商场中庭夏季热舒适分析与优化研究

薛韩玲 郭 栋

(西安科技大学，陕西 西安 710054)

0 引言

良好的室内热环境是人们追求高品质生活环境的重要内容，随着经济的发展，消费水平不断提高，人们在商场中的时间越来越长。因此，对商场热舒适的研究也十分必要。袁涛等人[1]于2010年1月对西安5栋办公楼和3栋商场进行了热环境测试与热舒适调研后，认为这两种类型建筑在冬季供热模式下温度满足热舒适的要求，但室内空气相对干燥，影响室内热舒适。赵西平等人[2]于2012年1月对西安市某商业建筑进行了室内热环境测试和问卷调查，而后根据对现场调研结果的分析提出了改善商业建筑冬季室内热环境的一些措施。

西安市冷暖干湿四季分明。夏季主要建筑能耗为空调能耗和照明能耗。商业建筑中，中庭是建筑空间的重要组成部分，是服务功能的集结地和交通枢纽，同时中庭的设计也直接影响室内环境的热舒适性[3]，中庭由于其特有的结构形式，拥有了一些其他建筑结构难以具备的特点。如顶部采用透光围护结构的中庭易在室内引入大量太阳辐射，造成温室效应[4]；中庭内的空气被加热后温度升高，竖直方向的温差会造成压差引起空气流动，形成烟囱效应[5]。实际中，中庭设计是否合理会影响人体的热舒适，也关系到建筑自身能耗[6]。因此，此次测试将针对西安市某大型商场中庭热环境，分析其相邻各层温度、湿度等参数的分布规律，发现其中存在的问题，并对该中庭如何减少建筑能耗，营造舒适的热环境提出建议。

1 测试内容

1.1 测试对象

该大型商场共10层，地下2层，地上8层。-2层～5层均为综合购物区，同时-2层设计有地铁口，直通地铁口，6层，7层为餐饮区，8层则为停车场。总建筑面积25万m2，商业面积20万m2。商场内共有3个中庭，本次测试对象为西南侧中庭。西南侧中庭占地面积在三个中庭中最大，它位于该商场内部，四面没有玻璃面，中庭顶部有圆形玻璃采光顶；该中庭为开放式中庭，中庭空间直接与四周的功能区相连；中庭的剖面为上下垂直形(矩形)。

1.2 测试方法

笔者于2015年7月27日、7月29日和8月1日3 d对该中庭热环境进行测试，测试时间为当天15时～18时。使用的仪器为热线风速仪、TSI室内空气品质测试仪及红外线温度计，测试仪器如表1所示。测量参数为当天中庭内的风速、温度、相对湿度、CO浓度和CO2浓度共5项。测试过程中，首先测量室外温度，然后选取每层中庭西侧、北侧及南侧的中点共3点对以上5项参数进行测量，并对每层3个点的测量参数求平均值作为该层的测量结果。该商场-2层与地铁口相连，在地铁口处每隔5 m取一点测量以上5项参数，共取3点。顶层的玻璃采光顶用红外线温度计测量其温度。

表1 测试仪器表

2 测试结果与讨论

通过已得到的风速、温度、相对湿度、CO浓度及CO2浓度各天的数据，笔者对中庭各层的5项参数取3 d平均值得到如图1～图5所示的结果，地铁口处各天测量结果如表2所示。此外，所测得的室外温度及顶层玻璃采光顶温度分别为：36.0 ℃，55.0 ℃(7月27日)；40.10 ℃，59.5 ℃(7月29日)；40.5 ℃，60.5 ℃(8月1日)。

表2 地铁口测量结果表

由测量数据可以看出，该中庭的温度、CO2浓度及CO浓度随楼层的升高有较为明显的变化规律。

中庭的温度值随楼层的升高呈递增趋势，从-2层～5层温度整体呈上升趋势，上升幅度为1 ℃左右，6层～8层温度梯度变大，温度升高幅度明显，达7 ℃左右。造成该中庭上部有明显温升的原因，笔者认为具体有以下几点：

1)太阳辐射以短波形式投射到室内，太阳辐射被室内物体吸收从而使室内温度升高，室内物体温度升高后以长波辐射的形式向外发出辐射能。由于玻璃允许短波辐射穿透玻璃，但长波辐射却很难穿过，导致热量积聚在室内，这就是所谓的温室效应。此次测试的中庭，顶部是一个面积很大的玻璃采光顶，其顶部也未设置遮阳设施，所以大量太阳辐射进入室内而无法向外界散出。

2)商场中庭一般较为高大，产生较大的温度梯度，中庭内的空气被加热后温度升高、密度降低，在浮升力的作用下产生上升气流，从而使热量聚集在中庭顶部，让顶层部分的温度升高。

3)该商场-2层～5层均为综合购物区，6层，7层为餐饮区，相较于购物区，餐饮区由于有厨房操作间等的存在会产生更多的冷负荷。餐饮区的人流量也大于购物区，在测试过程中，餐饮区的各餐厅外常有顾客排队等候的现象，大量人员滞留在6层，7层内也是温度升高的原因之一。

CO2浓度的变化规律与温度变化规律相反，整体随楼层升高呈递减趋势，自-2层～5层缓慢递减，6层～8层CO2浓度有明显的下降，下降幅度达270 ppm；CO浓度从-2层～5层随楼层的升高没有明显变化规律，但自6层开始有明显上升趋势，至7层又随着楼层的升高突然下降，直到8层降为整个中庭内的最低值，为0.9 ppm。由于CO2密度大于空气，在重力作用下随着楼层高度的增加CO2浓度缓慢降低，而CO密度与空气相近，所以在6层以下浓度没有明显变化趋势。6层，7层为餐饮区，且餐饮区内某些店铺直接以碳为燃料，所以造成6层，7层CO浓度远高于其他区域。由于该商场在设计初期将7层定位为停车场，开始营业后又将其改为餐饮区，并为7层加装了多联机系统，引入了较多新鲜空气，这是该中庭上部CO及CO2浓度又有明显下降的原因之一。由GB/T 18883—2002室内空气质量标准[7]，室内CO2允许浓度不得超过1 000 ppm，CO则为8 ppm。由测量结果可知，该商场中庭附近CO2及CO浓度未超标。

由于该商场初期设计的空调系统自中庭底部由下向上送风，而后期加装的多联机系统自中庭顶部由上向下送风，这是该中庭风速和相对湿度没有体现出明显变化规律的原因。

3 热舒适分析

室内热环境与室内空气的温度、相对湿度、气流速度及平均辐射温度有关，可以用预测平均评价PMV(Predicted Mean Vote)及预测不满意百分比PPD(Predicted Percent Dissatisfied)来描述。PMV指标代表了同一环境下绝大多数人的感觉，所以可以用来评价一个热环境舒适与否，但是人与人之间存在个体差异，因此PMV指标并不一定能够代表所有人的感觉。为此，用预测不满意百分比PPD指标，来表示人群对热环境不满意的百分数[8]。

PMV方程为：

PMV与PPD之间存在定量关系：

PPD=100-95exp[-(0.033 53PMV4+0.217 9PMV2)]。

本文将测得的空气温度、相对湿度及空气流速代入PMV计算公式，将人员的服装热阻设为0.08 m2·K/W，人员活动量为轻微，平均辐射温度近似取为空气温度，得到3 d内该商场中庭各层PMV及PPD的平均值，如图6,图7所示。

国际标准化组织对PMV指标的推荐值在-0.5～+0.5之间，但目前在我国，一般认为PMV的值在-1～+1 之间可以视为热舒适环境[9]，相当于人群中允许有20%的人感觉不满意。

此次测试无论PMV还是PPD均从6层开始大幅上升：-2层～5层PMV与PPD的取值范围分别为0.8～0.9和17%～25%，6层～8层PMV与PPD的取值范围分别为1.3～2.4和40%～87%；自底层至顶层PMV升高为原来的3倍，而PPD则达到原来的5倍。由以上结论可以看出该中庭上部空间的热环境并不令人满意，存在过热现象。

4 结论

由以上测试结果及分析可知，该中庭-2层～5层热环境较为适宜。而由于该中庭上部采用玻璃采光顶，大量太阳辐射进入中庭内，此外中庭顶部的玻璃采光顶不能开启，不能有效地排除聚集在顶部的热量，导致6层～8层温升幅度过高，热环境不理想。该中庭需要采取有效措施降低其顶部温度。

5 中庭热环境的改善

通过查阅相关资料，笔者为该商场中庭热环境的改善提出以下几点建议：

1)该商场的玻璃采光顶未设置遮阳设施。为了有效遮挡太阳辐射，建议商场安装遮阳设施。遮阳设施分为内遮阳设施和外遮阳设施。外遮阳设施首先会将部分阳光反射，被外遮阳设施吸收了的太阳辐射，会通过对流换热和长波辐射散到室外环境去。

而内遮阳设施向外反射的一部分会被玻璃反射回来，同时其吸收的辐射热会慢慢在室内释放全部成为得热。

鉴于该中庭6层～8层温升可达7 ℃，虽然外遮阳设施有易损坏、易污染及不易清洗等缺点，仍应使用外遮阳设施。

2)该商场中庭的玻璃采光顶不可开启，在顶部周围聚集了大量热量的情况下采用不可开启式的采光顶是不合理的。若不开启玻璃采光顶，中庭内被加热后的空气会聚集在中庭顶部造成温升；若将玻璃采光顶改为可开启式，则可以有效地将聚集在中庭顶部的热气流散发到室外，强化烟囱效应，利用室内空气在垂直方向上的温度梯度强化空气流动，营造更令人满意的室内热环境。

3)除了利用遮阳装置减弱温室效应和开启玻璃采光顶强化烟囱效应外，还可以利用水的蒸发变相来给建筑物降温[10]。该商场中庭的玻璃采光顶可以考虑用淋水的方式来带走玻璃表面的热量。此外，为了保证玻璃表面的美观清洁和室内的采光效果，不使用淋水装置时需要请求专业人员或使用专业设备来给玻璃做定期清洁工作，使用淋水装置后，除了有效降低玻璃表面温度，还可以减少清洗工作量，有一举两得的功效。