严寒地区公共建筑中庭热环境控制策略

严寒地区公共建筑中庭热环境控制策略

摘要：中庭具有良好的采光、通风、节能效果，但严寒地区如不合理设计会加剧建筑能耗，产生室内热舒适度不佳等严重后果，通过调研严寒地区典型的建筑的中庭并用节能软件分析，从建筑技术角度分析了寒地地区建筑中庭热环境的特点，并提得到良好中庭热环境的控制策略。

关键词：严寒地区 中庭 热环境控制 节能策略

Abstract—The atrium has a good natural lighting, ventilation, energy saving effect as a part of public buildings, but if the cold region buildings designed irrationally, energy consumption will increase, and the indoor thermal comfort will be poor and company with other serious consequences. This paper puts forward the control strategy of thermal environment in atrium through the analysis of cold region public building atrium thermal environment, aiming at improve the thermal comfort, to create a green, energy-saving interior space.

Keywords- cold area;atrium; thermal environment; control stragety

Ⅰ. 中庭的概念以及在建筑节能中的意义 中庭通常是指建筑内部的庭院空间，其最大的特点是形成具有位于建筑内部的“室外空间”，是建筑设计中营造一种与外部空间既隔离又融合的特有形式，或者说是建筑内部环境分享外部自然环境的一种方式。

现代意义上的中庭建筑形式是1967年由John·Portman在亚特兰大的海特摄政旅馆首次引入的[1]

，在此之后在世界范围内掀起了一股建造中庭的热潮，在各种类型的公共建筑中都出现了中庭。中庭作为公共建筑整体的一部分，其构成的共享空间具有某种开放感和自由感，使得室内空间具有室外感，迎合了人们热爱自然的天性，因而得到了广泛的应用。中庭通常具有不同于一般建筑形式的特点：大体量、高容积以及大面积的玻璃屋顶或者玻璃外墙，因为这些特点中庭可解决地下建筑固有的一些问题，诸如不良的心理反应、外部形象与特征不明显、观景与自然光线的限制、人流流向指向不明确等。

中庭有两种明显的气候控制特点：温室效应和烟囱效应。在冬季，由于太阳的短波辐射通过玻璃温暖室内建筑表面，而室内建筑表面的波长较长的二次辐射则不能穿过玻璃反射出去，因此中庭获得和积蓄了太阳能，使得室内温度升高。夏季则利用中庭较大的得热而导致中庭和室外温度不同而形成中庭内气流向上运动把热量带走。因此合理的采用建筑中庭可以降低大量的能耗，但是如设计不合理，在冬季寒冷地区不仅会加重供热的负担，提高建筑能耗，而且也会使室内热舒适度降低。因此合理的控制中庭热环境十分重要。

Ⅱ. 严寒地区中庭热环境分析

严寒地区是指累年最冷月平均气温低于或等于－10℃地区，这一地区的建筑应满足冬季保温要求，部分地

区兼顾夏季防热，主要包括内蒙古和东北北部、新疆北部

地区、西藏和青海北部地区[2]

。笔者冬季调研了严寒地区城市哈尔滨的三个公共建筑，分别是哈尔滨工业大学图书馆和行政楼、东北林业大学图书馆。这三个中庭均无人工调节设备，其平面形状各异，但中庭面积基本相同，对于研究严寒地区公共建筑中庭的热环境具有代表性。 A．中庭空间形式与构造

哈工大图书馆的中庭底部净面积为400㎡，形状为正方形，总高22 m(底层为阶梯状)，顶部为锯齿形天窗，四面围护结构皆为实墙体；工大行政楼的为半圆型，中庭面积为

350㎡左右，总高将近20 m，平屋顶天窗采光，竖向围护结构一侧为弧形墙体，三侧是走廊，其中有一侧走廊外侧是玻璃幕墙。东北林业大学图书馆具有两个中庭，形式完全相同，每个面积220㎡，总计440㎡，中庭底面形状为矩形，总高22 m，具有地下一层，中庭位于建筑中部，四周走廊环绕，以顶部锯齿形天窗采光为主，光线充足，在中庭顶部侧面设有出风口，中庭透视以及上送风口如图2所示。三栋建筑中庭平面形式如图1所示。

哈工大图书馆(三向) 哈工大行政楼(单向) 东林图书馆(四向)

图1 建筑中庭平面形式

图2 东北林业大学图书馆中庭透视

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图3 哈尔滨工业大学图书馆中庭透视

图4 工业大学行政楼中庭

B．测试结果分析

在所测试的三个中庭当中以办公楼最为舒适，由于建筑的主入口是偏南向且平屋顶采光，使得建筑内的温室效应明显，避免了北方冬季主导季风西北风的影响。室内中和面的设置合理，中庭温度适宜，具有良好的热舒适度，大大的减少了能耗。而入口皆为偏北向的两所图书馆，中庭较冷，热舒适度不是很高，但林业大学的图书馆热舒适度较好于工大图书馆，由于工大图书馆中庭直接与主入口相连，且门斗设置不合理，冷空气由于烟筒效应直接上升到二楼大厅，即使供热充分，二楼依然较冷，三层以上由于中庭周围房间皆为采光封闭房间，热舒适度较好(图3)。测试期间室外气温为-14℃。从中庭室内温度梯度分布(图5～图7)可以看出，工大行政楼的室内温度最高，尤其在12:00到14:OO阶段，期间室内温度从23.5℃升到26℃(比其余时间段都高)，这是由于这个时间段太阳辐射较强烈，而此时阳光还未直接照到底层地面和侧墙，表面温度比相邻空气温度低，它们向室内释放冷辐射，上部的空气直接被阳光照射后温度迅速攀升，致使室内底部气温与上部温

度相差很多。两个图书馆的热环境状况相差不多，由于人流主要集中在2-3楼的自习区，所以温度较高，4楼以上为借书区，人流较少，所以温度较低。而早晚阶段，严寒地区冬季日照时间短接近天窗的楼层温度普遍很低。相比较而言，工大图书馆中庭较大，因此温度每层随时间变化较大。林业大学的图书馆入口设置在2楼，因此2楼的温度没有明显的变化，一层下沉的部分温度稳定，舒适度较高。

图5 哈工大图书馆中庭室内空气温度（℃）

图6 哈工大办公楼中庭室内空气温度（℃）

图7 东北林业大学图书馆中庭室内空气温度（℃）

T1-9:00时空气温度 T2-12:00时空气温度 T3-14:00时空气温度 T4-18:00时空气温度

C．建筑中庭热环境的影响因素

通过以上分析，对于公共建筑中庭的热环境，温度和太阳辐射量是其主导因素，人流热量也要考虑到。由中庭室内温度梯度分布图所示，严寒地区下午日照最强烈期间室内温度达到最高值，16:00之后温度则开始慢慢降低。在严寒地区，中庭的空间尺度以及朝向决定了室内的热舒适度。

Ⅲ. 中庭热环境控制设计策略

根据严寒地区的地域特征、气候特点，对于公共建筑中庭的热环境应从以下几个方面来进行控制。 A. 合理设置中庭位置

严寒地区的中庭宜布置在建筑内部，以顶部采光或南向采光为主，尽量减少室外气候的影响，同时设法获取更多阳光；在平面流线设计上，要强调人流的通过与停留，增加中庭的使用效率和频率，这样不仅充分利用中庭的空间，而且可以通过人体的热能减少室内的能耗。 B. 合理选择中庭的体型

中庭的底面形状有方形、矩形、圆形、梯形以及不规则形状等，而最常见的是矩形平面。从剖面形式上，又有矩形、v字形和A字形等。不同的空间形状及大小，其使用效果是不同的。从以上测试分析可知，空间宽敞且低矮的中庭则有利于寒冷地区冬季获取更多阳光。另外，v字形的中庭，每一层都增加一部分面积可获取直射阳光，其渐扩的断面有助于削减烟囱效应；相反，A字形的中庭，上部楼层可以为下部楼层提供遮荫，且渐缩的断面加强了烟囱效应的发挥。以顶部采光的中庭其长、宽、高与太阳高度角的关系直接影响到室内热舒适性，由于冬季太阳高度角较低，可适当加高中庭高度，加大光棚采光面，使中庭内更多的地面部分可以接受日光直射，有利于充分吸收太阳能提高室内温度。在严寒地区应使中庭布局紧凑，利用热量的积聚，避免平面和剖面上的多变，复杂的平面形式或高度上的多变将使中庭围护结构的热损失增加，产生冷角。在有条件的情况下充分利用地热这一资源，可作下沉式中庭或局部下沉。 C. 适宜的朝向

严寒地区的建筑中庭一般全年都需要争取较好的日照，当中庭不能设计为半围合式时，为了最大限度的收集冬季日光并考虑采光要求，主入口应朝南，天窗向天空倾斜一定角度，倾斜角可以取该地纬度加上20这一平均值[3]

,这样有助于凝结水的滴落排除。如果中庭是有空调式，则通过国家规范来确定朝向。周边建筑物和高大树木等的遮挡会影响日照的获得量，因此，建筑南面应避免种植常绿植物；如果南面建有其他建筑，则建筑间应保持间距来避免遮挡。可通过公式一来确定合理的日照间距。 错误！未找到引用源。(公式一) 式中：

错误！未找到引用源。 一日照间距

错误！未找到引用源。 一被遮挡的建筑物一层窗户下沿至遮挡建筑檐口高度的垂直距离 错误！未找到引用源。 一太阳高度角

错误！未找到引用源。一后栋建筑墙面法线与太阳水平面投影之间的夹角

D. 提高围护结构的保温隔热性能

由测试结果可以看出单向式能耗最少，三向式能耗其次，四向式能耗最多。这与建筑外围护结构的面积呈正相关:单向中庭建筑的外围护结构面积最小，四向中庭建筑外围护结构面积最大，三向中庭建筑居中。

在严寒地区冬季，中庭的玻璃幕墙和玻璃采光顶是建筑围护结构中热交换最活跃、最薄弱的部位。由于普通玻 璃的传热系数较高，与混凝土或砖混砌体相比，其热交换热损失要大7-8倍[4]

，因此针对玻璃面的保温显得尤其重要。低辐射玻璃、中空玻璃、多层玻璃的热阻较大，适用于严寒地区，而阳光透射系数小的热反射玻璃和传热系数大的吸热玻璃则不适用于严寒地区。玻璃面的金属链接构件、外框会形成冷桥，应选用合适的材料或其他措施来缓解这部分的热损失，也可以在金属链接构件外做保温隔热处理，降低导热系数。中庭与相邻建筑空间之间的隔墙也应做好保温处理，以防止不同使用功能房间之间的热交换。在入口处设置门斗，加强门窗的气密性，尽可能地避免冷风灌入和冷风渗透，减少虚围护的面积，以有足够的天然光这一要求作为确定窗户面积的主要标准，并且以南向为主。围护结构采用热工性能优良的玻璃材料和墙体砌块材料，避免“冷桥”部位。其次要充分利用材料的蓄热性能。严寒地区白天使用晚上休息的中庭应采用热容量小的材料，从而白天在太阳的照射下，中庭能够迅速提高室内温度，避免热量的损失；而全天使用的中庭，最好采用热容量大的贮热墙及其他贮热材料，白天吸收、贮存太阳热量；晚上，当气温降低时，热体释放热量，提高中庭气温。 E. 良好的通风设计

在严寒地区建筑中庭的热压自然通风设计中，换气量和中和面的位置是其中关键的考虑因素。设计不当会导致夏季中庭热空气在高处倒灌进入主要功能房间，冬季则会产生冷空气倒灌至较低楼层，严重影响房间的热环境。中和面的位置通一般处于建筑最高通风节点的一半位置，但要考虑到各个通风节点温度、标高、阻抗的影响综合设计(图9)。严寒地区冬季在玻璃幕墙上的冷风带走了玻璃顶棚大量的热量，冷风的渗透还能带走人体及室内大量的热量。为了减少玻璃的对流散热，严寒地区中庭玻璃幕墙的朝向应避开冬季季风的朝向，以缓解冷风的不利作用。在中庭建筑冬季风向的迎风面，可种植高大树木，布置围墙或次要房间，阻挡冷风直接进入室内。夏季为了的良好的通风环境要设置上出风口，但为了防止冬季冷风渗透，应保证中庭的玻璃幕墙和玻璃顶棚的接缝处的气密性要好，体量较大的或者层数较高的建筑中庭要尽量远离主入口设置，以防止冬季强烈的烟囱效应使冷风渗透，其次中庭直接对外的门或其他与中庭相通的门，在门口处应设置门斗。

图8 避免热压通风气流回灌的通风方式

[5]

Ⅳ. 结论

REFERENCES

[1] Richard Saxon, Atrium buildings : development and design. New York :

Van Nostrand Reinhold, 1983.

[2] Xiaotu Liu. Architectural Physics.Beijing: China Building Industry

Press,2010(In Chinese)

[3] YuChen. The study of atrium thermal environment and energy saving

[D]. Zhejiang University,2008. (In Chinese)

[4] Xiaoyun Peng&Xiaotu Liu. The study on thermal environment and

严寒地区必须满足冬季保温要求，公共建筑需要的是采暖中庭,在严寒地区热环境设计原则就是通过以下途径提高室内温度：(1)促进室内产热；(2)合理朝向以获取充足阳光；(3)减小冬季中庭烟囱效应；(4)抑制室内热向室外散逸。其中最为重要的就是在最大限度地利用太阳能成为室内热的同时，减少室内热量外泄，从而创造良好的室内热环境。

energy efficiency. Industrial Building,2002.6 (In Chinese)

[5] Jianwei Yu. Atrium building winter air conditioning airflow simulation

research using CFD［D］.Tianjin University,2007.4(In Chinese)