夏热冬暖地区公共建筑的高大中庭气候适应性设计*——以广州新华学院图书馆为例

王 静，李蓉庭，张振辉

引言

近年来，随着我国建筑业的持续发展，高大空间类建筑面积总量不断增加。由于高大空间类建筑的大尺度室内空间特征及大功率机械设备，导致其单位面积能耗普遍高于普通公共建筑[1]。在夏热冬暖地区，由于长期高温高湿的气候特征，高大空间类建筑中的高大中庭空间在夏季和过渡季易形成温室效应，并加大空调能耗和恶化室内热舒适性。

为降低建筑能耗并提升室内热舒适性，高大中庭设计中通常采用“被动优先、主动优化”的绿色设计策略，即优先采用被动式设计，为主动式技术的高效利用提供一个良好的基础，在极端情况下，有限度地采用经过优化地主动式技术，从而全面覆盖人的舒适区间，最大限度地减少资源和能源消耗[2]。但在实际设计过程中，主动式设计与被动式设计的转换存在转换时间与方式不明确的问题。因此如何把控设计中主被动式设计的占比，合理利用过渡季自然通风，减少空调系统开启时间，从而减少能耗和运行费用，成为高大中庭设计的难点之一。

1 高大中庭的空间特征与研究背景

1.1 高大中庭的空间特征

高大空间类建筑特指高空间、大跨度的集中性空间建筑，例如高校图书馆、大型商业类建筑、大空间体育类建筑等[3]。高大中庭指高大空间类建筑中的中庭空间。高大中庭的空间特征包括：（1）跨度大、高度高、垂直温度梯度大[4]。在高大中庭内部由于建筑内热气流运动规律，大量热空气会从中庭底部流动至顶部，形成垂直温度分层。并且随着空间高度的增加，温度分层现象变得更加突出。同时，温度分层现象会导致空调区与非空调区有明显的热流分层，成为影响高大中庭运行能耗的重要因素。（2）高大中庭四周边界面积与地面面积之间的比值比较大，内部空间容易受到外界环境影响。（3）高大中庭体积大，人均占有空间体积大，换气次数小。

1.2 夏热冬暖地区高大中庭的研究背景

高大中庭最初主要关注基本的功能与美学需求，用以提供开放性、社交性和美化建筑内部的功能。20 世纪80、90 年代，随着可持续建筑的发展，建筑师开始重视夏热冬暖地区高大中庭的气候适应性设计，探索高大中庭空间形态与机械设备辅助设计，充分利用自然通风降低建筑能耗。香港汇丰银行大厦中庭空间便充分利用“烟囱效应”，通过自然通风将底层湿气与废气排出，有效减少空调与机械通风的使用时间。

21 世纪以来，建筑师尝试采用计算机模拟技术，对夏热冬暖地区高大中庭的被动式与主动式设计策略展开研究。通过量化被动式设计节能效果，加大被动式设计角色效果，最大限度节约建筑能耗。例如，广州移动通信枢纽楼方案设计中通过体型系数控制、中庭空间组合设计等被动式设计策略，采用热舒适度、流体力学和动态热模拟等多种技术，有效保障中庭热舒适性并节约空调能耗[5]；广东药学院体育馆通过CFD 软件模拟与实测验证被动式设计的效果，表明被动式设计可以有效提高观众区自然通风风速，改善舒适度[6]；针对夏热冬暖地区高大中庭过渡季节能，广州番禺图书馆中庭设计中通过模拟分析对比自然通风与空调通风系统联动控制的室内热舒适环境，提出室内热环境舒适度最高的系统控制方案，进一步降低过渡季空调能耗[7]。

2 夏热冬暖地区高大中庭气候适应性设计重点

2.1 主动式与被动式设计切换过程中的矛盾性

夏热冬暖地区高大中庭受到传统民居建筑“开放式的通风文化”[8]的影响。基于该地区高温高湿、太阳辐射强等气候特征，传统民居建筑采用架空层、深挑檐等被动式设计策略来遮阳和引导通风。在高大中庭设计中，建筑师则尝试通过开放中庭气候边界和设置导风遮阳构件，调控中庭风环境。比如在珠海横琴保利中心方案中，中庭垂直贯通公共空间并直接与室外露台相连，通过外遮阳板及空中露台引导自然风充分有序的进入楼体办公空间，实现建筑主体散热[9]。

但在夏季或过渡季中的极端气候下，高大中庭的被动式设计策略往往无法完全满足使用者的热舒适性要求。这是因为被动式设计策略需要一定弹性幅度来适应舒适度的要求，并在外界环境没有极端严苛的情况下才能较大程度上满足人们的需求。当温度及湿度过高，超过中庭被动式设计调节阈值时，就需要引入主动式技术进行调节。此外，实际工程实践经验表明，当采用空调等主动技术调节时，开放的中庭气候边界和流动的高大空间环境意味着大量能源消耗。为确保空调的运行，建筑中所有开口都必须关闭以维持室内冷却除湿的空调，开放的围护结构由此变成累赘。因此，夏热冬暖地区高大中庭存在不同季节时段是否开启空调的矛盾，这种矛盾主要体现在被动式技术与主动式技术切换的过程中。

2.2 人体的舒适性是气候适应性设计的出发点

气候适应性设计以满足人体舒适性要求为出发点，研究人行为方式与气候的互动关系。Olgyay[10]在《设计结合气候：建筑地方主义的生物气候研究》中表示，人体生物舒适感应作为设计的出发点，同时建筑设计应遵循 “气候一生物一设计”的过程，反映出空间设计与气候的匹配关系是以人的舒适为纽带，人体在室内对气候环境的感受是空间设计和环境调控的内驱力。

气候适应性设计侧重于通过被动式的手段，最大化获取室内舒适环境并减少设备的使用，从而节约能源。因此在高大中庭的气候适应性设计中，可以通过加大被动式设计的角色效果，进而减少主动式设计占比，通过加强被动式设计来延长高大中庭内人体舒适的时间，增加室内非空调时间，从而减少空调的运行能耗。

3 夏热冬暖地区高大中庭气候适应性设计优化策略

总体被动式设计策略的加强，主要围绕着中庭气候界面设计和季节性的调控策略两方面展开。中庭气候界面设计是在方案设计阶段，通过对中庭气候界面的开启口位置及大小进行设计调整，利用自然通风降温除湿。季节性的调控策略是在建筑运营阶段，针对不同季节与时段，制定不同室内环境的调控措施。

3.1 中庭气候界面设计

夏热冬暖地区在不采用空调系统的情况下建筑室内外温差较小，热压效果不明显，因此高大中庭通常采用风压通风为主，热压通风为辅，风压通风与热压通风相互补充的自然通风方式。为满足室内热环境舒适度要求，设计要根据气候条件合理设置中庭通风口位置和大小，调控室内不同功能区域的风速大小。当外界风速较高时，调节开口开度来减小通风量；当外界风速较小时，扩大开口来增加通风量，或利用热压通风，在建筑顶部和底部设置通风口。例如，在深圳信息职业技术学院科技楼方案设计中，中庭整体采用“多风道空心结构”，设置多个空中花园来形成自然风的通道（图1）。建筑根据主导风走向设置通风出入口方向；将入口放在低楼层、出口放在高楼层，让自然风结合热压的上升趋势；再让入口宽大、出口窄小，强化导风效果[11]（图2）。

图1 深圳信息职业技术学院科技楼外立面

图2 深圳信息职业技术学院科技楼通风剖面示意图

3.2 季节性的调控策略

由于夏季室外气温较高，中庭顶部空气受到太阳光的照射升温，温室效应加剧，室内热舒适度较差，因此高大中庭在夏季大部分时间采用空调机械降温；冬季中庭空间密闭，内部的空气被阳光加热可实现升温的目的，基本可以在不开启空调的情况下满足室内热舒适性要求；过渡季中庭适宜采用主被动结合的通风策略，通过分时段和分区的调控来强化自然通风效果[12]，改善室内热环境舒适度，从而减少过渡季空调使用天数。例如，在广州珠江电厂办公业务综合楼设计中，中庭和侧庭共同形成一套被动式气候调节系统（图3）。夏季关闭所有侧庭及走廊界面，功能房间及走廊开启空调；过渡季打开侧庭及走廊界面，采用自然通风改善室内的热环境舒适度[13]（图4）。

图3 广州珠江电厂办公业务综合楼外立面

图4 广州珠江电厂办公业务综合楼过渡季通风剖面示意图

4 广州新华学院图书馆中庭气候适应性设计案例

4.1 项目概述

广州新华学院图书馆项目位于广东省东莞市麻涌镇，项目总建筑面积66186.66 m2，设计高度55.45 m，地上11 层，地下1 层。研究对象为建筑1～8 层的核心式共享中庭，中庭顶部为玻璃可通风天窗。高大中庭空间构成了图书馆的核心共享学习空间体系，具有交流，学习，休憩，交通等多种功能。

4.2 设计难点与目标

在该项目中庭优化设计中存在调控热舒适范围大，时间长等难点。中庭是开敞式的过渡空间，各层的学习空间和中庭相互连通，因此所需满足人体热舒适要求的空间区域多、范围大。高校图书馆开放时间长，中庭空间不间断时间使用，因此所需调控热舒适的时间较长。

为尽可能满足室内热舒适性要求并节约能源，设定了以下目标：首先，中庭环境需要在各季节满足使用者舒适性要求。根据《民用建筑室内热湿环境评价标准》中第5 章“非人工冷热源热湿环境评价”中的计算法评价，室内平均热感觉指标并至少满足Ⅱ级评价等级（-1 ≤APMV ≤-0.5 或0.5 ＜APMV ≤1）；根据陈慧梅等人对湿热地区自然通风建筑的测试调研结果，湿热地区热舒适中性温度为28.1℃，自然通风建筑可接受的热环境温度上限为29.7℃[14]，由此该项目室内主要人员活动区域热舒适温度不宜超过29.7℃；根据《绿色建筑评价标准》GB/T50378-2019 对公共建筑室内自然通风的要求，过渡季典型工况下主要功能房间平均自然通风换气次数不少于2次/ h的面积比例宜达到70%及以上。其次，延长过渡季使用者舒适的时间，增加非空调期的时长。通过改善过渡季中庭自然通风状况，适当提升室内风速来提高室内设计环境温度，以达到减少空调开启的时间。

4.3 优化设计思路

优化团队1）以典型气候为设计依据，分析可自然通风月份与满足室内热舒适度的时间，并对中庭的气候边界进行优化设计，提出季节性的调控策略。设计结合模拟软件分析验证并反馈设计，以满足中庭的热舒适要求并延长热舒适时间，从而降低空调使用能耗（图5）。

4.4 高大中庭界面设计优化

4.4.1 自然通风月份选取与室内热舒适度计算

东莞属亚热带季风气候，年平均气温为23.6 ℃，年较差仅为14.3℃，终年气温较高。一年中最热的月份是7 月，月平均气温达29.8℃。最冷月为1 月，月平均气温为15.3℃。由于EnergyPlus 平台缺少东莞天气数据，通过气候数据的对比分析，发现东莞与广州的气候条件相似，因此采用广州CSWD 气候数据作为可自然通风月份的模拟条件。

通过全年焓湿图发现在4～10 月份逐时数据点（黑点）大部分能落在自然通风区域（蓝色色块）范围（图6），说明这七个月的气候舒适度较好，有机会利用自然通风扩大人体热舒适范围，为中庭空间降温降耗。7、8月的数据点多分布在舒适区间右上侧，说明7、8 月温度和湿度较高，部分时间气温高达36℃，需要采用空调制冷措施，因此在本次设计中7、8 月不考虑自然通风，可考虑进行自然通风的月份为4、5、6、9、10 月。

图6 3～10 月可利用自然通风扩大人体热舒适范围的时间段

通过Rhinoceros 建立图书馆模型，采用Ladybug+Honeybee 模拟出4、5、6、9、10 月份每天上午8 点到晚上10 点（图书馆开放时间）中庭室内平均空气温度、平均辐射温度、平均相对湿度，（图7）。根据《民用建筑室内热湿环境评价标准》附录B/ C 中各参数取值，结合该地区过渡季节着装及图书馆中庭内的活动类型，模拟设定人体新陈代谢指数为1.4met（立姿，放松），人体穿衣指数为0.5clo。

图7 6 月室内平均空气温度、平均辐射温度、平均相对湿度模拟图

为了解自然通风不同风速对中庭室内热舒适度的影响，按照图8 流程输入模拟所得数据及设定参数，并设置风速区间为0.1～0.8m/s。根据ASHRAE Standard 55的PMV-PPD 计算和我国对于自然通风建筑环境评价的APMV 计算方法，计算出该时间段0.1～0.8m/s 风速下室内每个小时的APMV 值。通过图9～13 可以看到4、5、6、9、10 月份不同风速下室内热舒适度随时间变化的关系，并可由此筛选出符合室内平均热感觉指标Ⅰ、Ⅱ级评价等级（-1 ≤APMV ≤1）的小时数（图14）。通过对比我们可以发现4、5、6、10 月中庭更具有自然通风潜力，5、6、10 月自然通风风速的增加可有效增加满足室内热舒适度的小时数，但随着风速增加，满足室内热舒适度的小时数增长速度逐步变小。

图8 室内热舒适度模拟流程图

图9 4 月份图书馆开放时间室内APMV 图

图10 5 月份图书馆开放时间室内APMV 图

图11 6 月份图书馆开放时间室内APMV 图

图12 9 月份图书馆开放时间室内APMV 图

图13 10 月份图书馆开放时间室内APMV 图

图14 不同风速满足室内舒适指标的小时数图

4.4.2 中庭自然通风模型及边界条件设定

结合东莞地区过渡季主导风方向和中庭室内的空间特点，将中庭室内通风路径的进风口设定在一层东侧，主要出风口设置在中庭采光顶棚及顶棚侧面，由此形成东侧主入口进入，中庭顶棚及侧面排出的自然通风的基本路径（图15）。并且结合项目实际情况，在A、B、C、D、E、F、G 区域设定可开启通风口，如图16 所示。

图15 中庭自然通风基本路径

图16 图书馆各个方向开口位置图

根据场地6 月的气候特点，通过对建筑外部自然通风模拟，得到中庭通风口风速值作为中庭自然通风模拟边界条件的设置依据（图17）。场地主导风为东南风，风速取值为2.1m/s。模拟采用500mx500mx200m 的计算域，网格采用非结构性网格处理。为了验证网格的无关性，将计算域划分为三种网格，网格数量分别为217 万，316 万，489 万，在进风口设置10 个测速点（图18），根据不同网格数量的风速值结果（图19），可以看出随着网格增加，数值模拟没有明显变化。综合考虑计算速度和结果精度，采用第三种网格数量进行后续模拟。

图17 室外环境风模拟图（标高23.8m，测vd1）

图18 测速点位置图

图19 三种网格测速点的风速值

在中庭自然通风模拟计算中，入口边界条件选 取velocity-inlet，va1=1.77m/s，va2=1.55m/s，va3=1.13m/s，va4=1.96m/s，va5=1.63m/s，va6=1.29m/s，vd1=1.86m/s,vd2=1.75m/s,vd3=2.21m/s,vg=1.55m/s。依据中国地面气候标准东莞地区过渡季节6 月份的室外平均温度为27.9℃，室外平均最高温度32℃。因此在室内风环境模拟时将进风温度设定为27.9℃，室内温度设定为32℃。墙面和屋顶均设置为绝热体[15]，表面温度拟定为32℃。出口边界条件为自由出口边界，设定表面温度与室内温度一致。

4.4.3 中庭界面优化前后室内热环境对比

（1）自然通风的工况设置

模拟实验设置五个工况（表1），工况一开启一层入口门g 与中庭顶部天窗f；工况二开启g、f 并在四个立面阅览区的玻璃幕墙处开启推拉窗和可自动调节式窗a1、a4、d2、b1、c1；工况三在工况二基础上增加西面及北面出风口b2、c2 和中庭侧面上悬窗e；工况四在工况二基础上增加东面及南面立面进风口a2、a3、a5、a6，d1、d3；工况五在工况二基础上同时增加进风口与出风口。

表1 各工况通风口开启位置及面积统计

（2）模拟结果与数据分析

首先，分析不同进风口数量的中庭自然通风状态。工况一中庭室内平均风速为0.051m/s～0.146m/s，室内环境空气流通性较差，且室内存在静风区；工况二在A、B、C、D 区域增设通风口后，室内平均风速为0.366m/s-0.564m/s，通风环境质量得到明显改善，但在2、4、5 层主要活动区域仍存在静风区；工况四在增加进风口后，室内平均风速为0.482m/s-0.693m/s，中庭空间内的自然通风面积增加，风速分布更加均匀且风速的均衡性更高，但6 层的北侧部分区域存在部分静风区（图20、表2）。

表2 各工况平面平均风速

图20 各工况平面风速图及主要活动区域示意图（红框为人员主要活动区域）

其次，分析增加出风口对中庭自然通风状态的影响。工况三与工况五分别在工况二与工况四基础上增设北面及西面的出风口。由图21 可以看出，出风口的增设对室内风速提升没有明显的影响，但对中庭不同空间的风速分布位置有一定影响。由于出风口主要分布3 至6 层，工况三与工况五在5 层西侧的阅览区的空气流动性比工况二和工况四好，但工况三与工况五在6 层北侧通风环境相比工况二、工况四较差。总体来看，工况五的空气流通性更均匀。

图21 各工况平面平均风速对比图

最后模拟验证发现，工况五6 月份中庭内空气龄主要在1200s以下，即通风换气次数均大于2 次/h（图22）；室内人员主要活动区域在6 月份中庭室内温度大部分低于29.7℃（图23），满足热舒适温度要求；根据工况五的平均风速在0.470m/s-0.665m/s，有效提升了6月满足室内热舒适性的时间（图24），满足设计目标要求。

图22 工况五室内空气龄模拟图

图23 工况五室内气温模拟图

图24 6 月室内风速提升前后室内热舒适性对比

4.5 高大中庭通风调控策略

在通风时间调控上，通过对中庭过渡季自然通风与室内热舒适性的分析（图9～13），可以制定每个月气候边界开启方式并合理调控自然通风风速。以6 月中庭自然通风模拟结果为例（图11），6月主要自然通风时间集中在上半个月，自然通风风速需满足在0.4 m/s 及以上才能让中庭空间基本满足室内平均热感觉指标，因此在6月上半月宜采用工况四或工况五的优化方案。从工况一到工况五，室内平均风速由0.051m/s-0.146m/s 提升到0.470m/s-0.665m/s，6 月自然通风满足室内热舒适度的时间大约由51 小时增加到200 小时，相当于减少空调开启时间149 小时（图24）。并且根据《绿色建筑评价标准》5.2.9 条调节室内舒适温度区间的方法，舒适温度上限最多可提高2.2℃。室内舒适温度上限由29.7℃提升至31.9℃，而随着舒适温度范围扩大，人体在图书馆中庭感知的温度会下降，因此当中庭温度高于 31.9℃时，可以在限制自然通风的同时开启空调系统主动调节降温。

在空间布局优化上，宜在6 层北侧与2 层东侧阅览空间与中庭交界处设置可调式分隔墙，该区域在自然通风模式下风速较低，热舒适度相对较差，在夏季和过渡季关闭分隔墙开启空调，以满足该区域室内热舒适要求。

结语

本文以广州新华学院图书馆高大中庭设计为例，在方案设计阶段根据气候参数特征确定可利用自然通风月份及室内热舒适要求，借助模拟软件优化中庭通风口大小及位置，将室内平均风速由0.051m/s～0.146m/s 提升到0.470m/s～0.665m/s，6 月室内舒适温度上限提升至31.9℃；并制定通风调控策略，减少空调使用时间约149小时，有效增加自然通风时长。

通过案例与实验结果可以看出，夏热冬暖地区的高大中庭在主动式设计与被动式设计切换过程中存在一定的节能空间，高大中庭的气候适应性设计应以人体的舒适性为出发点，通过强化被动式设计效果进而减少主动式设计的占比。在方案设计阶段，高大中庭被动式设计策略的加强主要包括两个方面：其一，优化中庭气候边界，根据室外风环境及中庭空间形态设置开口的大小与位置，优化室内自然通风效果；其二，制定季节性调控策略，根据不同季节的气候条件控制主动式与被动式设计的切换方式与时间，减少过渡季空调使用时间，降低建筑能耗。

图、表来源

图1：引自参考文献[11]；图3：引自参考文献[13]；

图2、4：作者基于参考文献[11]、[13]改绘；

图5～24，表1、2：作者绘制；

注释

1）广州新华学院图书馆建筑设计团队成员包括张振辉、陈玮璐、黄翰星、麦子睿、周沫、黄泰安等，绿色建筑优化团队成员包括王静、李蓉庭、刘艺蓉、叶桂明、罗佳琦等。