上海某高層綠色辦公建筑中庭夏季熱環境優化分析

張麗娜（上海市建筑科學研究院有限公司， 上海 200032）

建筑學上的中庭指建筑物內部的有頂庭院，其強調垂直方向上的貫通[1]。中庭是當代建筑中常見的空間形式，是解決大體量、大進深建筑采光不足、通風不暢等問題的有效方式[2]。由于其具有良好的融合內外部環境的空間特色，可用來營造恢宏氣派或自然和諧的空間氛圍，因此越來越多的設計師在高品質的綠色辦公建筑設計時采用中庭。中庭建筑的常見形式有核心式、整體式、線型式和接觸式等[3]，如圖 1所示。

圖1 中庭建筑的常見形式[3]

中庭空間屬高大空間，熱環境較為復雜，主要受“溫室效應”和“煙囪效應”影響。當中庭頂部采用透明圍護結構時，會引入大量的太陽輻射得熱到室內，“溫室效應”顯著；同時，中庭的豎向溫差會造成上下部的熱壓差，進而引起垂直方向上的空氣流動，形成“煙囪效應”[4-6]。目前國內外學者通過現場實測和數值模擬對中庭熱環境進行了大量研究[6-9]，其研究多聚焦于常見的核心式中庭，缺乏線型式中庭的熱環境研究分析。

本文針對上海市某高層綠色辦公建筑，采用 IES-VE 軟件對中庭得熱和氣流組織進行聯合模擬，分析當前設計中庭夏季熱環境的問題，并針對存在的問題提出合理的改善建議。

1 建筑概況

該建筑位于上海市，建筑由塔樓和裙房組成，其中塔樓建筑地上 13 層，地上總建筑面積 117 782.8 m2，主體朝向南偏東 23.9°，屬于高層辦公建筑。建筑基座呈不規則多邊形，建筑外立面為幕墻系統，形狀如圖 2 所示。線型式中庭貫穿整棟建筑，高 59.95 m，形狀不規則，剖面為矩形。該建筑為中國綠色三星標識建筑。

圖2 建筑效果示意圖

1～3 F 主要功能空間為商業，4～13 F 為大空間辦公區域。4～12 F 每層層高 4.3 m，13 F 層高 4.5 m。中庭頂部采用玻璃天窗，天窗總面積約為 1 200 m2。建筑主要功能區域為大空間辦公室，每層功能空間用隔墻隔斷為封閉空間，每層的走廊區域距離中庭邊界 2.8 m，如圖 3 所示（以頂層13 F 為例）。

圖3 頂層 13 F 平面示意圖

2 模擬計算

采用 IES-VE 軟件，分析計算夏季典型日建筑外表面的太陽輻射得熱情況，并將計算得到邊界條件導入到 IES-VE軟件 CFD 模塊進行氣流組織分析。

2.1 分析模型

為避免計算區域過大，將中庭及與之相連通的走廊作為計算區域，4～13 F 的辦公區域與中庭有隔斷，不作為計算區域。模型根據暖通設計圖紙及其他相關資料建立。在保證模擬結果可靠性的前提下，對中庭空間進行了適當簡化和假設[9]。對于墻體壁面、地面和天花板區域采用了邊界層網格，同時對于風口區域的局部網格進行了加密處理。分析模型如圖 4 所示。

圖4 分析模型圖

為了分析當前設計下，夏季中庭開空調與屋頂開窗的必要性。本研究設置了3 個模擬工況，如表 1 所示。

表1 模擬工況設置

2.2 邊界條件

中庭玻璃幕墻及頂部采光天窗接收太陽輻射。因中午12：00 太陽輻射最強、太陽高度角最大，故通過 IES-VE SUNCAST 組件（用于分析太陽輻射得熱）計算夏季典型日中午 12:00 的中庭壁面的太陽輻射得熱情況，并將得到的結果作為邊界條件導入到 CFD 模塊進行計算。邊界條件設置如表 2 所示。

表2 邊界條件設置

3 模擬結果分析

3.1 工況 1：無空調＋屋頂不開窗

在無空調無開窗的夏季工況下，中庭內部溫度不斷升高，在迭代到 2 000 步時，中庭內部溫度為 38～52 ℃，其中，頂層接近屋頂部分的溫度更是達到 50 ℃。在沒有通風和制冷措施，且不考慮相鄰空調房間的熱傳導時，中庭相當于一個玻璃殼子包裹的“溫室”，導致中庭溫度過高，即使中庭底部人行區溫度都高于室外溫度，室內熱環境也極不舒適。因此，在上海市夏季典型氣象條件下，中庭設計時需進行空調設計，同時應結合氣流組織進一步分析優化中庭熱環境。

3.2 工況 2：有空調＋屋頂不開窗

在有空調無開窗的夏季工況下，模擬結果如圖 5 和圖6 左列所示。中庭的垂直溫度分層如圖 5（a）、5（b）所示，在該垂直溫度分層中，中庭內部溫度為 20～38 ℃，走廊區域溫度為 18～35 ℃；中庭頂層溫度分布如圖 5（c）所示，13 F 人行區 1.5 m 中庭內部溫度為 33～35 ℃，走廊溫度在 32 ℃ 左右；中庭屋頂處溫度分布如圖 5（d）所示，溫度在 38 ℃ 左右。中庭風速分布情況如圖 6 所示。由圖 6（a）、圖 6（b）左列可知，在有空調無開窗的夏季工況下，中庭內部及走廊處風速較為均勻，除正對風口處外，95% 以上的區域風速在 0.3 m/s 以下。

圖5 工況 2、工況 3 中庭溫度分布對照圖

圖6 工況 2、工況 3 中庭風速分布對照圖

分析原因，由于中庭頂部有大面積的采光天窗，頂層接受的太陽輻射熱量無法排出，熱量積聚在上空，造成中庭頂部溫度過高。受此影響，頂層走廊人行區域雖有空調制冷，溫度仍然超出舒適區間。

3.3 工況 3：有空調＋屋頂開窗

在有空調屋頂開窗的夏季工況下，模擬結果如圖 5 和圖6 右列所示。中庭的垂直溫度分層如圖 5（a）、5（b）所示，在該垂直溫度分層中，中庭內部溫度為 20～32 ℃，走廊區域溫度為 18～30 ℃；中庭頂層溫度分布如圖 5（c）所示，13 F 人行區 1.5 m 中庭內部溫度為 27～33 ℃，走廊溫度在 27 ℃ 左右；中庭屋頂處溫度分布如圖 5（d）所示，溫度在 28 ℃ 左右。由圖 6 右列 可知，在有空調屋頂開窗的夏季工況下，中庭內部及走廊處風速較為均勻，除正對風口處外，風速略大于工況 2，90% 以上的區域風速在 0.3 m/s以下。

由于屋頂窗戶開啟后，頂層接受的太陽輻射熱量可以排出，與工況 2 對比，中庭整體溫度和頂部溫度降低顯著，約降低 2～6 K，頂層走廊人行區域溫度也降低至舒適區間范圍。同時屋頂開啟窗對整個中庭內部的氣流具有積極的影響，可帶動整個中庭內部的氣流，因此頂部走廊區域風速略大于工況 2 的風速，在溫度偏高的情況下，風速適當增大可營造出更為舒適的室內熱環境。

3.4 優化方案分析

由上述分析可知，在當前設計下中庭溫度偏高，主要原因為中庭接受的太陽輻射量過大，中庭不斷被加熱，進而導致中庭內部溫度升高。在不改變當前空調設計的情況下，中庭熱環境的優化主要從減少中庭的太陽輻射得熱量和將中庭的高溫空氣排出 2 方面入手。主要的建議措施有：① 設置屋頂外遮陽；② 設置屋頂內遮陽＋排風；③ 采用彩釉玻璃；④ 將頂層活動區和中庭分隔開。

各種方案的優缺點如表 3 所示。

表3 不同優化措施對比分析

外遮陽的遮陽設施設置于玻璃的室外側，可以在太陽輻射達到采光頂玻璃前把其遮擋在外。內遮陽的遮陽設施設置于玻璃的室內側，能夠阻擋部分的太陽輻射，因熱量已經大量進入了中庭頂部，并產生溫室效應，實際遮陽效果較外遮陽差。因此，采用內遮陽時，建議通過配合自然通風或機械排風的方式將中庭頂部的熱量排出。

將頂層活動區和中庭通過玻璃等圍護結構進行分隔，可以減少冷量在中庭的散失。設計方案的修改，可在方案設計前期予以考慮，到了設計后期，如非特殊情況，不建議做改動。

綜上優化方案對比分析，從遮陽效果來看，外遮陽為最佳方案。條件允許時，優先采用外遮陽方案；實際項目從經濟性和便于運維的角度出發，則多采用內遮陽＋排風的方式。

結合該項目自身特點，分析后采用外遮陽和彩釉玻璃，中庭玻璃幕墻綜合遮陽系數控制 0.30～0.35、透明屋面綜合遮陽系數控制在 0.2～0.3，并配合屋頂排風措施，可使得中庭室內熱環境處于較舒適的溫度區間。

4 結 語

隨著中庭被越來越多的設計師運用在公共建筑中，中庭熱環境優化分析工作日趨成為設計階段的一項重要工作。本文采用 IES-VE 軟件對上海市某高層辦公建筑的中庭熱環境進行了模擬分析，并針對存在的中庭頂部溫度過高的問題，提出并對比分析了屋頂外遮陽、內遮陽＋排風、彩釉玻璃等幾項優化措施。線型中庭因與外界接觸面積較大，夏季受太陽輻射影響顯著，其中庭熱環境將面臨更大挑戰。中庭設計時透明屋面建議采用外遮陽或內遮陽＋排風的方式來減弱夏季太陽輻射的影響作用，并結合 CFD 氣流組織分析進一步優化中庭熱環境，提升中庭頂層的熱舒適性。