基于节能技术的建筑中庭热环境设计研究

(1.沈阳建筑大学 辽宁 沈阳 110168；2.辽宁省环境监测实验中心 辽宁 沈阳 110161)

据国际能源署2007年世界能源预测：到2030年，全球能源需求将增加55%以上，石油、煤炭、天然气则占能源需求的82%。因此，“节能减排”已成为当今世界性的主课题。[1]现代建筑随着建造技术的进步也在发生着日新月异的变化。建筑师除了考虑功能完善，形式美观，经济适用外，也越来越重视建筑节能和可持续性发展。中庭作为现代建筑的代表空间起到了一定的节能作用。

一、节能建筑

近年来我国一直致力于全面推广节能建筑。相比较普通建筑，节能建筑节能减排可达90%以上，节能建筑设计能够达到即节省能源又创造舒适环境的双重目的。[2]为了实现节能建筑的目标，全世界越来越重视可再生能源的开发，以及最大限度的利用自然采光和自然通风来减少能耗。本文从节能减排和绿色健康的角度出发，分析中庭设计案例以及对已建成中庭温度、湿度测量来探讨建筑节能技术如何改善中庭热环境。

自然通风是最常见的通风换气方式，帮助调节室内热环境、提高空气品质、降低空调能耗，比机械通风更宜人环保。中庭具有烟囱效应它能提升室内自然通风效率，现代建筑中中庭受到设计者和使用者的喜爱，它不但可以增加室内自然采光，创造明朗大气空间体验，同时，中庭易储存太阳辐射热，使空气升温形成热压，空气从天窗排出，从而形成烟囱效应，其强度受建筑高度、出风口面积和室内外温差影响。

二、中庭设计

随着经济的发展和人们对室内环境舒适性的需求提高，在公共建筑中引入庭院空间的设计手法在我国迅速普及。其中建筑内部的中庭和边庭等空间已运用多年，其具有丰富的空间感，使用功能多样性，突显心旷神怡的精神感受，一直受到设计者和使用者的认可。各地为了适应不同的气候环境创造出了相应的中庭形式，其对于建筑的整体节能、气候控制和环境净化等方面能起到积极的作用。生态中庭的确能在节能方面带来很大收益。英国建筑研究院(BRE)在2000年曾对英国的各类办公建筑进行了调研，结果显示，带有中庭的可自然通风的办公建筑，每平米建筑除采暖外能耗约为30k Wh/(m2·a)，而典型的全封闭中央空调办公建筑则超过300k Wh/(m2·a)，有十倍之差。[3]

但在这个过程中也暴露出了一些问题，诸如中庭在建筑中的功能定位并不明确，尺度没有相关的规范，有时面临空间布局不当，节能效果不佳等问题。中庭节能技术就是通过选择合理的材料和形体，利用一些机械手段使自然采光、温室效应和烟囱效应来达到优化建筑室内环境的目的。

三、建筑节能技术与中庭热环境

(一)中庭节能设计案例分析

本设计为建筑设计作业，地点位于北京，是一座建筑系教学楼。中庭作为本设计的一大亮点，集休闲、交通、集散为一体，力图打造丰富的空间体验感，中庭是学生们课余时间活动的重要场所，所以要考虑使用人群的热舒适性和心理感受，需要做到冬暖夏凉，通风良好，空间开敞明亮。为了做到相对舒适的中庭热环境，屋顶设计了可调节百叶。冬季时充分利用太阳光，此时中庭能收集大量太阳辐射热提升室内温度。使室内温暖如春。夏季时，根据光照调节百叶角度，防止多余热量射入中庭。仅仅这些还不完善，还需要做到室内自然通风，保证室内空气品质，提供足够的氧气给师生。所以在中庭顶部最上层开了小出风口，这出风口与一层入口的进风口相结合形成了烟囱效应(详见图1)。

图1 节能措施剖面示意图

图2 烟囱效应剖面示意图

为了让烟囱效应的效果更为突出，还配备一些辅助手段。1.充分利用中庭上升式屋顶，因为这种逐层上升的空间可以增强烟囱效应的通风效果。2.在建筑进风方向种植若干植被绿化，空气经过植物后，能降低温度及湿度，改善空气质量。3.在进风方向还有一座喷泉，喷泉水可冷却进入室内的热空气，降低空气的温度。4.中庭内部种植绿化，二次净化空气，另外，植物进行光合作用，呼吸空气，可带动空气流通。5.出风口处采用玻璃材料，直面太阳光的辐射，出风口温度较高，与室内形成更大的热压(详见图2)。

设计中还涉及到了其他绿色节能措施。还有雨水收集系统，雨水通过屋顶的收集管和广场上的吸水砖汇集到地下，经过过滤沉淀后，既可以在平日里用来灌溉绿植，又可以为广场上的喷泉提供水源。另外，利用斜墙和屋顶设置了太阳能光伏板，其主要作用就是将太阳能转化为电能，为建筑系馆提供部分电力供应。最后就是屋顶绿化，因为北京近几年雾霾沙尘严重，绿化可以有效改善建筑周边空气品质，也能做到屋顶隔热(详见图1)。

(二)中庭热环境实测分析

将理论与实际相结合，在2018年1月对沈阳市某多层办公楼的中庭进行了热环境测量工作。实测目的是得到中庭在工作时间内温度与湿度变化情况。此中庭水平面长21米，宽23米，面积约452平方米。取工作面横向5排纵向6列作为中庭横纵向典型剖面，横纵剖面相交处为测量点。

图3 2018年1月某工作日中庭温度与湿度对比图

经过数据整理，本表是根据中庭(大厅)及电梯厅的一层测量点求出平均温度(详见图3)。如图所示，中庭全天温度较为稳定，略受室外温度变化影响。最高温度为11.68℃，在12：30左右出现。最低温度出现在17:00，为10.13℃。温差为1.55℃。室外平均温度为-7.06℃，室内空调供暖为25℃，中庭平均室内温度为11.16℃。东西两侧电梯厅的温度略高于中庭自身温度，西侧的电梯厅温度最高，下午受西晒的影响。综上所述，中庭在18℃以下，不符合标准，使在中庭里工作的接待和保安人员仍需要依靠其他供暖设备才能办公，中庭不节能。原因在于中庭采用大面积玻璃幕墙和ETFE膜屋顶，这种顶部与南北侧采光的形式能较好的满足中庭自然采光的使用需求，但同时致使这种形式在严寒地区会导致保暖不足，冷风渗透，热损失严重，消耗供热资源。

利用相同方法求出工作时间段中庭平均湿度，可以得出湿度与温度成正比关系(详见图3)。中庭湿度几乎成一条直线，变化不明显，与室外湿度曲线相似。由于冬季干燥且是空调供暖，所以建筑内部湿度低于国家要求标准。最高湿度为19.21%RH，在9：00左右出现。最低湿度出现在14:00，为17.33%RH，相差1.88%RH。中庭平均室内湿度为18.13%RH。与东西两侧电梯厅相比较，东西两侧变化较为活跃，受下午西晒的影响，温度和湿度都偏高。

四、对建筑节能技术发展的思考

通过以上分析可以得出中庭热环境在节能建筑的前进道路上还需要进一步完善。可以在做设计时考虑以下几种辅助手段：1.在建筑进风口周边设计人工水景，既美化景观环境，又起到了降低进入建筑的室外空气温度的作用。2.种植茂密的植被，以调节建筑周边微气候，提高空气品质。3.中庭南立面玻璃上做遮阳板和百叶，防止阳光直接射入室内，确保室内空气温度。对于严寒地区，大面积的玻璃幕墙不适用于冬季寒冷的环境，所以应该在立面设计时控制窗墙比，在自然采光满足的请况下在北向立面设置可调节百叶，达到冬暖夏凉的目的。4.以中庭作为烟囱效应载体时可以在底层设计水景或者绿化，降低空气温度，促进空气对流。5.出风口用玻璃天窗，有助于加热出风口附近空气，加大热压差，强化烟囱效应。在冬季，可关闭出风口，玻璃材质的烟囱成了一个阳光房，可以为室内蓄积热量，减少空气热损耗。6.对于进深较大的建筑，利用烟囱顶部开口，并且在其内壁采用可反射材料，不仅可以解决室内的新风问题，也可以利用它的反射为室内带来阳光。

五、收获和总结

尽管现代技术为建筑师提供了多方面的便利，开拓了建筑空间多重可能性。但也能仅仅依靠技术来解决建筑环境问题，部分技术对能源的消耗使建筑节能越来越受重视。通过这几年对中庭设计的学习和应用，我深刻的认识到运用建筑节能技术不仅是改善建筑热环境问题的一种手段,同时可以提高建筑内部环境质量,并具有节能环保和绿色健康的效果。在未来，我们要更加努力的去寻求建筑节能的途径让节能建筑长远的发展下去。