中庭形式及天窗面積對空調能耗的影響分析

高旭聰

本文以夏熱冬暖地區大型中庭建筑為研究目標，建立核心式、整體式、線型式及接觸式四種中庭模型，并在每種中庭形式下建立不同天窗面積比的模型。對不同模型的空調冷負荷及年總耗冷量進行計算并做縱向與橫向的對比。分析了中庭冷負荷與中庭太陽輻射得熱的相關性，通過線性回歸擬合出四種中庭在不同天窗面積比下冷負荷與太陽輻射的線性方程。結果表明核心式中庭設計更節能，相比其他形式最大節能28%；中庭天窗面積比對中庭耗冷量影響很大；中庭冷負荷與中庭太陽輻射得熱間存在高度相關性，對于不同的中庭，其判定系數均大于0.8。

中庭的建筑形式廣泛應用于現代各類建筑中，其圍護結構多為玻璃結構，在冬季可以利用溫室效應降低采暖能耗。但在夏熱冬暖地區，大量太陽輻射通過中庭玻璃結構進入，熱量積聚不利于中庭的空調節能。對于夏熱冬暖地區，合理的中庭設計對建筑節能非常重要。衣健光等人對不同氣候區中庭天窗性能對辦公建筑能耗的影響進行了研究，建議天窗面積比控制在10%以內，指出天窗玻璃性能的優劣特別是遮陽系數對空調能耗影響顯著。彭小云對夏熱冬暖地區中庭玻璃能耗進行了分析研究，結果表明日射能耗占了中庭總制冷能耗的60%以上，100%玻璃天窗時甚至達到了93.7%，指出夏熱冬暖地區中庭最有效的節能措施就是利用遮陽來降低制冷能耗。現行的國家規范對中庭設計未能提出具體的要求或規定，如玻璃天窗面積比的合理范圍、玻璃天窗的熱工性能及選型等，使得建筑設計人員在設計中很難把握。夏熱冬暖地區中庭設計不當還會造成溫室效應、空調能耗高、熱舒適性差等問題。

中庭設計主要涉及到中庭形式，常見的中庭形式有核心式、整體式、線型式及接觸式。

夏熱冬暖地區中庭的太陽輻射能耗占有很大比例，與中庭太陽輻射能耗計算相關的參數有中庭天窗面積比、中庭外圍護結構部分的窗墻比、玻璃的熱工參數、遮陽系數等，這些參數綜合作用是反映到中庭單位面積太陽輻射值上。本文以廣州市大型中庭建筑為研究對象，采用能耗模擬軟件VE的建模計算，分析中庭冷負荷與中庭太陽輻射得熱的相關性，通過線性回歸擬合出四種中庭在不同天窗面積比下空調冷負荷與太陽輻射得熱之間的線性方程。這些方程可用于中庭設計方案比較，建議相關規范中可對不同氣候區中庭單位面積太陽輻射得熱值進行約束，以控制中庭空調能耗。

一、模型建立

選用模型：單層建筑面積為4800m2，底層中庭面積為1200m2，層高4.5m，共6層，建筑高度27m，總建筑面積28800m2。建立核心式A、整體式B、線型式C及接觸式D四種中庭模型，并在每種中庭形式下建立不同中庭天窗面積比的模型，天窗面積比分別取100%，80%，60%，40%，20%，0%，見圖1。中庭體積不隨天窗面積比而變化，為1200×27=32400m3。圖中陰影部分為天窗開窗面積，虛線包圍部分為中庭空間。圖2為各中庭型式在100%天窗面積時的能耗模擬模型，此時建筑屋面可透明圍護結構面積比為33%。

圖1 標準化中庭平面圖

圖2 各中庭型式在100%天窗面積時的能耗模擬模型

圍護結構參數按《公共建筑節能設計標準GB50189-2015》要求確定（表1）。外窗和天窗均采用遮陽系數為0.3的雙層Low-e玻璃，外墻采用輕質混凝土磚墻。室內設計溫度為26℃。照明負荷按11W/m2計算，人員密度按照標準走廊人員密度50m2/人。

表1 外圍護結構參數

模型不考慮空調時間，即根據室內設計參數和室外氣象參數決定空調的開啟來模擬全年逐時冷負荷。由于軟件VE的圍護結構在時間和空間上均采用有限差分法，節點數量由傅里葉數（Fo）確定，室內空氣采用集總參數法，因此不考慮中庭全年溫度場分布。

二、不同天窗面積比下中庭耗冷量分析

經過計算可得24個模型的全年逐時動態負荷及年總耗冷量。圖3為.A模型在100%天窗面積下的全年逐時動態負荷。

圖3 A 模型在100%天窗面積下的全年逐時動態負荷

四種中庭在不同天窗面積下的中庭年總耗冷量、中庭耗冷量占建筑總耗冷量的比例、中庭年耗冷量中太陽輻射所占比例，如圖4～6所示。

圖4 中庭年總耗冷量

圖4可見中庭年總耗冷量由低到高分別是：核心式A＜整體式B＜線型式C＜接觸式D。耗冷量最低的A中庭相比耗冷量最高的D中庭，全年可減少26%的冷量。中庭耗冷量約占建筑總耗冷量的比例與中庭天窗面積比相關（圖5），接觸式D最大約為33%，核心式A最小約為20%，因此中庭是建筑能耗影響很大，不同中庭形式的能耗存在較大差異。中庭年耗冷量中太陽輻射所占比例同樣與中庭天窗面積比直接相關（圖6），最大約為85%，最小約為20%。天窗面積大的中庭太陽輻射得熱大，全年耗冷量大。

圖5 中庭耗冷量占建筑總耗冷量的比例

圖6 中庭年耗冷量中太陽輻射所占比例

三、不同天窗面積比下建筑耗冷量分析

圖7、圖8為四種不同中庭在不同天窗面積比下的建筑年總耗冷量和單位面積耗冷量，計算結果表明相同天窗面積下的不同形式中庭的建筑年總耗冷量差別并不大。但隨著天窗面積的減小建筑年總耗冷量呈線性減少的趨勢，建筑單位面積耗冷量從63降到52kWh/（m2·a），下降17.5%，說明天窗面積比對空調年能耗影響較大。

圖7 建筑年總耗冷量

圖8 建筑單位面積耗冷量

四、中庭單位面積太陽輻射得熱與中庭冷負荷相關性分析

將A中庭模型100%開窗面積下的中庭單位面積太陽輻射得熱與中庭冷負荷在制冷季每月的相關性做統計分析，三月、七月、十一月特征月情況如圖9所示。并擬合出各個月份的線性回歸方程與判定系數R2值，見表2。其中斜率為線性模型中的k，截距為b。從結果可以看出對于A中庭形式，在廣州地區，中庭冷負荷與單位面積太陽輻射得熱的相關性較大。

表2 A中庭在100%天窗面積下冷負荷與單位面積太陽輻射得熱相關性線性擬合數據

圖9 A中庭在100%天窗面積下冷負荷與單位面積太陽輻射得熱在三、七、十一月的相關性

提取24個模型在八月和九月的逐時冷負荷數據和太陽輻射得熱數據，分析可得各模型的中庭冷負荷與單位面積太陽輻射得熱的散點圖，因篇幅限制，本文僅列出A模型在不同天窗面積比下的中庭冷負荷與單位面積太陽輻射得熱的散點圖（圖10）。其他模型的擬合數據見表3。

從圖10可以看出，隨著天窗面積的減小，中庭冷負荷與單位面積太陽輻射得熱的相關性也減小。分析表3可以發現，100%天窗面積下中庭模型的判定系數由低到高分別是：A＜C＜B＜D。橫向對比可見，隨著天窗面積的減小判定系數減小，即相關性減小。

圖10 A中庭在不同天窗面積下冷負荷與單位面積太陽輻射得熱的相關性

表3 不同中庭形式在不同的天窗面積下冷負荷與單位面積太陽輻射得熱相關性線性擬合數據

五、結論

1.廣州地區核心式的中庭設計更節能；天窗面積比一定時，其中庭年耗冷量、中庭耗冷量占建筑總耗冷量的比例、中庭年耗冷量中太陽輻射所占比例、建筑總耗冷量、建筑單位面積耗冷量在四種中庭形式中均最小。

2.中庭形式一定時，隨著中庭天窗面積的減小，中庭年耗冷量，建筑年耗冷量，建筑年單位面積耗冷量會線性減小。中庭耗冷量所占建筑耗冷量比例以及太陽輻射得熱占中庭耗冷量的比例會呈二次曲線加速減小；中庭天窗面積比對中庭能耗影響很大。

3.無論何種形式的中庭，中庭單位面積太陽輻射得熱與中庭冷負荷相關系數r均d≥0.8，屬于高度相關。因此在中庭設計中應控制中庭單位面積太陽輻射得熱值以控制中庭空調能耗。

4.本文通過回歸得到不同中庭形式、不同天窗面積比下中庭冷負荷與單位面積太陽輻射得熱間的線性方程，可用于中庭方案設計比較。