公共建筑中庭節能措施探究

羅梁生

(廈門市節能中心 福建廈門 361004)

0 引言

隨著經濟的發展，各種形態的公共建筑點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。中庭承擔著建筑的采光、通風、交通組織、安全疏散等復雜功能。中庭頂部的大量玻璃帶了巨大的冷負荷，引起建筑的空調能耗的大大增加。基于此，要求建筑設計師及運營管理者，應積極、主動采取有效的節能措施，以通過中庭帶來良好的通風效果來降低空調負荷。本文立足對實地調查的結果，對中庭的節能措施進行探討。

1 即有建筑中庭存在的問題及節能措施

在《民用建筑設計術語標準》(GB/T 50504-2009)中，建筑中貫通多層的室內大廳為中庭。在現有建筑設計中，多數中庭負擔采光通風等功能，頂部均有玻璃屋面。圖1為某商場建筑的中庭示意圖。

筆者通過對廈門市幾十家公共建筑(酒店、商場、寫字樓、圖書館等)實地考察及與運營管理者座談的方式，了解到現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，室內溫度降不下來；人體受到陽光直射，舒適度差。

針對以上問題，最好的辦法是外遮陽。因為廈門是臺風多發地區，活動用遮陽運用較少。廈門大部分公共建筑采取對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百葉等內遮陽措施；在中庭頂部設排風機；極個別公共建筑采取塑料黑網進行外遮陽；有些建筑采取中庭部分玻璃更換為不透明的材質，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 某商場建筑中庭示意圖

2 太陽輻射對中庭的影響及節能措施

在夏季，中庭的天窗使建筑承受巨大的太陽輻射得熱，引起空調能耗的大大增加。在《公共建筑節能設計標準》中，對屋頂透明部分的面積比例、太陽得熱系數及傳熱系數均提出了控制性指標，如不滿足該標準的要求，應進行權衡計算。

圖1為位于福建省龍巖市的一個地上4層、地下1層的多層商業建筑，總建筑面積37 541m2，位于夏熱冬暖地區。根據該建筑的負荷計算書，總冷負荷為6502kW,冷指標約為173W/m2，屋面的總面積為15 178m2(含天窗)， 屋頂玻璃天窗面積1249m2，天窗輻射冷負荷407kW,傳熱冷負荷為23kW，屋面不透明部分總負荷為217kW，屋面總冷負荷為647kW。天窗僅占屋頂面積8.23%，但天窗的輻射冷負荷占整個屋頂冷負荷的64%。減少天窗輻射負荷的最好辦法，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，在鋼板下設置保溫層的辦法來減少屋頂透明面積[1]。

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

為了便于設置外遮陽和內遮陽，中庭透明部分跨度不應太大，方便清洗和維護。筆者見到有個別中庭跨度大的商場，內遮光布簾已經布滿厚厚的灰塵。

3 自然通風的節能措施

有中庭的建筑，可以通過合理的建筑布局加上良好開口設計，產生舒適的室內通風效果[2]。當室外空氣參數優于室內參數時，良好的自然通風能大大降低空調能耗。自然通風效果的動力來源主要是風壓和熱壓。

3.1 熱壓

建筑物利用熱壓來自然通風，利用了熱空氣上升的原理，即所謂的“煙囪效應”。由于建筑物的內熱源和外圍護結構得熱，使建筑內的空氣溫度升高，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風。

根據式(1)[3]，自然通風口熱壓引起的通風換氣量與開口面積及室內外壓差有關。建筑物底部和頂部的開口高差越大，室內外的壓差越大。劉軒在《中庭對高層辦公建筑室內自然通風影響的模擬分析》[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)，在頂部側面四周留有通風開口(高1m)等措施，大大增加了中庭的自然通風量。

(1)

假定建筑的得熱量、開口的高差恒定，通風量變化不大時，這時可以室內外的壓差變化很小，那么開口的面積越大，通風量越大。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的計算研究》[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，通風量越大的結論。

3.2 風壓

室外氣流吹過建筑物時，迎風面為正壓區，頂部和背風面為負壓區。影響風壓的主要是室外風的風速和風向。在大型公共建筑的開口設計時，自然進風口應盡量設在主導風向的迎風面，排風口盡量設于建筑物的頂部或背風面，以利用風壓達到良好的通風效果[6]。

3.3 增加自然通風的措施

為了達到良好的自然通風效果，除了利用熱壓和風壓，還要優化中庭及開口的布置。通風口盡量靠近中庭，減少通風阻力。采取多個小中庭代替大中庭的方式，使自然通風效果比較均勻。廈門“寶龍一城”商場便采用多中庭，中庭附近設次要出入口來作為通風口，且布置在主導風向的迎風面，與景觀相配合，布置了水池等形成微氣候，現在過渡季節通風效果非常好。

綜上所述，要增強建筑物利用中庭自然通風的效果，可以通過增加中庭開口面積，增大開口間的高差；進風口設在主導風向的迎風面，盡量靠近中庭，排風口設在建筑物的負壓區；采用多個小中庭的布置方式等。

4 機械通風的節能措施

4.1 中庭通風控制

在冬天需要采暖時，除了滿足人體衛生要求的新風，或者中庭頂部出現溫度過高要開啟中庭頂部的通風口，其它時候均應保持關閉。在非采暖季，當室外熱環境參數(焓值或溫度)優于室內時，應盡量加大通風量，當自然通風不滿足要求時，應設置機械排風。

當陽光直射中庭頂部，中庭頂部的溫度遠高于建筑內其它地方的時候，只要室外溫度低于此處溫度，便應該開啟通風口。例如，在空調季節，室外溫度為33℃，空調室內溫度為26℃時，中庭頂部溫度可能高達40℃～50℃。排走中庭40℃～50℃熱空氣，從首層或其它通風口補充33℃的新風，均有利于節能。

4.2 建筑的風量平衡

空調季節，應注意整棟大樓的風量平衡問題。一方面，公共建筑一般都設有新風系統，使建筑處于微正壓狀態。此時，從中庭頂部開口自然排風或機械排風，底層自然進風，避免從底層出入口排風。另一方面，現在大型商業建筑存在大量餐飲業態。這些餐飲的廚房灶臺的排風量巨大，廚房內部的補風設施開啟率不高，導致整棟建筑均處于較大負壓狀態，無組織進風，而中庭頂部可能也處于進風狀態。當中庭頂部溫度遠高于室外溫度時，從中庭頂部進風導致這部分高溫空氣進入空調區域，增加能耗。此時，應加大整棟建筑的新風量，增加底層出入口的通風面積，或在餐飲集中區設置公共補風設施，使中庭的開口仍處于排風狀態。

中庭頂部的可開啟外窗，不但可以作為自然排風口，也可以作為自然進風口。當中庭高空取風溫度低于底層出入口或新風口的溫度時，可利用中庭的外窗自然進風，其它通風口機械排風，利用冷空氣自然沉降加大通風量。文獻[4]抬高中庭的采光頂出屋面的高度，不僅增加了排風時的熱壓，加大排風量，在自然進風時也降低了新風的溫度。

4.3 中庭頂部開口形式及節能措施

中庭的頂部通風開口，有采用常開風口，可開啟外窗及機械通風口3種形式。

常開風口使空調區域和室外直接聯通，不利于節能，僅部分較老的公共建筑使用常開風口。為了適合不斷變化的室內外空氣參數，推薦中庭使用機械排風加可開啟外窗，可以適應全年各種通風空調工況。

傳統的樓宇自控的溫度監測，只監測空調機組的新風口、回風口及室內溫度。建議增加監測各自然進風口(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溫度，以便于運營管理者根據氣溫的變化選擇性地開啟各通風口，有利于節能。

在冬季采暖時，可關閉所有通風口，僅保留滿足人體衛生需求的新風；在冬季或過渡季節有制冷需求時，利用室外冷風來降溫；在制冷季節中庭溫度過高時，開啟中庭的機械排風或自然排風；在整個建筑物處于較大正壓或負壓狀態時，加大室外空氣參數較優的通風口的通風量。

5 結論

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，在公共建筑的設計和運營管理時應注意以下4點：

(1)應盡量采用多個小中庭代替大中庭的設計；做好中庭采光頂的遮陽措施，適當減少透明玻璃面積，通過各種措施減少陽光直射到人員經過和停留的場所。

(2)適當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風向的迎風面；適當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)中庭頂部宜設機械排風與可開啟外窗相結合的通風方式，以靈活適應全年各種通風空調工況。

(4)建議對各自然和機械進風口的室外溫度及中庭頂部的室內溫度進行監測，作為建筑物各通風口、風機開閉的依據。