中庭頂部采用透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)時，會引入大量的太陽輻射得熱到室內(nèi)，“溫室效應(yīng)”顯著；同時，中庭的豎向溫差會造成上下部的熱壓差，進(jìn)而引起垂直方向上的空氣流動，形成“煙囪效應(yīng)”[4-6]。目前國內(nèi)外學(xué)者通過現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬對中庭熱環(huán)境進(jìn)行了大量研究[6-9]，其研究多聚焦于常見的核心式中庭，缺乏線型式中庭的熱環(huán)境研究分析。

本文針對上海市某高層綠色辦公建筑，采用 IES-VE 軟件對中庭得熱和氣流組織進(jìn)行聯(lián)合模擬，分析當(dāng)前設(shè)計中庭夏季熱環(huán)境的問題，并針對存在的問題提出合理的改善建議。

1 建筑概況

該建筑位于上海市，建筑由塔樓和裙房組成，其中塔樓建筑地上 13 層，地上總建筑面積 117 782.8 m2，主體朝向南偏東 23.9°，屬于高層辦公建筑。建筑基座呈不規(guī)則多邊形，建筑外立面為幕墻系統(tǒng)，形狀如圖 2 所示。線型式中庭貫穿整棟建筑，高 59.95 m，形狀不規(guī)則，剖面為矩形。該建筑為中國綠色三星標(biāo)識建筑。

圖2 建筑效果示意圖

1～3 F 主要功能空間為商業(yè)，4～13 F 為大空間辦公區(qū)域。4～12 F 每層層高 4.3 m，13 F 層高 4.5 m。中庭頂部采用玻璃天窗，天窗總面積約為 1 200 m2。建筑主要功能區(qū)域為大空間辦公室，每層功能空間用隔墻隔斷為封閉空間，每層的走廊區(qū)域距離中庭邊界 2.8 m，如圖 3 所示（以頂層13 F 為例）。

圖3 頂層 13 F 平面示意圖

2 模擬計算

采用 IES-VE 軟件，分析計算夏季典型日建筑外表面的太陽輻射得熱情況，并將計算得到邊界條件導(dǎo)入到 IES-VE軟件 CFD 模塊進(jìn)行氣流組織分析。

2.1 分析模型

為避免計算區(qū)域過大，將中庭及與之相連通的走廊作為計算區(qū)域，4～13 F 的辦公區(qū)域與中庭有隔斷，不作為計算區(qū)域。模型根據(jù)暖通設(shè)計圖紙及其他相關(guān)資料建立。在保證模擬結(jié)果可靠性的前提下，對中庭空間進(jìn)行了適當(dāng)簡化和假設(shè)[9]。對于墻體壁面、地面和天花板區(qū)域采用了邊界層網(wǎng)格，同時對于風(fēng)口區(qū)域的局部網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理。分析模型如圖 4 所示。

圖4 分析模型圖

為了分析當(dāng)前設(shè)計下，夏季中庭開空調(diào)與屋頂開窗的必要性。本研究設(shè)置了3 個模擬工況，如表 1 所示。

表1 模擬工況設(shè)置

2.2 邊界條件

中庭玻璃幕墻及頂部采光天窗接收太陽輻射。因中午12：00 太陽輻射最強、太陽高度角最大，故通過 IES-VE SUNCAST 組件（用于分析太陽輻射得熱）計算夏季典型日中午 12:00 的中庭壁面的太陽輻射得熱情況，并將得到的結(jié)果作為邊界條件導(dǎo)入到 CFD 模塊進(jìn)行計算。邊界條件設(shè)置如表 2 所示。

表2 邊界條件設(shè)置

3 模擬結(jié)果分析

3.1 工況 1：無空調(diào)＋屋頂不開窗

在無空調(diào)無開窗的夏季工況下，中庭內(nèi)部溫度不斷升高，在迭代到 2 000 步時，中庭內(nèi)部溫度為 38～52 ℃，其中，頂層接近屋頂部分的溫度更是達(dá)到 50 ℃。在沒有通風(fēng)和制冷措施，且不考慮相鄰空調(diào)房間的熱傳導(dǎo)時，中庭相當(dāng)于一個玻璃殼子包裹的“溫室”，導(dǎo)致中庭溫度過高，即使中庭底部人行區(qū)溫度都高于室外溫度，室內(nèi)熱環(huán)境也極不舒適。因此，在上海市夏季典型氣象條件下，中庭設(shè)計時需進(jìn)行空調(diào)設(shè)計，同時應(yīng)結(jié)合氣流組織進(jìn)一步分析優(yōu)化中庭熱環(huán)境。

3.2 工況 2：有空調(diào)＋屋頂不開窗

在有空調(diào)無開窗的夏季工況下，模擬結(jié)果如圖 5 和圖6 左列所示。中庭的垂直溫度分層如圖 5（a）、5（b）所示，在該垂直溫度分層中，中庭內(nèi)部溫度為 20～38 ℃，走廊區(qū)域溫度為 18～35 ℃；中庭頂層溫度分布如圖 5（c）所示，13 F 人行區(qū) 1.5 m 中庭內(nèi)部溫度為 33～35 ℃，走廊溫度在 32 ℃ 左右；中庭屋頂處溫度分布如圖 5（d）所示，溫度在 38 ℃ 左右。中庭風(fēng)速分布情況如圖 6 所示。由圖 6（a）、圖 6（b）左列可知，在有空調(diào)無開窗的夏季工況下，中庭內(nèi)部及走廊處風(fēng)速較為均勻，除正對風(fēng)口處外，95% 以上的區(qū)域風(fēng)速在 0.3 m/s 以下。

圖5 工況 2、工況 3 中庭溫度分布對照圖

圖6 工況 2、工況 3 中庭風(fēng)速分布對照圖

分析原因，由于中庭頂部有大面積的采光天窗，頂層接受的太陽輻射熱量無法排出，熱量積聚在上空，造成中庭頂部溫度過高。受此影響，頂層走廊人行區(qū)域雖有空調(diào)制冷，溫度仍然超出舒適區(qū)間。

3.3 工況 3：有空調(diào)＋屋頂開窗

在有空調(diào)屋頂開窗的夏季工況下，模擬結(jié)果如圖 5 和圖6 右列所示。中庭的垂直溫度分層如圖 5（a）、5（b）所示，在該垂直溫度分層中，中庭內(nèi)部溫度為 20～32 ℃，走廊區(qū)域溫度為 18～30 ℃；中庭頂層溫度分布如圖 5（c）所示，13 F 人行區(qū) 1.5 m 中庭內(nèi)部溫度為 27～33 ℃，走廊溫度在 27 ℃ 左右；中庭屋頂處溫度分布如圖 5（d）所示，溫度在 28 ℃ 左右。由圖 6 右列 可知，在有空調(diào)屋頂開窗的夏季工況下，中庭內(nèi)部及走廊處風(fēng)速較為均勻，除正對風(fēng)口處外，風(fēng)速略大于工況 2，90% 以上的區(qū)域風(fēng)速在 0.3 m/s以下。

由于屋頂窗戶開啟后，頂層接受的太陽輻射熱量可以排出，與工況 2 對比，中庭整體溫度和頂部溫度降低顯著，約降低 2～6 K，頂層走廊人行區(qū)域溫度也降低至舒適區(qū)間范圍。同時屋頂開啟窗對整個中庭內(nèi)部的氣流具有積極的影響，可帶動整個中庭內(nèi)部的氣流，因此頂部走廊區(qū)域風(fēng)速略大于工況 2 的風(fēng)速，在溫度偏高的情況下，風(fēng)速適當(dāng)增大可營造出更為舒適的室內(nèi)熱環(huán)境。

3.4 優(yōu)化方案分析

由上述分析可知，在當(dāng)前設(shè)計下中庭溫度偏高，主要原因為中庭接受的太陽輻射量過大，中庭不斷被加熱，進(jìn)而導(dǎo)致中庭內(nèi)部溫度升高。在不改變當(dāng)前空調(diào)設(shè)計的情況下，中庭熱環(huán)境的優(yōu)化主要從減少中庭的太陽輻射得熱量和將中庭的高溫空氣排出 2 方面入手。主要的建議措施有：① 設(shè)置屋頂外遮陽；② 設(shè)置屋頂內(nèi)遮陽＋排風(fēng)；③ 采用彩釉玻璃；④ 將頂層活動區(qū)和中庭分隔開。

各種方案的優(yōu)缺點如表 3 所示。

表3 不同優(yōu)化措施對比分析

外遮陽的遮陽設(shè)施設(shè)置于玻璃的室外側(cè)，可以在太陽輻射達(dá)到采光頂玻璃前把其遮擋在外。內(nèi)遮陽的遮陽設(shè)施設(shè)置于玻璃的室內(nèi)側(cè)，能夠阻擋部分的太陽輻射，因熱量已經(jīng)大量進(jìn)入了中庭頂部，并產(chǎn)生溫室效應(yīng)，實際遮陽效果較外遮陽差。因此，采用內(nèi)遮陽時，建議通過配合自然通風(fēng)或機(jī)械排風(fēng)的方式將中庭頂部的熱量排出。

將頂層活動區(qū)和中庭通過玻璃等圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分隔，可以減少冷量在中庭的散失。設(shè)計方案的修改，可在方案設(shè)計前期予以考慮，到了設(shè)計后期，如非特殊情況，不建議做改動。

綜上優(yōu)化方案對比分析，從遮陽效果來看，外遮陽為最佳方案。條件允許時，優(yōu)先采用外遮陽方案；實際項目從經(jīng)濟(jì)性和便于運維的角度出發(fā)，則多采用內(nèi)遮陽＋排風(fēng)的方式。

結(jié)合該項目自身特點，分析后采用外遮陽和彩釉玻璃，中庭玻璃幕墻綜合遮陽系數(shù)控制 0.30～0.35、透明屋面綜合遮陽系數(shù)控制在 0.2～0.3，并配合屋頂排風(fēng)措施，可使得中庭室內(nèi)熱環(huán)境處于較舒適的溫度區(qū)間。

4 結(jié) 語

隨著中庭被越來越多的設(shè)計師運用在公共建筑中，中庭熱環(huán)境優(yōu)化分析工作日趨成為設(shè)計階段的一項重要工作。本文采用 IES-VE 軟件對上海市某高層辦公建筑的中庭熱環(huán)境進(jìn)行了模擬分析，并針對存在的中庭頂部溫度過高的問題，提出并對比分析了屋頂外遮陽、內(nèi)遮陽＋排風(fēng)、彩釉玻璃等幾項優(yōu)化措施。線型中庭因與外界接觸面積較大，夏季受太陽輻射影響顯著，其中庭熱環(huán)境將面臨更大挑戰(zhàn)。中庭設(shè)計時透明屋面建議采用外遮陽或內(nèi)遮陽＋排風(fēng)的方式來減弱夏季太陽輻射的影響作用，并結(jié)合 CFD 氣流組織分析進(jìn)一步優(yōu)化中庭熱環(huán)境，提升中庭頂層的熱舒適性。