李崢嶸 張晗晗 趙群 徐天昊

1同濟大學機械與能源工程學院

2同濟大學建筑與城市規(guī)劃學院

具有開啟式中庭的高層建筑熱環(huán)境探究

李崢嶸1張晗晗1趙群2徐天昊1

1同濟大學機械與能源工程學院

2同濟大學建筑與城市規(guī)劃學院

中庭具有垂直溫度梯度較大的特點，而開啟式中庭與周圍房間連通，熱環(huán)境相互影響。為了分析該類中庭的熱環(huán)境及其對周邊空調區(qū)的影響，本文以杭州市某棟99.55m高具有貫通整棟建筑的核心式開啟式中庭的高層辦公建筑為研究對象，采用Ecotect及Airpak軟件進行模擬分析，分為夏季供冷工況和冬季供暖工況。結果表明，在建筑外圍護結構氣密性很好的前提下，冬夏季均存在開啟式中庭頂部過熱的情況，局部高溫夏季42℃，冬季39℃；冬夏季中庭對周邊辦公區(qū)域影響較??；冬季中庭的存在有利于減小采暖負荷；中庭存在氣流環(huán)流。

開啟式中庭供冷工況供暖工況Airpak環(huán)流

0 引言

建筑學上，中庭是指建筑物之內或之間的有頂庭院，強調垂直方向的貫通[1]。各類中庭形式中，核心式中庭是國內外最常見、最典型。中庭的剖面基本分為三種，矩形、V字形、Λ字形[2]。若中庭與周圍多數(shù)房間無隔墻完全連通，則稱之為開啟式中庭。本文研究對象是樓高為99.55m的高層辦公建筑，該建筑具有核心、開啟式中庭，剖面結合V字形和Λ字形的結構特點。中庭空間熱環(huán)境主要受“溫室效應”和“煙囪效應”的影響[3]。中庭設計是否合理不僅影響室內舒適度，還影響建筑自身的能耗[4，5]。

針對中庭熱環(huán)境，文獻[5]～[8]中學者采用現(xiàn)場實測的方法對中庭熱環(huán)境進行探究，發(fā)現(xiàn)中庭存在明顯的垂直溫差。更多學者采用了模擬方法進行研究[8～12]，張帆的模擬結果[10]顯示開啟式中庭由于中庭與各層直接連通，每層均有部分冷空氣自中庭下沉、熱空氣上浮的現(xiàn)象，溫度分層明顯。中庭的存在對建筑能耗的影響也較大[8，13]，尤其是頂層及各層回廊區(qū)域。

1 研究對象

目前中庭建筑的研究中，研究對象大多僅取中庭部分[9，11，12]。而具有開啟式中庭的建筑各層氣流相互流通，熱環(huán)境相互影響，不應僅取中庭部分，而應將氣流貫通的全部建筑空間作為研究對象。對于開啟式中庭建筑，若樓層較高[8]，其開啟式中庭大多僅與回廊區(qū)域直接連通，而與周邊其他區(qū)域的空調環(huán)境有墻體隔斷；與各層空調區(qū)域直接連通的開啟式中庭建筑樓層較低[10]。而本建筑樓層較高同時具有開啟式中庭，少有可以參考的設計案例，因此有必要針對該建筑進行研究。本文采用Ecotect及Airpak軟件為主要工具，將本建筑氣流貫通的全部建筑空間作為研究對象，對該建筑熱環(huán)境進行模擬分析，并進一步探究該開啟式中庭對周邊辦公區(qū)域熱環(huán)境的影響。

1.1建筑概要

該建筑位于杭州市，建筑地上層數(shù)20層，高度99.55m，地上建筑面積43280m2，主體朝向南偏東53°，屬于一類高層辦公建筑。建筑外立面形狀較復雜（圖1），建筑基座呈72m×34.5m的長方形。核心式中庭貫穿整棟建筑，高99.55m，形狀不規(guī)則（圖2），具體剖面形式為：東西側上部為Λ型，下部V型；南側上部為半Λ型，下部為半V型；北側為豎直規(guī)則立面。各樓層標高匯總為表1。

圖1 建筑效果示意圖

圖2 中庭邊界示意圖

表1 建筑樓層標高信息表

19層靠近中庭處為空中花園，其余為大空間辦公區(qū)域?？罩谢▓@上空為封閉的玻璃天窗，天窗總面積690m2。除大堂及空中花園外，每層凈高3m。11、17～20層與中庭之間用玻璃幕墻隔斷為封閉空間，其余樓層包括空中花園部分均與中庭直接連通，每層的走廊區(qū)域為距離中庭邊界2m范圍內，每層中庭邊界設置1.4m高豎直玻璃圍欄，同時在吊頂上設置0.5m高懸梁擋壁阻礙冬季熱空氣外溢到中庭。由于建筑形狀不規(guī)則，故無標準層。以13層為例（圖3），建筑平面呈軸對稱設計，主要功能區(qū)域為大空間辦公室。

圖3 平面示意圖（13層）

1.2空調系統(tǒng)概要

整體上建筑的空調系統(tǒng)與建筑平面相適應，也呈軸對稱分布。大堂、大空間辦公區(qū)域多采用低速定風量全空氣系統(tǒng)，頂送頂回或側回；挑空大堂處采用雙工況噴口，側送頂回；空中花園采用雙工況球形噴口，側送側回。通過調節(jié)噴口向上或向下的傾斜角，適應冬夏季不同溫濕度環(huán)境的需求。除球形噴口外，風口均采用條縫型風口。中庭底部人員活動區(qū)為空調區(qū)域，其余為非空調區(qū)域。該建筑屋面除玻璃天窗外，其余部分涂覆了反射率為0.85的高反射涂料，使用了高反射隔熱屋頂?shù)谋粍邮焦?jié)能技術，以增強頂層空間的人員熱舒適性[14]。根據(jù)國內常用修正方法，對該部分屋面的傳熱系數(shù)乘以0.9的修正系數(shù)。設計方使用HDY-SMAD暖通空調負荷計算及分析軟件V1.7對冷熱負荷進行逐時計算，計算表明，夏季最大冷負荷為5220kW，出現(xiàn)在16:00，冬季最大熱負荷為3100kW，出現(xiàn)在8:00。

2 模擬計算

本文首先利用Ecotect軟件分析中庭太陽輻射分布比例，然后采用Airpak軟件對該建筑熱環(huán)境進行模擬計算。在保證模擬結果可靠性的基礎上，對模型進行適當?shù)暮喕凹僭O如下：

1）室內空氣不可壓縮，且符合Boussinesq基本假設；

2）室內空氣流動為穩(wěn)態(tài)湍流；

3）空調期間室內為正壓且建筑氣密性很好，無滲風、漏風。

2.1物理模型

考慮到建筑平面及空調末端均對稱設計，且核心筒與大空間辦公區(qū)域不直接連通，因此為了避免計算區(qū)域過大，取建筑對稱軸西側、核心筒南側（見圖3的陰影部分）作為計算區(qū)域。11、17～20層辦公區(qū)域與中庭之間有玻璃幕墻隔斷，不列入計算區(qū)域。計算區(qū)域尺寸為（圖4、圖5）。

圖4 模型效果圖

圖5 模型西立面圖

2.2數(shù)學模型

室內氣流屬于三維穩(wěn)態(tài)不可壓縮紊流流動，因此采用改進的RNG雙方程模型[15]。近壁面采用標準壁面函數(shù)法，速度和壓力耦合采用SIMPLE算法，用控制容積法離散求解區(qū)域，控制容積為六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)約725萬。離散求解的相關參數(shù)的設定如表2所示。

表2 離散求解的相關參數(shù)設定

2.3邊界條件

建筑空調負荷根據(jù)設計方提供的負荷計算書，以體熱源的形式平均布置在每層相應區(qū)域；送回風口的尺寸、位置、風量、溫度等按照暖通設計相關資料進行設置，對送風口設置流量、溫度、湍流度等參數(shù)，對回風口設置流量、湍流度等參數(shù)；由于僅對建筑的一半進行建模，因此對稱軸處的邊界采用對稱邊界。

頂部采光天窗接受太陽輻射，用Ecotect軟件對太陽輻射透過天窗后在中庭各壁面的分配情況進行模擬分析。中午12時太陽輻射最強、太陽高度角最大，因此取設計日中午12時作為計算時刻，將模擬結果作為模型中對應的中庭壁面的熱流量。中庭不同高度處接收的太陽輻射量不同，根據(jù)Ecotect軟件模擬結果進行統(tǒng)計，將中庭不同高度處所接收的太陽輻射量占進入建筑的太陽輻射總量的比例列為圖6。外圍護結構傳熱已考慮在上述體熱源中，因此其余外壁面設為絕熱邊界。

圖6 不同高度處中庭所接收的太陽輻射量占進入建筑的太陽輻射總量的比例

3 模擬結果分析

3.1夏季工況

夏季供冷工況溫度模擬結果如圖7～9所示，可見89m高度處出現(xiàn)溫度驟升，該處至天窗之間空氣溫度均高于30℃，99m高度處平均溫度34℃，局部最高可達42℃，平均溫升梯度為0.4℃/m。分析原因是頂層接受的太陽輻射熱量無法被排出，積聚在上空。而溫度驟升出現(xiàn)在89m高度，是因為88.6m處存在空中花園的水平送風噴口，噴口起到了一定的空調分層作用。但由于太陽輻射得熱量相對較多，空中花園平均溫度為28.7℃，較明顯地偏離25℃的設計溫度。

圖7 夏季A-A截面溫度云圖

圖8 夏季B-B截面溫度云圖

圖9 夏季中庭垂直溫度分布圖

由圖9可知，16層及以下的中庭平均溫度在24.8℃～26.2℃之間，溫升十分緩慢，僅上升了1.4℃。而16層及以下空調區(qū)平均溫度分布在23.2℃～25.7℃之間（圖10）。17、18層高度處的中庭溫度在26.2℃～28℃之間，溫升梯度為0.2℃/m。由于透光玻璃天窗占頂棚的面積比僅約28%，進入中庭的太陽輻射量較少。此外，中庭上部的Λ型剖面設計使得最上層中庭面積較小，而且上層對下層起到的自遮陽作用使下層得到的太陽輻射量較少。核心式中庭被四周的空調區(qū)域包圍，因此16層及以下的中庭基本維持了周邊的空調設計溫度，并沒有對周邊空調區(qū)產生很大影響。而17、18層中庭不與空調區(qū)域連通，因此溫度稍高于下面幾層。由圖10可知，北部走廊區(qū)域的平均溫度高于該層平均溫度，主要是因為北側的豎直立面無自遮陽效果，太陽輻射熱量使北側走廊區(qū)域溫度稍高，但仍在可接受的范圍內。

圖10 夏季空調區(qū)域的平均溫度（1～16層）

從矢量圖11、12可知，中庭內氣流呈環(huán)流流動：中庭北側和西側氣流上升，南側和西南側氣流下降。從前述分析可知，中庭北側溫度偏高，導致氣流上升，同時帶動中庭西側的部分氣流上升；而南側、西南側由于中庭立面的自遮陽作用使溫度稍低，氣流下降，形成了中庭的環(huán)流。局部氣流速度為0.53m/s，會使相鄰走廊內人員有明顯的吹風感[16]。

圖11 夏季中庭45m水平面速度矢量圖

圖12 夏季A-A截面速度矢量圖

3.2冬季工況

冬季供暖工況溫度模擬結果如圖13～16所示。針對底層區(qū)域，中庭1、2層溫度約19.5℃，空調區(qū)域溫度約18.7℃，分析其原因是空調送風的熱空氣上浮造成的，即中庭下送風口距離地板9m，部分空調送風并未到達底部，而是在浮升力的作用下通過中庭上浮，導致底層區(qū)域溫度較低。3～16層中庭溫度緩慢升高，在21.8℃～23.5℃之間，空調區(qū)域溫度在21℃～23℃之間?？梢?6層及以下的中庭溫度高于該層空調區(qū)域溫度，利于減少采暖負荷。

圖13 冬季中庭垂直溫度分布圖

圖14 冬季A-A截面溫度云圖

圖15 冬季B-B截面溫度云圖

中庭在73m和89m兩高度處均出現(xiàn)溫度驟升，在86m高度處溫度小幅下降。73m高度處的溫度驟升是因為從該處即17層起中庭與空調區(qū)域不再連通，中庭壁面得到的太陽輻射熱量集中在中庭區(qū)域而不向其他空調區(qū)域擴散。17、18層中庭處的溫度穩(wěn)定在27.9℃左右。86m和89m高度處的溫度突變均是由空中花園的水平送風口引起的，25℃的送風溫度低于周邊空氣溫度，造成86m高度處溫度有小幅的下降。而太陽輻射熱量的聚積導致中庭頂部過熱，從89m開始溫度迅速上升，99m高度處平均溫度38.5℃，平均溫升梯度為0.9℃/m。

北部走廊區(qū)域的平均溫度高于該層其他空調區(qū)域平均溫度（如圖16），中庭冬季亦存在氣流環(huán)流（如圖17），與夏季工況相類似。

圖16 冬季不同區(qū)域的平均溫度（1～16層）

圖17 冬季B-B截面速度矢量圖

4 結論和建議

針對該棟具有開啟式中庭的高層建筑，本文對其夏季工況和冬季工況的熱環(huán)境進行了模擬分析，主要評價其在現(xiàn)有空調設計下，開啟式中庭是否會對周邊辦公區(qū)域的熱環(huán)境產生不利影響。在做出合理簡化和假設的基礎上，通過模擬可以得出以下主要結論：

1）在現(xiàn)有空調系統(tǒng)正常運行的情況下，除建筑上部和底部外，空調區(qū)域基本可維持夏季25℃、冬季22℃的室內設計溫度，因此開啟式中庭對周邊空調區(qū)熱環(huán)境影響不大。

2）中庭頂部透明部分對建筑上部熱環(huán)境影響很大。在正午時刻，中庭頂部局部氣溫將高于40℃，對周邊區(qū)域尤其是空中花園會產生不利的影響，建議配合其它措施（如機械送排風）緩解建筑上部局部過熱問題。

3）中庭內冬夏季均存在氣流環(huán)流現(xiàn)象。夏季的環(huán)流氣流會在中庭拐角處局部加速，風速約為0.53m/s，使在走廊靠近中庭的人員有吹風感，但此處人員密度較小，因此可忽略此處氣流加速的影響；冬季不會出現(xiàn)這種情況。

4）中庭底部送風口的高度和形式影響建筑底部熱環(huán)境，下送風口不宜距人員活動區(qū)較遠，否則易出現(xiàn)熱空氣不能到達人員活動區(qū)的現(xiàn)象，需要在設計中加以重視。

致謝

華東建筑設計院暖通工程師—吳國華老師為我們本次工作的順利進展做了很大貢獻，亦給出很多建設性指導，在此向吳國華老師表示十分感謝。

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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

李崢嶸（1969～），女，博士，教授；上海市楊浦區(qū)四平路1239號同濟大學機械與能源工程學院（200092）；021-65988869；

E-mail:lizhengrong@#edu.cn