不同氣候區中庭布局和朝向對辦公建筑負荷和能耗的影響

喬正珺（上海市建筑科學研究院有限公司， 上海 200032）

中庭設計由于能夠顯著改善建筑室內自然采光，同時帶來良好的視野，被廣泛應用于現代辦公建筑和商業建筑。根據建筑的外觀形態、設計需求和氣候特征，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。不合理的中庭設計會顯著影響建筑全年的制冷制熱能耗，且會影響建筑內的自然采光設計。因此，根據建筑所在氣候區的不同，因地制宜的設計建筑中庭，對于降低建筑制冷制熱能耗、改善建筑室內光環境，有著重要的意義。

針對不同光氣候區氣候特征的中庭設計策略已經有了廣泛的研究和關注。劉宏成等[1]對夏熱冬冷地區的生涯中庭生態設計策略進行了探討。彭小云等[2]也對夏熱冬冷地區中庭玻璃選型對于建筑能耗影響進行了研究和分析。侯寰宇等[3]對寒冷地區中庭空間的低能耗設計策略進行了探索。楊修等[4]對夏熱冬暖地區的中庭節能設計策略進行了研究。蘇梅龍等[5]研究了南京地區不同中庭平面布局尺寸比例以及幕墻朝向對辦公建筑自然采光系數、全年自然采光滿足率、天然采光照明節能率、室內照度全年滿足率的影響。呂帥等[6]研究了深圳地區圓形中庭和方形中庭的中庭面積、貫穿層數、平面比例等形體參數對其天然采光性能的影響。

目前對中庭設計對建筑全年能耗和采光的影響主要集中于各個氣候區和不同城市的研究，對于不同氣候區的綜合對比研究相對較少。本文主要選取典型辦公建筑，采用參數化建模和分析方法分析不同氣候區典型城市，不同中庭平面布局和朝向對于建筑冷熱負荷、建筑能耗以及全年動態采光的影響，研究不同氣候區適應的中庭布局設計策略。

1 模型研究

1.1 計算模型

本文選取典型的 40 m×40 m 的公共建筑為研究對象，建筑地上 8 F，總高度 32 m。采用 Rhino Grasshopper 參數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 平臺的建筑性能分析插件 Honeybee 設置建筑圍護結構參數和內擾參數，并計算建筑的全年冷熱負荷。同時，利用 Honeybee 設置建筑內表面反射比和玻璃透光率，并計算建筑一層的全年動態采光結果。最后，利用 Grasshopper 平臺的數據輸出插件 Colibri 實現對輸入參數的批量調整以及全年冷熱負荷和建筑能耗的批量輸出。Honeybee 插件的能耗和采光計算是基于 OpenStudio 和Daysim 開發的能耗負荷計算和采光計算功能。

1.2 參數設置

選取嚴寒地區、寒冷地區、夏熱冬冷地區、夏熱冬暖地區的 4 個典型城市。即哈爾濱、北京、上海、廣州，各個城市氣象參數選取 CSWD 氣象數據文件。模型室內內擾參數、空調供暖供冷溫度、運行時間表，選取 GB 50189—2015《公共建筑節能設計標準》附錄對于辦公建筑的參數進行設置。不同氣候分區典型城市圍護結構設置如表 1 所示。采光參數設置，包括模型外墻、屋面和地板的內表面反射比，以及外窗和內窗的透光率設置如表 2 所示。

表 1 不同氣候分區典型城市圍護結構設置

表 2 不同氣候分區反射比和透光率設置

1.3 分析工況

為了研究不同中庭平面布局對于不同氣候區建筑全年制冷制熱負荷的影響，本文主要分析 8 種不同工況 14 m×14 m 的嵌入式中庭，中庭側面為玻璃幕墻，頂部不設置天窗。分析工況主要研究不同中庭朝向對于建筑全年負荷的影響，主要包括西南側、南側、東南側、東側、東北側、北側、西北側、西側 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 結果與討論

2.1 負荷和能耗

本文主要研究不同氣候區中庭平面布局對于建筑全年負荷以及全年能耗的影響。在計算建筑全年冷熱能耗時，為了減小不同氣候區的差異，不同氣候區制冷系統 COP 統一設置為 4.2，制熱系統效率統一設置為 0.82。計算不同氣候區不同中庭平面布局工況下，建筑的全年累計冷熱負荷和建筑全年冷熱能耗。嚴寒地區哈爾濱不同中庭布局建筑全年累計制冷和制熱負荷如圖 2 所示。

圖 2 嚴寒地區哈爾濱不同中庭布局建筑全年累計制冷和制熱負荷

對于嚴寒地區的典型城市哈爾濱而言，根據建筑全年累計冷熱負荷結果，影響嚴寒地區建筑全年負荷的主要是建筑的熱負荷，建筑全年冷負荷遠小于建筑全年熱負荷。分析和對比全年制冷負荷計算結果可知，北向嵌入式中庭全年冷負荷最小，西南向嵌入式中庭全年冷負荷最大；南向嵌入式中庭全年熱負荷最小，西北向嵌入式中庭全年熱負荷最大。

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，對于全年能耗的影響，相對于南向增加 0.54%～5.42%。在嚴寒地區東北朝向、西南朝向和西北朝向的嵌入式中庭平面布局，建筑全年能耗相對較大。寒冷地區北京不同中庭布局建筑全年累計制冷和制熱負荷如圖 3 所示。

圖 3 寒冷地區北京不同中庭布局建筑全年累計制冷和制熱負荷

分析和對比寒冷地區典型城市北京的全年累計冷熱負荷結果可知，北向嵌入式中庭全年冷負荷最小，西南向嵌入式中庭全年冷負荷最大；南向嵌入式中庭全年熱負荷最小，西北向嵌入式中庭全年熱負荷最大。

分析全年冷熱能耗可知，南向嵌入式中庭的計算全年能耗最小，其次為東向和西向嵌入式中庭。相對于南向嵌入式中庭，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，對于全年能耗的影響，相對于南向布局增加 0.37%～7.91%。在寒冷地區東北朝向、西北朝向和西南朝向的嵌入式中庭平面布局，建筑全年能耗相對較大。夏熱冬冷地區上海不同中庭布局建筑全年累計制冷和制熱負荷如圖 4 所示。

圖 4 夏熱冬冷地區上海不同中庭布局建筑全年累計制冷和制熱負荷

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

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，對于建筑全年能耗的影響，相對于南向布局增加 0.06%～7.38%。在夏熱冬冷地區，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較大。夏熱冬暖地區廣州不同中庭布局建筑全年制冷制熱負荷如圖 5 所示。

圖 5 夏熱冬暖地區廣州不同中庭布局建筑全年制冷制熱負荷

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

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，對于全年能耗的影響，相對于北向布局增加 0.55%～4.06%。在夏熱冬暖地區，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較大。

2.2 全年動態采光

在不同布局和朝向中庭工況下，研究不同氣候區的全年動態采光效果，計算中庭周邊建筑一層的全自然采光百分比 sDA(300,50%)。sDA(300,50%) 為全年工作時間中單獨依靠自然采光就能達到最小照度 300 Lx 要求的時間百分比達到 50%，分析各個氣候區中庭周邊建筑一層滿足sDA(300,50%) 的自然采光面積比例。

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

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

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

對于夏熱冬暖地區廣州，南向中庭滿足 sDA(300,50%)的面積比例最高，達到了61.61%，東南向中庭滿足sDA(300,50%) 的面積比例最低，為 55.82%。對于動態采光效果相對較好的南向、西向、北向和東向，面積比例相差在 0.72%；對于動態采光效果相對較差的東南、西南、西北和東北，面積比例相差在 0.83%。對于不同氣候區典型城市，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、北向中庭對于周邊大進深空間的自然采光改善效果較好。不同氣候區滿足 sDA(300,50%) 的面積比例，根據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寒地區城市哈爾濱，全年動態采光結果和中庭平面布局的敏感度相對較高；室外自然光條件較好的夏熱冬暖地區城市廣州，全年動態采光結果和中庭平面布局的敏感度相對較低。具體如圖 6 所示。

3 結 語

本文利用參數化建模和分析軟件，能夠便捷和快速地對計算模型幾何形狀和分析輸入參數進行調整，并且能夠批量化的輸出不同輸入參數和輸入條件下的計算和分析結果。本文利用 Grasshopper 參數化建模和 Honeybee 參數化計算分析模型，分析了嚴寒地區、寒冷地區、夏熱冬冷地區、夏熱冬暖地區不同氣候區的 4 個典型城市里，不同平面形式嵌入式中庭對建筑全年能耗和全年動態采光的影響，得到結論主要如下。

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

（2）對于不同氣候分區的典型城市，中庭平面布局的位置和朝向對于建筑全年能耗有一定影響。對于嚴寒地區、夏熱冬暖地區的典型城市哈爾濱和廣州，不同位置和朝向中庭對于建筑全年能耗的相對影響范圍較小，在 0.20%～5.40% 之間。對于寒冷地區和夏熱冬暖地區的典型城市北京和上海，不同位置和朝向中庭對于建筑全年能耗的相對影響范圍，較于寒冷和夏熱冬暖地區的典型城市哈爾濱和廣州較大，在 0.10%～7.30% 之間。

（3）在考慮建筑節能需求時，對于嚴寒和寒冷地區，嵌入式中庭設計建議優先考慮南向、東向和西向。對于夏熱冬冷和夏熱冬暖地區，嵌入式中庭設計建議優先考慮北向、東向和南向。在進行中庭設計時，同時還應結合建筑實際采光需求，對嵌入式中庭的平面布局和形式進行權衡設計和考量。

（4）在考慮自然采光需求時，氣候和地區因素對于動態自然采光的影響相對較小，嵌入式中庭設計建議優先考慮南向、東西和西向中庭設計。室外自然光條件較差的嚴寒地區城市哈爾濱，全年動態采光結果和中庭平面布局的敏感度相對較高。室外自然光條件較好的夏熱冬暖地區城市廣州，全年動態采光結果和中庭平面布局的敏感度相對較低，在中庭設計時可以根據需求，調整中庭采光設計策略。