公共建筑中庭节能措施探究

罗梁生

(厦门市节能中心 福建厦门 361004)

0 引言

随着经济的发展，各种形态的公共建筑点缀于城市的钢筋混凝土森林中，成为城市中的耀眼明珠。这些公共建筑大量采用“中庭”这一建筑空间。中庭承担着建筑的采光、通风、交通组织、安全疏散等复杂功能。中庭顶部的大量玻璃带了巨大的冷负荷，引起建筑的空调能耗的大大增加。基于此，要求建筑设计师及运营管理者，应积极、主动采取有效的节能措施，以通过中庭带来良好的通风效果来降低空调负荷。本文立足对实地调查的结果，对中庭的节能措施进行探讨。

1 即有建筑中庭存在的问题及节能措施

在《民用建筑设计术语标准》(GB/T 50504-2009)中，建筑中贯通多层的室内大厅为中庭。在现有建筑设计中，多数中庭负担采光通风等功能，顶部均有玻璃屋面。图1为某商场建筑的中庭示意图。

笔者通过对厦门市几十家公共建筑(酒店、商场、写字楼、图书馆等)实地考察及与运营管理者座谈的方式，了解到现有公共建筑的中庭存在以下突出问题：中庭顶层回廊温度过高，室内温度降不下来；人体受到阳光直射，舒适度差。

针对以上问题，最好的办法是外遮阳。因为厦门是台风多发地区，活动用遮阳运用较少。厦门大部分公共建筑采取对中庭顶部天窗贴膜或更换成Low-E玻璃；使用遮光布帘或电动百叶等内遮阳措施；在中庭顶部设排风机；极个别公共建筑采取塑料黑网进行外遮阳；有些建筑采取中庭部分玻璃更换为不透明的材质，或贴上不透明图案来减少阳光直晒；或采取在中庭顶部喷水雾降温措施等。

图1 某商场建筑中庭示意图

2 太阳辐射对中庭的影响及节能措施

在夏季，中庭的天窗使建筑承受巨大的太阳辐射得热，引起空调能耗的大大增加。在《公共建筑节能设计标准》中，对屋顶透明部分的面积比例、太阳得热系数及传热系数均提出了控制性指标，如不满足该标准的要求，应进行权衡计算。

图1为位于福建省龙岩市的一个地上4层、地下1层的多层商业建筑，总建筑面积37 541m2，位于夏热冬暖地区。根据该建筑的负荷计算书，总冷负荷为6502kW,冷指标约为173W/m2，屋面的总面积为15 178m2(含天窗)， 屋顶玻璃天窗面积1249m2，天窗辐射冷负荷407kW,传热冷负荷为23kW，屋面不透明部分总负荷为217kW，屋面总冷负荷为647kW。天窗仅占屋顶面积8.23%，但天窗的辐射冷负荷占整个屋顶冷负荷的64%。减少天窗辐射负荷的最好办法，是减少屋面的透明面积或采取外遮阳措施。沈阳建筑大学图书馆采用拆除部分原有玻璃，替换为压型钢板，在钢板下设置保温层的办法来减少屋顶透明面积[1]。

多数公共建筑在中庭布置内遮光布帘，这样大部分太阳辐射热负荷虽然进入了室内，但内遮光布帘避免了人体受到阳光直射，同时把大部分太阳得热留在中庭顶部。一方面起到了分层空调的效果，另一方面中庭顶部的高温空气可以直接排出室外，使部分热量不进入室内空调区域，降低空调能耗。

为了便于设置外遮阳和内遮阳，中庭透明部分跨度不应太大，方便清洗和维护。笔者见到有个别中庭跨度大的商场，内遮光布帘已经布满厚厚的灰尘。

3 自然通风的节能措施

有中庭的建筑，可以通过合理的建筑布局加上良好开口设计，产生舒适的室内通风效果[2]。当室外空气参数优于室内参数时，良好的自然通风能大大降低空调能耗。自然通风效果的动力来源主要是风压和热压。

3.1 热压

建筑物利用热压来自然通风，利用了热空气上升的原理，即所谓的“烟囱效应”。由于建筑物的内热源和外围护结构得热，使建筑内的空气温度升高，密度变小，热空气上升，空气便从建筑物顶部的开口排出，从建筑物底部的开口进风。

根据式(1)[3]，自然通风口热压引起的通风换气量与开口面积及室内外压差有关。建筑物底部和顶部的开口高差越大，室内外的压差越大。刘轩在《中庭对高层办公建筑室内自然通风影响的模拟分析》[4]中，通过模拟分析，提出通过抬升采光顶出屋面的高度(高出3m)，在顶部侧面四周留有通风开口(高1m)等措施，大大增加了中庭的自然通风量。

(1)

假定建筑的得热量、开口的高差恒定，通风量变化不大时，这时可以室内外的压差变化很小，那么开口的面积越大，通风量越大。公共建筑的中庭近似于赵平歌在《太阳能烟囱增加热压自然通风的计算研究》[5]的太阳能烟囱的模型。该文通过公式分析和软件模拟，得出开口越大，通风量越大的结论。

3.2 风压

室外气流吹过建筑物时，迎风面为正压区，顶部和背风面为负压区。影响风压的主要是室外风的风速和风向。在大型公共建筑的开口设计时，自然进风口应尽量设在主导风向的迎风面，排风口尽量设于建筑物的顶部或背风面，以利用风压达到良好的通风效果[6]。

3.3 增加自然通风的措施

为了达到良好的自然通风效果，除了利用热压和风压，还要优化中庭及开口的布置。通风口尽量靠近中庭，减少通风阻力。采取多个小中庭代替大中庭的方式，使自然通风效果比较均匀。厦门“宝龙一城”商场便采用多中庭，中庭附近设次要出入口来作为通风口，且布置在主导风向的迎风面，与景观相配合，布置了水池等形成微气候，现在过渡季节通风效果非常好。

综上所述，要增强建筑物利用中庭自然通风的效果，可以通过增加中庭开口面积，增大开口间的高差；进风口设在主导风向的迎风面，尽量靠近中庭，排风口设在建筑物的负压区；采用多个小中庭的布置方式等。

4 机械通风的节能措施

4.1 中庭通风控制

在冬天需要采暖时，除了满足人体卫生要求的新风，或者中庭顶部出现温度过高要开启中庭顶部的通风口，其它时候均应保持关闭。在非采暖季，当室外热环境参数(焓值或温度)优于室内时，应尽量加大通风量，当自然通风不满足要求时，应设置机械排风。

当阳光直射中庭顶部，中庭顶部的温度远高于建筑内其它地方的时候，只要室外温度低于此处温度，便应该开启通风口。例如，在空调季节，室外温度为33℃，空调室内温度为26℃时，中庭顶部温度可能高达40℃～50℃。排走中庭40℃～50℃热空气，从首层或其它通风口补充33℃的新风，均有利于节能。

4.2 建筑的风量平衡

空调季节，应注意整栋大楼的风量平衡问题。一方面，公共建筑一般都设有新风系统，使建筑处于微正压状态。此时，从中庭顶部开口自然排风或机械排风，底层自然进风，避免从底层出入口排风。另一方面，现在大型商业建筑存在大量餐饮业态。这些餐饮的厨房灶台的排风量巨大，厨房内部的补风设施开启率不高，导致整栋建筑均处于较大负压状态，无组织进风，而中庭顶部可能也处于进风状态。当中庭顶部温度远高于室外温度时，从中庭顶部进风导致这部分高温空气进入空调区域，增加能耗。此时，应加大整栋建筑的新风量，增加底层出入口的通风面积，或在餐饮集中区设置公共补风设施，使中庭的开口仍处于排风状态。

中庭顶部的可开启外窗，不但可以作为自然排风口，也可以作为自然进风口。当中庭高空取风温度低于底层出入口或新风口的温度时，可利用中庭的外窗自然进风，其它通风口机械排风，利用冷空气自然沉降加大通风量。文献[4]抬高中庭的采光顶出屋面的高度，不仅增加了排风时的热压，加大排风量，在自然进风时也降低了新风的温度。

4.3 中庭顶部开口形式及节能措施

中庭的顶部通风开口，有采用常开风口，可开启外窗及机械通风口3种形式。

常开风口使空调区域和室外直接联通，不利于节能，仅部分较老的公共建筑使用常开风口。为了适合不断变化的室内外空气参数，推荐中庭使用机械排风加可开启外窗，可以适应全年各种通风空调工况。

传统的楼宇自控的温度监测，只监测空调机组的新风口、回风口及室内温度。建议增加监测各自然进风口(含底层出入口、中庭的天窗等)的室外温度和中庭顶部的室内温度，以便于运营管理者根据气温的变化选择性地开启各通风口，有利于节能。

在冬季采暖时，可关闭所有通风口，仅保留满足人体卫生需求的新风；在冬季或过渡季节有制冷需求时，利用室外冷风来降温；在制冷季节中庭温度过高时，开启中庭的机械排风或自然排风；在整个建筑物处于较大正压或负压状态时，加大室外空气参数较优的通风口的通风量。

5 结论

为了更好利用中庭这一上下贯通的空间来降低能耗，增加人体在建筑中的舒适性，在公共建筑的设计和运营管理时应注意以下4点：

(1)应尽量采用多个小中庭代替大中庭的设计；做好中庭采光顶的遮阳措施，适当减少透明玻璃面积，通过各种措施减少阳光直射到人员经过和停留的场所。

(2)适当加大建筑物底层出入口的可开启面积，且出入口宜布置于主导风向的迎风面；适当加大中庭顶部可开启外窗面积，抬高中庭采光顶高出屋面的距离。

(3)中庭顶部宜设机械排风与可开启外窗相结合的通风方式，以灵活适应全年各种通风空调工况。

(4)建议对各自然和机械进风口的室外温度及中庭顶部的室内温度进行监测，作为建筑物各通风口、风机开闭的依据。