中庭形式及天窗面积对空调能耗的影响分析

高旭聪

本文以夏热冬暖地区大型中庭建筑为研究目标，建立核心式、整体式、线型式及接触式四种中庭模型，并在每种中庭形式下建立不同天窗面积比的模型。对不同模型的空调冷负荷及年总耗冷量进行计算并做纵向与横向的对比。分析了中庭冷负荷与中庭太阳辐射得热的相关性，通过线性回归拟合出四种中庭在不同天窗面积比下冷负荷与太阳辐射的线性方程。结果表明核心式中庭设计更节能，相比其他形式最大节能28%；中庭天窗面积比对中庭耗冷量影响很大；中庭冷负荷与中庭太阳辐射得热间存在高度相关性，对于不同的中庭，其判定系数均大于0.8。

中庭的建筑形式广泛应用于现代各类建筑中，其围护结构多为玻璃结构，在冬季可以利用温室效应降低采暖能耗。但在夏热冬暖地区，大量太阳辐射通过中庭玻璃结构进入，热量积聚不利于中庭的空调节能。对于夏热冬暖地区，合理的中庭设计对建筑节能非常重要。衣健光等人对不同气候区中庭天窗性能对办公建筑能耗的影响进行了研究，建议天窗面积比控制在10%以内，指出天窗玻璃性能的优劣特别是遮阳系数对空调能耗影响显著。彭小云对夏热冬暖地区中庭玻璃能耗进行了分析研究，结果表明日射能耗占了中庭总制冷能耗的60%以上，100%玻璃天窗时甚至达到了93.7%，指出夏热冬暖地区中庭最有效的节能措施就是利用遮阳来降低制冷能耗。现行的国家规范对中庭设计未能提出具体的要求或规定，如玻璃天窗面积比的合理范围、玻璃天窗的热工性能及选型等，使得建筑设计人员在设计中很难把握。夏热冬暖地区中庭设计不当还会造成温室效应、空调能耗高、热舒适性差等问题。

中庭设计主要涉及到中庭形式，常见的中庭形式有核心式、整体式、线型式及接触式。

夏热冬暖地区中庭的太阳辐射能耗占有很大比例，与中庭太阳辐射能耗计算相关的参数有中庭天窗面积比、中庭外围护结构部分的窗墙比、玻璃的热工参数、遮阳系数等，这些参数综合作用是反映到中庭单位面积太阳辐射值上。本文以广州市大型中庭建筑为研究对象，采用能耗模拟软件VE的建模计算，分析中庭冷负荷与中庭太阳辐射得热的相关性，通过线性回归拟合出四种中庭在不同天窗面积比下空调冷负荷与太阳辐射得热之间的线性方程。这些方程可用于中庭设计方案比较，建议相关规范中可对不同气候区中庭单位面积太阳辐射得热值进行约束，以控制中庭空调能耗。

一、模型建立

选用模型：单层建筑面积为4800m2，底层中庭面积为1200m2，层高4.5m，共6层，建筑高度27m，总建筑面积28800m2。建立核心式A、整体式B、线型式C及接触式D四种中庭模型，并在每种中庭形式下建立不同中庭天窗面积比的模型，天窗面积比分别取100%，80%，60%，40%，20%，0%，见图1。中庭体积不随天窗面积比而变化，为1200×27=32400m3。图中阴影部分为天窗开窗面积，虚线包围部分为中庭空间。图2为各中庭型式在100%天窗面积时的能耗模拟模型，此时建筑屋面可透明围护结构面积比为33%。

图1 标准化中庭平面图

图2 各中庭型式在100%天窗面积时的能耗模拟模型

围护结构参数按《公共建筑节能设计标准GB50189-2015》要求确定（表1）。外窗和天窗均采用遮阳系数为0.3的双层Low-e玻璃，外墙采用轻质混凝土砖墙。室内设计温度为26℃。照明负荷按11W/m2计算，人员密度按照标准走廊人员密度50m2/人。

表1 外围护结构参数

模型不考虑空调时间，即根据室内设计参数和室外气象参数决定空调的开启来模拟全年逐时冷负荷。由于软件VE的围护结构在时间和空间上均采用有限差分法，节点数量由傅里叶数（Fo）确定，室内空气采用集总参数法，因此不考虑中庭全年温度场分布。

二、不同天窗面积比下中庭耗冷量分析

经过计算可得24个模型的全年逐时动态负荷及年总耗冷量。图3为.A模型在100%天窗面积下的全年逐时动态负荷。

图3 A 模型在100%天窗面积下的全年逐时动态负荷

四种中庭在不同天窗面积下的中庭年总耗冷量、中庭耗冷量占建筑总耗冷量的比例、中庭年耗冷量中太阳辐射所占比例，如图4～6所示。

图4 中庭年总耗冷量

图4可见中庭年总耗冷量由低到高分别是：核心式A＜整体式B＜线型式C＜接触式D。耗冷量最低的A中庭相比耗冷量最高的D中庭，全年可减少26%的冷量。中庭耗冷量约占建筑总耗冷量的比例与中庭天窗面积比相关（图5），接触式D最大约为33%，核心式A最小约为20%，因此中庭是建筑能耗影响很大，不同中庭形式的能耗存在较大差异。中庭年耗冷量中太阳辐射所占比例同样与中庭天窗面积比直接相关（图6），最大约为85%，最小约为20%。天窗面积大的中庭太阳辐射得热大，全年耗冷量大。

图5 中庭耗冷量占建筑总耗冷量的比例

图6 中庭年耗冷量中太阳辐射所占比例

三、不同天窗面积比下建筑耗冷量分析

图7、图8为四种不同中庭在不同天窗面积比下的建筑年总耗冷量和单位面积耗冷量，计算结果表明相同天窗面积下的不同形式中庭的建筑年总耗冷量差别并不大。但随着天窗面积的减小建筑年总耗冷量呈线性减少的趋势，建筑单位面积耗冷量从63降到52kWh/（m2·a），下降17.5%，说明天窗面积比对空调年能耗影响较大。

图7 建筑年总耗冷量

图8 建筑单位面积耗冷量

四、中庭单位面积太阳辐射得热与中庭冷负荷相关性分析

将A中庭模型100%开窗面积下的中庭单位面积太阳辐射得热与中庭冷负荷在制冷季每月的相关性做统计分析，三月、七月、十一月特征月情况如图9所示。并拟合出各个月份的线性回归方程与判定系数R2值，见表2。其中斜率为线性模型中的k，截距为b。从结果可以看出对于A中庭形式，在广州地区，中庭冷负荷与单位面积太阳辐射得热的相关性较大。

表2 A中庭在100%天窗面积下冷负荷与单位面积太阳辐射得热相关性线性拟合数据

图9 A中庭在100%天窗面积下冷负荷与单位面积太阳辐射得热在三、七、十一月的相关性

提取24个模型在八月和九月的逐时冷负荷数据和太阳辐射得热数据，分析可得各模型的中庭冷负荷与单位面积太阳辐射得热的散点图，因篇幅限制，本文仅列出A模型在不同天窗面积比下的中庭冷负荷与单位面积太阳辐射得热的散点图（图10）。其他模型的拟合数据见表3。

从图10可以看出，随着天窗面积的减小，中庭冷负荷与单位面积太阳辐射得热的相关性也减小。分析表3可以发现，100%天窗面积下中庭模型的判定系数由低到高分别是：A＜C＜B＜D。横向对比可见，随着天窗面积的减小判定系数减小，即相关性减小。

图10 A中庭在不同天窗面积下冷负荷与单位面积太阳辐射得热的相关性

表3 不同中庭形式在不同的天窗面积下冷负荷与单位面积太阳辐射得热相关性线性拟合数据

五、结论

1.广州地区核心式的中庭设计更节能；天窗面积比一定时，其中庭年耗冷量、中庭耗冷量占建筑总耗冷量的比例、中庭年耗冷量中太阳辐射所占比例、建筑总耗冷量、建筑单位面积耗冷量在四种中庭形式中均最小。

2.中庭形式一定时，随着中庭天窗面积的减小，中庭年耗冷量，建筑年耗冷量，建筑年单位面积耗冷量会线性减小。中庭耗冷量所占建筑耗冷量比例以及太阳辐射得热占中庭耗冷量的比例会呈二次曲线加速减小；中庭天窗面积比对中庭能耗影响很大。

3.无论何种形式的中庭，中庭单位面积太阳辐射得热与中庭冷负荷相关系数r均d≥0.8，属于高度相关。因此在中庭设计中应控制中庭单位面积太阳辐射得热值以控制中庭空调能耗。

4.本文通过回归得到不同中庭形式、不同天窗面积比下中庭冷负荷与单位面积太阳辐射得热间的线性方程，可用于中庭方案设计比较。