具有开启式中庭的高层建筑热环境探究

李峥嵘 张晗晗 赵群 徐天昊

1同济大学机械与能源工程学院

2同济大学建筑与城市规划学院

具有开启式中庭的高层建筑热环境探究

李峥嵘1张晗晗1赵群2徐天昊1

1同济大学机械与能源工程学院

2同济大学建筑与城市规划学院

中庭具有垂直温度梯度较大的特点，而开启式中庭与周围房间连通，热环境相互影响。为了分析该类中庭的热环境及其对周边空调区的影响，本文以杭州市某栋99.55m高具有贯通整栋建筑的核心式开启式中庭的高层办公建筑为研究对象，采用Ecotect及Airpak软件进行模拟分析，分为夏季供冷工况和冬季供暖工况。结果表明，在建筑外围护结构气密性很好的前提下，冬夏季均存在开启式中庭顶部过热的情况，局部高温夏季42℃，冬季39℃；冬夏季中庭对周边办公区域影响较小；冬季中庭的存在有利于减小采暖负荷；中庭存在气流环流。

开启式中庭供冷工况供暖工况Airpak环流

0 引言

建筑学上，中庭是指建筑物之内或之间的有顶庭院，强调垂直方向的贯通[1]。各类中庭形式中，核心式中庭是国内外最常见、最典型。中庭的剖面基本分为三种，矩形、V字形、Λ字形[2]。若中庭与周围多数房间无隔墙完全连通，则称之为开启式中庭。本文研究对象是楼高为99.55m的高层办公建筑，该建筑具有核心、开启式中庭，剖面结合V字形和Λ字形的结构特点。中庭空间热环境主要受“温室效应”和“烟囱效应”的影响[3]。中庭设计是否合理不仅影响室内舒适度，还影响建筑自身的能耗[4，5]。

针对中庭热环境，文献[5]～[8]中学者采用现场实测的方法对中庭热环境进行探究，发现中庭存在明显的垂直温差。更多学者采用了模拟方法进行研究[8～12]，张帆的模拟结果[10]显示开启式中庭由于中庭与各层直接连通，每层均有部分冷空气自中庭下沉、热空气上浮的现象，温度分层明显。中庭的存在对建筑能耗的影响也较大[8，13]，尤其是顶层及各层回廊区域。

1 研究对象

目前中庭建筑的研究中，研究对象大多仅取中庭部分[9，11，12]。而具有开启式中庭的建筑各层气流相互流通，热环境相互影响，不应仅取中庭部分，而应将气流贯通的全部建筑空间作为研究对象。对于开启式中庭建筑，若楼层较高[8]，其开启式中庭大多仅与回廊区域直接连通，而与周边其他区域的空调环境有墙体隔断；与各层空调区域直接连通的开启式中庭建筑楼层较低[10]。而本建筑楼层较高同时具有开启式中庭，少有可以参考的设计案例，因此有必要针对该建筑进行研究。本文采用Ecotect及Airpak软件为主要工具，将本建筑气流贯通的全部建筑空间作为研究对象，对该建筑热环境进行模拟分析，并进一步探究该开启式中庭对周边办公区域热环境的影响。

1.1建筑概要

该建筑位于杭州市，建筑地上层数20层，高度99.55m，地上建筑面积43280m2，主体朝向南偏东53°，属于一类高层办公建筑。建筑外立面形状较复杂（图1），建筑基座呈72m×34.5m的长方形。核心式中庭贯穿整栋建筑，高99.55m，形状不规则（图2），具体剖面形式为：东西侧上部为Λ型，下部V型；南侧上部为半Λ型，下部为半V型；北侧为竖直规则立面。各楼层标高汇总为表1。

图1 建筑效果示意图

图2 中庭边界示意图

表1 建筑楼层标高信息表

19层靠近中庭处为空中花园，其余为大空间办公区域。空中花园上空为封闭的玻璃天窗，天窗总面积690m2。除大堂及空中花园外，每层净高3m。11、17～20层与中庭之间用玻璃幕墙隔断为封闭空间，其余楼层包括空中花园部分均与中庭直接连通，每层的走廊区域为距离中庭边界2m范围内，每层中庭边界设置1.4m高竖直玻璃围栏，同时在吊顶上设置0.5m高悬梁挡壁阻碍冬季热空气外溢到中庭。由于建筑形状不规则，故无标准层。以13层为例（图3），建筑平面呈轴对称设计，主要功能区域为大空间办公室。

图3 平面示意图（13层）

1.2空调系统概要

整体上建筑的空调系统与建筑平面相适应，也呈轴对称分布。大堂、大空间办公区域多采用低速定风量全空气系统，顶送顶回或侧回；挑空大堂处采用双工况喷口，侧送顶回；空中花园采用双工况球形喷口，侧送侧回。通过调节喷口向上或向下的倾斜角，适应冬夏季不同温湿度环境的需求。除球形喷口外，风口均采用条缝型风口。中庭底部人员活动区为空调区域，其余为非空调区域。该建筑屋面除玻璃天窗外，其余部分涂覆了反射率为0.85的高反射涂料，使用了高反射隔热屋顶的被动式节能技术，以增强顶层空间的人员热舒适性[14]。根据国内常用修正方法，对该部分屋面的传热系数乘以0.9的修正系数。设计方使用HDY-SMAD暖通空调负荷计算及分析软件V1.7对冷热负荷进行逐时计算，计算表明，夏季最大冷负荷为5220kW，出现在16:00，冬季最大热负荷为3100kW，出现在8:00。

2 模拟计算

本文首先利用Ecotect软件分析中庭太阳辐射分布比例，然后采用Airpak软件对该建筑热环境进行模拟计算。在保证模拟结果可靠性的基础上，对模型进行适当的简化及假设如下：

1）室内空气不可压缩，且符合Boussinesq基本假设；

2）室内空气流动为稳态湍流；

3）空调期间室内为正压且建筑气密性很好，无渗风、漏风。

2.1物理模型

考虑到建筑平面及空调末端均对称设计，且核心筒与大空间办公区域不直接连通，因此为了避免计算区域过大，取建筑对称轴西侧、核心筒南侧（见图3的阴影部分）作为计算区域。11、17～20层办公区域与中庭之间有玻璃幕墙隔断，不列入计算区域。计算区域尺寸为（图4、图5）。

图4 模型效果图

图5 模型西立面图

2.2数学模型

室内气流属于三维稳态不可压缩紊流流动，因此采用改进的RNG双方程模型[15]。近壁面采用标准壁面函数法，速度和压力耦合采用SIMPLE算法，用控制容积法离散求解区域，控制容积为六面体网格，网格数约725万。离散求解的相关参数的设定如表2所示。

表2 离散求解的相关参数设定

2.3边界条件

建筑空调负荷根据设计方提供的负荷计算书，以体热源的形式平均布置在每层相应区域；送回风口的尺寸、位置、风量、温度等按照暖通设计相关资料进行设置，对送风口设置流量、温度、湍流度等参数，对回风口设置流量、湍流度等参数；由于仅对建筑的一半进行建模，因此对称轴处的边界采用对称边界。

顶部采光天窗接受太阳辐射，用Ecotect软件对太阳辐射透过天窗后在中庭各壁面的分配情况进行模拟分析。中午12时太阳辐射最强、太阳高度角最大，因此取设计日中午12时作为计算时刻，将模拟结果作为模型中对应的中庭壁面的热流量。中庭不同高度处接收的太阳辐射量不同，根据Ecotect软件模拟结果进行统计，将中庭不同高度处所接收的太阳辐射量占进入建筑的太阳辐射总量的比例列为图6。外围护结构传热已考虑在上述体热源中，因此其余外壁面设为绝热边界。

图6 不同高度处中庭所接收的太阳辐射量占进入建筑的太阳辐射总量的比例

3 模拟结果分析

3.1夏季工况

夏季供冷工况温度模拟结果如图7～9所示，可见89m高度处出现温度骤升，该处至天窗之间空气温度均高于30℃，99m高度处平均温度34℃，局部最高可达42℃，平均温升梯度为0.4℃/m。分析原因是顶层接受的太阳辐射热量无法被排出，积聚在上空。而温度骤升出现在89m高度，是因为88.6m处存在空中花园的水平送风喷口，喷口起到了一定的空调分层作用。但由于太阳辐射得热量相对较多，空中花园平均温度为28.7℃，较明显地偏离25℃的设计温度。

图7 夏季A-A截面温度云图

图8 夏季B-B截面温度云图

图9 夏季中庭垂直温度分布图

由图9可知，16层及以下的中庭平均温度在24.8℃～26.2℃之间，温升十分缓慢，仅上升了1.4℃。而16层及以下空调区平均温度分布在23.2℃～25.7℃之间（图10）。17、18层高度处的中庭温度在26.2℃～28℃之间，温升梯度为0.2℃/m。由于透光玻璃天窗占顶棚的面积比仅约28%，进入中庭的太阳辐射量较少。此外，中庭上部的Λ型剖面设计使得最上层中庭面积较小，而且上层对下层起到的自遮阳作用使下层得到的太阳辐射量较少。核心式中庭被四周的空调区域包围，因此16层及以下的中庭基本维持了周边的空调设计温度，并没有对周边空调区产生很大影响。而17、18层中庭不与空调区域连通，因此温度稍高于下面几层。由图10可知，北部走廊区域的平均温度高于该层平均温度，主要是因为北侧的竖直立面无自遮阳效果，太阳辐射热量使北侧走廊区域温度稍高，但仍在可接受的范围内。

图10 夏季空调区域的平均温度（1～16层）

从矢量图11、12可知，中庭内气流呈环流流动：中庭北侧和西侧气流上升，南侧和西南侧气流下降。从前述分析可知，中庭北侧温度偏高，导致气流上升，同时带动中庭西侧的部分气流上升；而南侧、西南侧由于中庭立面的自遮阳作用使温度稍低，气流下降，形成了中庭的环流。局部气流速度为0.53m/s，会使相邻走廊内人员有明显的吹风感[16]。

图11 夏季中庭45m水平面速度矢量图

图12 夏季A-A截面速度矢量图

3.2冬季工况

冬季供暖工况温度模拟结果如图13～16所示。针对底层区域，中庭1、2层温度约19.5℃，空调区域温度约18.7℃，分析其原因是空调送风的热空气上浮造成的，即中庭下送风口距离地板9m，部分空调送风并未到达底部，而是在浮升力的作用下通过中庭上浮，导致底层区域温度较低。3～16层中庭温度缓慢升高，在21.8℃～23.5℃之间，空调区域温度在21℃～23℃之间。可见16层及以下的中庭温度高于该层空调区域温度，利于减少采暖负荷。

图13 冬季中庭垂直温度分布图

图14 冬季A-A截面温度云图

图15 冬季B-B截面温度云图

中庭在73m和89m两高度处均出现温度骤升，在86m高度处温度小幅下降。73m高度处的温度骤升是因为从该处即17层起中庭与空调区域不再连通，中庭壁面得到的太阳辐射热量集中在中庭区域而不向其他空调区域扩散。17、18层中庭处的温度稳定在27.9℃左右。86m和89m高度处的温度突变均是由空中花园的水平送风口引起的，25℃的送风温度低于周边空气温度，造成86m高度处温度有小幅的下降。而太阳辐射热量的聚积导致中庭顶部过热，从89m开始温度迅速上升，99m高度处平均温度38.5℃，平均温升梯度为0.9℃/m。

北部走廊区域的平均温度高于该层其他空调区域平均温度（如图16），中庭冬季亦存在气流环流（如图17），与夏季工况相类似。

图16 冬季不同区域的平均温度（1～16层）

图17 冬季B-B截面速度矢量图

4 结论和建议

针对该栋具有开启式中庭的高层建筑，本文对其夏季工况和冬季工况的热环境进行了模拟分析，主要评价其在现有空调设计下，开启式中庭是否会对周边办公区域的热环境产生不利影响。在做出合理简化和假设的基础上，通过模拟可以得出以下主要结论：

1）在现有空调系统正常运行的情况下，除建筑上部和底部外，空调区域基本可维持夏季25℃、冬季22℃的室内设计温度，因此开启式中庭对周边空调区热环境影响不大。

2）中庭顶部透明部分对建筑上部热环境影响很大。在正午时刻，中庭顶部局部气温将高于40℃，对周边区域尤其是空中花园会产生不利的影响，建议配合其它措施（如机械送排风）缓解建筑上部局部过热问题。

3）中庭内冬夏季均存在气流环流现象。夏季的环流气流会在中庭拐角处局部加速，风速约为0.53m/s，使在走廊靠近中庭的人员有吹风感，但此处人员密度较小，因此可忽略此处气流加速的影响；冬季不会出现这种情况。

4）中庭底部送风口的高度和形式影响建筑底部热环境，下送风口不宜距人员活动区较远，否则易出现热空气不能到达人员活动区的现象，需要在设计中加以重视。

致谢

华东建筑设计院暖通工程师—吴国华老师为我们本次工作的顺利进展做了很大贡献，亦给出很多建设性指导，在此向吴国华老师表示十分感谢。

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CFD Ana lys is of The rm a l Environm e nt of a High-ris e Building w ith Ope n Atrium

LI Zheng-rong1,ZHANG Han-han1,ZHAO Qun2,XU Tian-hao1
1 School of Mechanical and Energy Engineering,Tongji University
2 College of Architecture and Urban Planning,Tongji University

Atrium buildings are typically featured with great vertical temperature gradient,and the thermal environment of open atriums would directly affect its surrounding spaces.In order to study the influences,the thermal environment is analyzed by means of CFD on the basis of a 99.55 m high building with a central,open atrium,which located in Hangzhou.Both the cooling season and heating season were simulated by the Ecotect software and Airpak software. When the air tightness of building envelop is good enough,the result shows that the ceiling top is overheated,the temperature is up to 42℃in summer and 39℃in winter;the influence of thermal environment of the open atrium on surrounding occupied spaces is very small;the open atrium can help to reduce the heating load in winter;recirculating flow occurs in the atrium.

open atrium,cooling condition,heating condition,Airpak,recirculating flow

1003-0344（2014）06-031-6

2013-12-19

李峥嵘（1969～），女，博士，教授；上海市杨浦区四平路1239号同济大学机械与能源工程学院（200092）；021-65988869；

E-mail:lizhengrong@tongji.edu.cn