不同气候区中庭布局和朝向对办公建筑负荷和能耗的影响

乔正珺（上海市建筑科学研究院有限公司， 上海 200032）

中庭设计由于能够显著改善建筑室内自然采光，同时带来良好的视野，被广泛应用于现代办公建筑和商业建筑。根据建筑的外观形态、设计需求和气候特征，建筑采用的常见中庭平面形式包括核心式、嵌入式、通廊式、外廊式等。不合理的中庭设计会显著影响建筑全年的制冷制热能耗，且会影响建筑内的自然采光设计。因此，根据建筑所在气候区的不同，因地制宜的设计建筑中庭，对于降低建筑制冷制热能耗、改善建筑室内光环境，有着重要的意义。

针对不同光气候区气候特征的中庭设计策略已经有了广泛的研究和关注。刘宏成等[1]对夏热冬冷地区的生涯中庭生态设计策略进行了探讨。彭小云等[2]也对夏热冬冷地区中庭玻璃选型对于建筑能耗影响进行了研究和分析。侯寰宇等[3]对寒冷地区中庭空间的低能耗设计策略进行了探索。杨修等[4]对夏热冬暖地区的中庭节能设计策略进行了研究。苏梅龙等[5]研究了南京地区不同中庭平面布局尺寸比例以及幕墙朝向对办公建筑自然采光系数、全年自然采光满足率、天然采光照明节能率、室内照度全年满足率的影响。吕帅等[6]研究了深圳地区圆形中庭和方形中庭的中庭面积、贯穿层数、平面比例等形体参数对其天然采光性能的影响。

目前对中庭设计对建筑全年能耗和采光的影响主要集中于各个气候区和不同城市的研究，对于不同气候区的综合对比研究相对较少。本文主要选取典型办公建筑，采用参数化建模和分析方法分析不同气候区典型城市，不同中庭平面布局和朝向对于建筑冷热负荷、建筑能耗以及全年动态采光的影响，研究不同气候区适应的中庭布局设计策略。

1 模型研究

1.1 计算模型

本文选取典型的 40 m×40 m 的公共建筑为研究对象，建筑地上 8 F，总高度 32 m。采用 Rhino Grasshopper 参数化建模软件建立不同中庭布局的典型办公建筑分析模型。本文使用 Grasshopper 建立不同中庭形式的建筑模型后，通过 Grasshopper 平台的建筑性能分析插件 Honeybee 设置建筑围护结构参数和内扰参数，并计算建筑的全年冷热负荷。同时，利用 Honeybee 设置建筑内表面反射比和玻璃透光率，并计算建筑一层的全年动态采光结果。最后，利用 Grasshopper 平台的数据输出插件 Colibri 实现对输入参数的批量调整以及全年冷热负荷和建筑能耗的批量输出。Honeybee 插件的能耗和采光计算是基于 OpenStudio 和Daysim 开发的能耗负荷计算和采光计算功能。

1.2 参数设置

选取严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区的 4 个典型城市。即哈尔滨、北京、上海、广州，各个城市气象参数选取 CSWD 气象数据文件。模型室内内扰参数、空调供暖供冷温度、运行时间表，选取 GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》附录对于办公建筑的参数进行设置。不同气候分区典型城市围护结构设置如表 1 所示。采光参数设置，包括模型外墙、屋面和地板的内表面反射比，以及外窗和内窗的透光率设置如表 2 所示。

表 1 不同气候分区典型城市围护结构设置

表 2 不同气候分区反射比和透光率设置

1.3 分析工况

为了研究不同中庭平面布局对于不同气候区建筑全年制冷制热负荷的影响，本文主要分析 8 种不同工况 14 m×14 m 的嵌入式中庭，中庭侧面为玻璃幕墙，顶部不设置天窗。分析工况主要研究不同中庭朝向对于建筑全年负荷的影响，主要包括西南侧、南侧、东南侧、东侧、东北侧、北侧、西北侧、西侧 8 种嵌入式中庭平面布局工况。分析模型工况如图 1 所示。

图 1 不同中庭平面布局分析模型工况

2 结果与讨论

2.1 负荷和能耗

本文主要研究不同气候区中庭平面布局对于建筑全年负荷以及全年能耗的影响。在计算建筑全年冷热能耗时，为了减小不同气候区的差异，不同气候区制冷系统 COP 统一设置为 4.2，制热系统效率统一设置为 0.82。计算不同气候区不同中庭平面布局工况下，建筑的全年累计冷热负荷和建筑全年冷热能耗。严寒地区哈尔滨不同中庭布局建筑全年累计制冷和制热负荷如图 2 所示。

图 2 严寒地区哈尔滨不同中庭布局建筑全年累计制冷和制热负荷

对于严寒地区的典型城市哈尔滨而言，根据建筑全年累计冷热负荷结果，影响严寒地区建筑全年负荷的主要是建筑的热负荷，建筑全年冷负荷远小于建筑全年热负荷。分析和对比全年制冷负荷计算结果可知，北向嵌入式中庭全年冷负荷最小，西南向嵌入式中庭全年冷负荷最大；南向嵌入式中庭全年热负荷最小，西北向嵌入式中庭全年热负荷最大。

分析全年冷热能耗可知，南向嵌入式中庭的全年能耗最小，其次为东向和西向嵌入式中庭。相对于南向嵌入式中庭，东向和北向嵌入式中庭全年能耗分别增加 0.54% 和1.39%。不同朝向的嵌入式中庭布局，对于全年能耗的影响，相对于南向增加 0.54%～5.42%。在严寒地区东北朝向、西南朝向和西北朝向的嵌入式中庭平面布局，建筑全年能耗相对较大。寒冷地区北京不同中庭布局建筑全年累计制冷和制热负荷如图 3 所示。

图 3 寒冷地区北京不同中庭布局建筑全年累计制冷和制热负荷

分析和对比寒冷地区典型城市北京的全年累计冷热负荷结果可知，北向嵌入式中庭全年冷负荷最小，西南向嵌入式中庭全年冷负荷最大；南向嵌入式中庭全年热负荷最小，西北向嵌入式中庭全年热负荷最大。

分析全年冷热能耗可知，南向嵌入式中庭的计算全年能耗最小，其次为东向和西向嵌入式中庭。相对于南向嵌入式中庭，北向和东向嵌入式中庭全年能耗分别增加 0.36%和 1.54%。不同朝向的嵌入式中庭布局，对于全年能耗的影响，相对于南向布局增加 0.37%～7.91%。在寒冷地区东北朝向、西北朝向和西南朝向的嵌入式中庭平面布局，建筑全年能耗相对较大。夏热冬冷地区上海不同中庭布局建筑全年累计制冷和制热负荷如图 4 所示。

图 4 夏热冬冷地区上海不同中庭布局建筑全年累计制冷和制热负荷

分析和对比夏热冬冷地区的典型城市上海的全年累计制冷制热负荷可知，北向嵌入式中庭全年制冷负荷最小，西南向嵌入式中庭全年制冷负荷最大；南向嵌入式中庭全年制热负荷最小，西北向嵌入式中庭全年制热负荷最大。

分析全年冷热能耗可知，南向嵌入式中庭的全年能耗最小，其次为北向和东向嵌入式中庭。相对于北向嵌入式中庭，东向和南向嵌入式中庭全年能耗分别增加 0.06% 和0.69%。不同朝向的嵌入式中庭布局，对于建筑全年能耗的影响，相对于南向布局增加 0.06%～7.38%。在夏热冬冷地区，东北朝向、西南朝向和西北朝向的嵌入式中庭平面布局，建筑的全年冷热能耗相对较大。夏热冬暖地区广州不同中庭布局建筑全年制冷制热负荷如图 5 所示。

图 5 夏热冬暖地区广州不同中庭布局建筑全年制冷制热负荷

分析和对比夏热冬暖地区的典型城市广州的全年累计制冷制热负荷可知，北向嵌入式中庭全年制冷负荷最小，西南向嵌入式中庭全年制冷负荷最大；南向嵌入式中庭全年制热负荷最小，西北向嵌入式中庭全年制热负荷最大。

分析全年冷热能耗可知，北向嵌入式中庭的全年能耗最小，其次为东向和南向嵌入式中庭。相对于北向嵌入式中庭，东向和南向嵌入式中庭全年能耗分别增加 0.55% 和2.50%。不同朝向的嵌入式中庭布局，对于全年能耗的影响，相对于北向布局增加 0.55%～4.06%。在夏热冬暖地区，东南朝向、西北朝向和西南朝向的嵌入式中庭平面布局，建筑的全年冷热能耗相对较大。

2.2 全年动态采光

在不同布局和朝向中庭工况下，研究不同气候区的全年动态采光效果，计算中庭周边建筑一层的全自然采光百分比 sDA(300,50%)。sDA(300,50%) 为全年工作时间中单独依靠自然采光就能达到最小照度 300 Lx 要求的时间百分比达到 50%，分析各个气候区中庭周边建筑一层满足sDA(300,50%) 的自然采光面积比例。

分析和对比不同平面布局工况不同气候区中庭周边建筑一层满足全年动态采光百分比 sDA(300,50%) 的面积比例。对于严寒地区哈尔滨，南向中庭满足 sDA(300,50%) 的面积比例最高，达到了 61.54%，东北向中庭满足 sDA(300,50%)的面积比例最低，为 54.58%。对于动态采光效果相对较好的南向、西向、北向和东向，面积比例相差在 6.77%；对于动态采光效果相对较差的东南、西南、西北和东北，面积比例相差在 1.97%。

对于寒冷地区北京，南向中庭满足 sDA(300,50%)的面积比例最高，达到了 65.37%，东北向中庭满足sDA(300,50%)的面积比例最低，为 58.34%； 对于动态采光效果相对较好的南向、西向、北向和东向，面积比例相差在 3.89%；对于动态采光效果相对较差的东南、西南、西北和东北，面积比例相差在 1.72%。

对于夏热冬冷地区上海，南向中庭满足 sDA(300,50%)的面积比例最高，达到了 72.17%，东北向中庭满足sDA(300,50%) 的面积比例最低，为 55.93%； 对于动态采光效果相对较好的南向、西向、北向和东向，面积比例相差在 3.27%；对于动态采光效果相对较差的东南、西南、西北和东北，面积比例相差在 1.06%。

对于夏热冬暖地区广州，南向中庭满足 sDA(300,50%)的面积比例最高，达到了61.61%，东南向中庭满足sDA(300,50%) 的面积比例最低，为 55.82%。对于动态采光效果相对较好的南向、西向、北向和东向，面积比例相差在 0.72%；对于动态采光效果相对较差的东南、西南、西北和东北，面积比例相差在 0.83%。对于不同气候区典型城市，南向、东向、西向、北向中庭的采光效果普遍好于西南、东南、西北和东北向中庭。南向、东向、西向、北向中庭对于周边大进深空间的自然采光改善效果较好。不同气候区满足 sDA(300,50%) 的面积比例，根据中庭布局和朝向的不同，最高值和最低值相差在 9.4%～11.32% 范围之间。室外自然光条件较差的严寒地区城市哈尔滨，全年动态采光结果和中庭平面布局的敏感度相对较高；室外自然光条件较好的夏热冬暖地区城市广州，全年动态采光结果和中庭平面布局的敏感度相对较低。具体如图 6 所示。

3 结 语

本文利用参数化建模和分析软件，能够便捷和快速地对计算模型几何形状和分析输入参数进行调整，并且能够批量化的输出不同输入参数和输入条件下的计算和分析结果。本文利用 Grasshopper 参数化建模和 Honeybee 参数化计算分析模型，分析了严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区不同气候区的 4 个典型城市里，不同平面形式嵌入式中庭对建筑全年能耗和全年动态采光的影响，得到结论主要如下。

（1）对于不同气候分区的典型城市，地理和气候因素对于不同中庭平面布局形式的建筑全年累计制冷负荷和全年累计制热负荷影响较小，建筑全年制冷和制热负荷主要受到中庭朝向的影响。对比不同气候区的全年累计制冷负荷，北向嵌入式中庭全年制冷负荷最小，西南向嵌入式中庭全年制冷负荷最大。对比不同气候区的全年累计制冷负荷，南向嵌入式中庭全年制热负荷最小，西北向嵌入式中庭全年制热负荷最大。

（2）对于不同气候分区的典型城市，中庭平面布局的位置和朝向对于建筑全年能耗有一定影响。对于严寒地区、夏热冬暖地区的典型城市哈尔滨和广州，不同位置和朝向中庭对于建筑全年能耗的相对影响范围较小，在 0.20%～5.40% 之间。对于寒冷地区和夏热冬暖地区的典型城市北京和上海，不同位置和朝向中庭对于建筑全年能耗的相对影响范围，较于寒冷和夏热冬暖地区的典型城市哈尔滨和广州较大，在 0.10%～7.30% 之间。

（3）在考虑建筑节能需求时，对于严寒和寒冷地区，嵌入式中庭设计建议优先考虑南向、东向和西向。对于夏热冬冷和夏热冬暖地区，嵌入式中庭设计建议优先考虑北向、东向和南向。在进行中庭设计时，同时还应结合建筑实际采光需求，对嵌入式中庭的平面布局和形式进行权衡设计和考量。

（4）在考虑自然采光需求时，气候和地区因素对于动态自然采光的影响相对较小，嵌入式中庭设计建议优先考虑南向、东西和西向中庭设计。室外自然光条件较差的严寒地区城市哈尔滨，全年动态采光结果和中庭平面布局的敏感度相对较高。室外自然光条件较好的夏热冬暖地区城市广州，全年动态采光结果和中庭平面布局的敏感度相对较低，在中庭设计时可以根据需求，调整中庭采光设计策略。