高大中庭的空调节能分析及措施
中南建筑设计院 胡艳
0 引言
中庭作为公共建筑的一部分，受到了人们的广泛欢迎，普遍应用于各种不同类型和规模的建筑之中。目前，国内外都已有一些利用中庭空间的物理特性大幅降低建筑能耗的成功案例。
本文通过生态效能的计算机模拟分析，提出了高大中庭的空调节能措施。
1 生态效能的计算机模拟分析
1.1高大中庭的生态效应
高大中庭作为室内环境与室外自然环境的气候交换空间，具有调节室内气候环境的潜质。
中庭的大面积玻璃围护结构在透射阳光的短波辐射温暖室内的同时，阻挡了来自室内的长波辐射，使得室内温度上升，形成温室效应。温室效应有利于提高冬季建筑室内温度，降低供暖费用，但夏季的温室效应往往导致室内过热。
中庭内外部空间空气温度差引起空气流动，中庭较高的竖直高度加快了气流速度，形成烟囱效应。烟囱效应所产生的良好自然通风降低了室内温湿度，节省了夏季空调费用，但冬季的烟囱效应却引入大量寒风。
在对相关能耗问题认识不清或缺乏足够技术支持的情况下，建筑建成后运行效果往往不尽如人意。在现实中常常发现许多建筑物的中庭由于处理不当，夏季酷热难耐，冬季寒风刺骨[1]，或是在有效改善室内热环境的同时，带来了高昂的建筑能耗。
1.2 高大中庭室内热环境模拟
为研究高大中庭的室内热环境，以武汉地区在建项目的某高大中庭为例进行了计算机CFD模拟，通过对武汉气候状况和经济技术条件的分析，为其空调节能设计提供依据。
该项目中庭高达43m，将健身美容、影视、文化、休闲、餐饮、精品商业、金融等功能自上而下分层分区配置。该建筑建成后将成为武汉市的标志性建筑。武汉市位于我国中部，地处中低纬度，属夏热冬冷地区。夏季空调室外计算干球温度35.3℃，夏季空调室外计算湿球温度28.4℃，夏季空调日平均温度32.2℃，夏季通风室外计算温度32℃，极端最高温度39.6℃；冬季空调室外计算干球温度-2.4℃，冬季通风室外计算温度0.1℃，冬季最冷月室外平均计算相对湿度72%，极端最低温度-18.1℃[2]。
模拟采用伦敦大学开发的比较成熟的PHOENICS3.3软件，联合计算程序是清华大学建筑学院开发的一套太阳辐射计算程序，模拟中庭空间室内热环境，并由程序自动计算人体模型处的平均辐射温度，为后继研究的开展提供了便利。
1.2.1模拟结果及分析
1.2.1.1 夏季中庭室内热环境模拟
模拟时间取武汉地区夏季6月2日正午12：00参数，此时室外气温27.6℃。中庭相邻房间室温取27℃，地下室室温取22℃。
1) 在屋顶通风窗关闭情况下模拟中庭室内热环境，结果见图1
a 温度分布（℃） b 气流分布（m/s）
图1 夏季屋顶通风窗关闭时中庭热环境模拟
从气流分布图可以看到中庭具有的烟囱效应。在屋顶通风窗关闭情况下，中庭下部空气流动较快，热空气聚集在中庭中上部无法排除，也很难与下部较冷空气形成气流循环，温度不断升高，在室外气温只有27.6℃时，中庭顶部最高气温达到38.1℃。
需要说明，这里模拟的是一个稳定状态下的中庭室内热环境，即假设太阳一直处于正午12：00辐射最强状态时的室内最终热状况，在实际情况下，这种状况只持续大约1h，然后太阳辐射将下降，因此模拟的结果应该较实际偏热，但这并不影响通过结果的比较得出定性的结论。
2) 在屋顶通风窗开启情况下模拟中庭室内热环境，结果见图2
a 温度分布（℃） b 气流分布（m/s）
图2 夏季屋顶通风窗开启时中庭热环境模拟
从气流分布图可以看出，在屋顶通风窗开启情况下，室外冷空气从底部入口处进入，被加热空气从顶部天窗排出。由于通风作用，热量在中庭顶部聚集现象明显减弱，中庭顶部空气温度大致为29.0℃左右，同时人体高度处平均风速增大，有利于人体排热。
1.2.1.2 冬季中庭室内热环境模拟
模拟时间取武汉地区1月2日正午12：00参数，此时室外气温5℃，中庭相邻房间室温取20℃，地下室室温取10℃。在屋顶通风窗关闭情况下模拟中庭室内热环境，结果见图3。
a 东、西截面温度分布（℃） b 南、北截面温度分布（℃）
图3 冬季屋顶通风窗关闭时中庭热环境模拟
从图中可以看到中庭具有的温室效应。在寒冷的冬季，高大中庭的室内空气温度将大大高于室外，人体高度处可达20℃左右。由此可以看出，利用中庭的温室效应，冬季保证顶窗良好的气密性，室内热环境可达到或接近舒适标准。
1.2.2 结论
从以上模拟结果可以看出，中庭具有温室效应和烟囱效应的特点，垂直温度分布梯度大。在武汉地区夏季，即使室外气温舒适，高大中庭室内过热的可能性仍然很大，但利用烟囱效应，通过开启顶部通风窗等通风方式，可以明显改善高大中庭室内热环境；而在冬季，利用温室效应，关闭顶部通风窗，高大中庭室内可形成较为舒适的热环境。
2 高大中庭的空调节能分析及措施
2.1 应加强围护结构的选择和改善。如果能合理地控制窗墙比，提高门窗气密性，做好外墙外保温，提高建筑热工性能，将对整个建筑节能提供一个较好的基础。
2.2 合理控制室内参数，降低空调负荷。
2.3 应进行详细的空调负荷计算。根据逐时逐项空调冷负荷计算结果进行的系统分析及设备选型才是有科学依据的，才可能做到空调节能。
2.4 根据模拟试验数据，高大中庭其竖向温度梯度达0.26℃/m, 空调设计根据中庭具有温室效应和烟囱效应的特点进行才能达到满意的效果。
2.5 根据该大楼的功能分区，高大中庭采用分层空调，一层风口侧送。夏季由于热空气上升作用，在屋顶通风窗关闭情况下，中庭顶棚附近温度达38.1℃。若考虑分层空调，且在顶部设置通风层，排走上部热空气，与常规系统相比可节能40％左右。考虑到烟囱效应，在高大中庭上部与中庭相连的走廊处宜作空气阻隔，以减少中庭上部热空气对相连走道的影响。
2.6 高大中庭冬季采用地板辐射供暖系统，有利于提高人的热舒适感，因地板辐射供暖设计温度可降低2℃，有利于大楼的节能。如果采用常规空调，由于热空气上升作用，当人员活动区温度20℃时，中庭顶棚附近温度将达到32℃，会浪费大量的能源，采用辐射采暖方式，高大中庭上部气流温度较常规空调低，可减少高大中庭的空调能耗，也可减少对与中庭上部相连空间的干扰。冬季采用地板辐射供暖系统与常规系统相比可节能35％左右。
2.7 采用新风换气机全热回收系统进行排风热回收, 新风节能50％左右。
2.8 为了节省运行费用，降低风机功率，风机采用变频控制。
2.9 空调系统设自动控制，以利于节能。
2.10 利用高大中庭良好的生态效应，采用自然通风可取得较好的通风效果。自然通风是一种不消耗机械动力的、经济的通风方式。合理运用自然通风方式，可节约输送能耗，同时极大地减少了高大中庭及周边房间空调运行时间，节省运行费用。
3.结语
全球范围内的能源危机，促使了人类环境意识的觉醒，建筑能耗问题逐渐成为人们关注和研究的话题。对于高大中庭空间，充分利用其特点，充分利用空调节能技术，就有可能把高大中庭建成一个舒适、经济、节能的建筑。
参考文献：
[1] 袁光宗,吴纪昌. 深圳国贸大厦中庭热环境实测分析与研究[G]// 第六届建筑物理学术会议论文选集.北京：中国科学技术出版社, 1993: 452-453
[2] 中国气象局气象信息中心气象资料室，清华大学建筑技术科学系著。中国建筑热环境分析专用气象数据集[M]北京：中国建筑工业出版社，2005