上海某高层绿色办公建筑中庭夏季热环境优化分析

张丽娜（上海市建筑科学研究院有限公司， 上海 200032）

建筑学上的中庭指建筑物内部的有顶庭院，其强调垂直方向上的贯通[1]。中庭是当代建筑中常见的空间形式，是解决大体量、大进深建筑采光不足、通风不畅等问题的有效方式[2]。由于其具有良好的融合内外部环境的空间特色，可用来营造恢宏气派或自然和谐的空间氛围，因此越来越多的设计师在高品质的绿色办公建筑设计时采用中庭。中庭建筑的常见形式有核心式、整体式、线型式和接触式等[3]，如图 1所示。

图1 中庭建筑的常见形式[3]

中庭空间属高大空间，热环境较为复杂，主要受“温室效应”和“烟囱效应”影响。当中庭顶部采用透明围护结构时，会引入大量的太阳辐射得热到室内，“温室效应”显著；同时，中庭的竖向温差会造成上下部的热压差，进而引起垂直方向上的空气流动，形成“烟囱效应”[4-6]。目前国内外学者通过现场实测和数值模拟对中庭热环境进行了大量研究[6-9]，其研究多聚焦于常见的核心式中庭，缺乏线型式中庭的热环境研究分析。

本文针对上海市某高层绿色办公建筑，采用 IES-VE 软件对中庭得热和气流组织进行联合模拟，分析当前设计中庭夏季热环境的问题，并针对存在的问题提出合理的改善建议。

1 建筑概况

该建筑位于上海市，建筑由塔楼和裙房组成，其中塔楼建筑地上 13 层，地上总建筑面积 117 782.8 m2，主体朝向南偏东 23.9°，属于高层办公建筑。建筑基座呈不规则多边形，建筑外立面为幕墙系统，形状如图 2 所示。线型式中庭贯穿整栋建筑，高 59.95 m，形状不规则，剖面为矩形。该建筑为中国绿色三星标识建筑。

图2 建筑效果示意图

1～3 F 主要功能空间为商业，4～13 F 为大空间办公区域。4～12 F 每层层高 4.3 m，13 F 层高 4.5 m。中庭顶部采用玻璃天窗，天窗总面积约为 1 200 m2。建筑主要功能区域为大空间办公室，每层功能空间用隔墙隔断为封闭空间，每层的走廊区域距离中庭边界 2.8 m，如图 3 所示（以顶层13 F 为例）。

图3 顶层 13 F 平面示意图

2 模拟计算

采用 IES-VE 软件，分析计算夏季典型日建筑外表面的太阳辐射得热情况，并将计算得到边界条件导入到 IES-VE软件 CFD 模块进行气流组织分析。

2.1 分析模型

为避免计算区域过大，将中庭及与之相连通的走廊作为计算区域，4～13 F 的办公区域与中庭有隔断，不作为计算区域。模型根据暖通设计图纸及其他相关资料建立。在保证模拟结果可靠性的前提下，对中庭空间进行了适当简化和假设[9]。对于墙体壁面、地面和天花板区域采用了边界层网格，同时对于风口区域的局部网格进行了加密处理。分析模型如图 4 所示。

图4 分析模型图

为了分析当前设计下，夏季中庭开空调与屋顶开窗的必要性。本研究设置了3 个模拟工况，如表 1 所示。

表1 模拟工况设置

2.2 边界条件

中庭玻璃幕墙及顶部采光天窗接收太阳辐射。因中午12：00 太阳辐射最强、太阳高度角最大，故通过 IES-VE SUNCAST 组件（用于分析太阳辐射得热）计算夏季典型日中午 12:00 的中庭壁面的太阳辐射得热情况，并将得到的结果作为边界条件导入到 CFD 模块进行计算。边界条件设置如表 2 所示。

表2 边界条件设置

3 模拟结果分析

3.1 工况 1：无空调＋屋顶不开窗

在无空调无开窗的夏季工况下，中庭内部温度不断升高，在迭代到 2 000 步时，中庭内部温度为 38～52 ℃，其中，顶层接近屋顶部分的温度更是达到 50 ℃。在没有通风和制冷措施，且不考虑相邻空调房间的热传导时，中庭相当于一个玻璃壳子包裹的“温室”，导致中庭温度过高，即使中庭底部人行区温度都高于室外温度，室内热环境也极不舒适。因此，在上海市夏季典型气象条件下，中庭设计时需进行空调设计，同时应结合气流组织进一步分析优化中庭热环境。

3.2 工况 2：有空调＋屋顶不开窗

在有空调无开窗的夏季工况下，模拟结果如图 5 和图6 左列所示。中庭的垂直温度分层如图 5（a）、5（b）所示，在该垂直温度分层中，中庭内部温度为 20～38 ℃，走廊区域温度为 18～35 ℃；中庭顶层温度分布如图 5（c）所示，13 F 人行区 1.5 m 中庭内部温度为 33～35 ℃，走廊温度在 32 ℃ 左右；中庭屋顶处温度分布如图 5（d）所示，温度在 38 ℃ 左右。中庭风速分布情况如图 6 所示。由图 6（a）、图 6（b）左列可知，在有空调无开窗的夏季工况下，中庭内部及走廊处风速较为均匀，除正对风口处外，95% 以上的区域风速在 0.3 m/s 以下。

图5 工况 2、工况 3 中庭温度分布对照图

图6 工况 2、工况 3 中庭风速分布对照图

分析原因，由于中庭顶部有大面积的采光天窗，顶层接受的太阳辐射热量无法排出，热量积聚在上空，造成中庭顶部温度过高。受此影响，顶层走廊人行区域虽有空调制冷，温度仍然超出舒适区间。

3.3 工况 3：有空调＋屋顶开窗

在有空调屋顶开窗的夏季工况下，模拟结果如图 5 和图6 右列所示。中庭的垂直温度分层如图 5（a）、5（b）所示，在该垂直温度分层中，中庭内部温度为 20～32 ℃，走廊区域温度为 18～30 ℃；中庭顶层温度分布如图 5（c）所示，13 F 人行区 1.5 m 中庭内部温度为 27～33 ℃，走廊温度在 27 ℃ 左右；中庭屋顶处温度分布如图 5（d）所示，温度在 28 ℃ 左右。由图 6 右列 可知，在有空调屋顶开窗的夏季工况下，中庭内部及走廊处风速较为均匀，除正对风口处外，风速略大于工况 2，90% 以上的区域风速在 0.3 m/s以下。

由于屋顶窗户开启后，顶层接受的太阳辐射热量可以排出，与工况 2 对比，中庭整体温度和顶部温度降低显著，约降低 2～6 K，顶层走廊人行区域温度也降低至舒适区间范围。同时屋顶开启窗对整个中庭内部的气流具有积极的影响，可带动整个中庭内部的气流，因此顶部走廊区域风速略大于工况 2 的风速，在温度偏高的情况下，风速适当增大可营造出更为舒适的室内热环境。

3.4 优化方案分析

由上述分析可知，在当前设计下中庭温度偏高，主要原因为中庭接受的太阳辐射量过大，中庭不断被加热，进而导致中庭内部温度升高。在不改变当前空调设计的情况下，中庭热环境的优化主要从减少中庭的太阳辐射得热量和将中庭的高温空气排出 2 方面入手。主要的建议措施有：① 设置屋顶外遮阳；② 设置屋顶内遮阳＋排风；③ 采用彩釉玻璃；④ 将顶层活动区和中庭分隔开。

各种方案的优缺点如表 3 所示。

表3 不同优化措施对比分析

外遮阳的遮阳设施设置于玻璃的室外侧，可以在太阳辐射达到采光顶玻璃前把其遮挡在外。内遮阳的遮阳设施设置于玻璃的室内侧，能够阻挡部分的太阳辐射，因热量已经大量进入了中庭顶部，并产生温室效应，实际遮阳效果较外遮阳差。因此，采用内遮阳时，建议通过配合自然通风或机械排风的方式将中庭顶部的热量排出。

将顶层活动区和中庭通过玻璃等围护结构进行分隔，可以减少冷量在中庭的散失。设计方案的修改，可在方案设计前期予以考虑，到了设计后期，如非特殊情况，不建议做改动。

综上优化方案对比分析，从遮阳效果来看，外遮阳为最佳方案。条件允许时，优先采用外遮阳方案；实际项目从经济性和便于运维的角度出发，则多采用内遮阳＋排风的方式。

结合该项目自身特点，分析后采用外遮阳和彩釉玻璃，中庭玻璃幕墙综合遮阳系数控制 0.30～0.35、透明屋面综合遮阳系数控制在 0.2～0.3，并配合屋顶排风措施，可使得中庭室内热环境处于较舒适的温度区间。

4 结 语

随着中庭被越来越多的设计师运用在公共建筑中，中庭热环境优化分析工作日趋成为设计阶段的一项重要工作。本文采用 IES-VE 软件对上海市某高层办公建筑的中庭热环境进行了模拟分析，并针对存在的中庭顶部温度过高的问题，提出并对比分析了屋顶外遮阳、内遮阳＋排风、彩釉玻璃等几项优化措施。线型中庭因与外界接触面积较大，夏季受太阳辐射影响显著，其中庭热环境将面临更大挑战。中庭设计时透明屋面建议采用外遮阳或内遮阳＋排风的方式来减弱夏季太阳辐射的影响作用，并结合 CFD 气流组织分析进一步优化中庭热环境，提升中庭顶层的热舒适性。