中庭作為公共建筑的一部分，受到了人們的廣泛歡迎，普遍應用于各種不同類型和規模的建筑之中。目前，國內外都已有一些利用中庭空間的物理特性大幅降低建筑能耗的成功案例。

本文通過生態效能的計算機模擬分析，提出了高大中庭的空調節能措施。

高大中庭作為室內環境與室外自然環境的氣候交換空間，具有調節室內氣候環境的潛質。

中庭的大面積玻璃圍護結構在透射陽光的短波輻射溫暖室內的同時，阻擋了來自室內的長波輻射，使得室內溫度上升，形成溫室效應。溫室效應有利于提高冬季建筑室內溫度，降低供暖費用，但夏季的溫室效應往往導致室內過熱。

中庭內外部空間空氣溫度差引起空氣流動，中庭較高的豎直高度加快了氣流速度，形成煙囪效應。煙囪效應所產生的良好自然通風降低了室內溫濕度，節省了夏季空調費用，但冬季的煙囪效應卻引入大量寒風。

在對相關能耗問題認識不清或缺乏足夠技術支持的情況下，建筑建成后運行效果往往不盡如人意。在現實中常常發現許多建筑物的中庭由于處理不當，夏季酷熱難耐，冬季寒風刺骨[1]，或是在有效改善室內熱環境的同時，帶來了高昂的建筑能耗。

為研究高大中庭的室內熱環境，以武漢地區在建項目的某高大中庭為例進行了計算機CFD模擬，通過對武漢氣候狀況和經濟技術條件的分析，為其空調節能設計提供依據。

該項目中庭高達43m，將健身美容、影視、文化、休閑、餐飲、精品商業、金融等功能自上而下分層分區配置。該建筑建成后將成為武漢市的標志性建筑。武漢市位于我國中部，地處中低緯度，屬夏熱冬冷地區。夏季空調室外計算干球溫度35.3℃，夏季空調室外計算濕球溫度28.4℃，夏季空調日平均溫度32.2℃，夏季通風室外計算溫度32℃，極端最高溫度39.6℃；冬季空調室外計算干球溫度-2.4℃，冬季通風室外計算溫度0.1℃，冬季最冷月室外平均計算相對濕度72%，極端最低溫度-18.1℃^[2]。

模擬采用倫敦大學開發的比較成熟的PHOENICS3.3軟件，聯合計算程序是清華大學建筑學院開發的一套太陽輻射計算程序，模擬中庭空間室內熱環境，并由程序自動計算人體模型處的平均輻射溫度，為后繼研究的開展提供了便利。

模擬時間取武漢地區夏季6月2日正午12：00參數，此時室外氣溫27.6℃。中庭相鄰房間室溫取27℃，地下室室溫取22℃。

1) 在屋頂通風窗關閉情況下模擬中庭室內熱環境，結果見圖1

a 溫度分布（℃）                                b 氣流分布（m/s）

圖1 夏季屋頂通風窗關閉時中庭熱環境模擬

從氣流分布圖可以看到中庭具有的煙囪效應。在屋頂通風窗關閉情況下，中庭下部空氣流動較快，熱空氣聚集在中庭中上部無法排除，也很難與下部較冷空氣形成氣流循環，溫度不斷升高，在室外氣溫只有27.6℃時，中庭頂部最高氣溫達到38.1℃。

需要說明，這里模擬的是一個穩定狀態下的中庭室內熱環境，即假設太陽一直處于正午12：00輻射最強狀態時的室內最終熱狀況，在實際情況下，這種狀況只持續大約1h，然后太陽輻射將下降，因此模擬的結果應該較實際偏熱，但這并不影響通過結果的比較得出定性的結論。

2) 在屋頂通風窗開啟情況下模擬中庭室內熱環境，結果見圖2

a 溫度分布（℃）                                b 氣流分布（m/s）

圖2 夏季屋頂通風窗開啟時中庭熱環境模擬

從氣流分布圖可以看出，在屋頂通風窗開啟情況下，室外冷空氣從底部入口處進入，被加熱空氣從頂部天窗排出。由于通風作用，熱量在中庭頂部聚集現象明顯減弱，中庭頂部空氣溫度大致為29.0℃左右，同時人體高度處平均風速增大，有利于人體排熱。

1.2.1.2 冬季中庭室內熱環境模擬

模擬時間取武漢地區1月2日正午12：00參數，此時室外氣溫5℃，中庭相鄰房間室溫取20℃，地下室室溫取10℃。在屋頂通風窗關閉情況下模擬中庭室內熱環境，結果見圖3。

a 東、西截面溫度分布（℃）                         b 南、北截面溫度分布（℃）

圖3 冬季屋頂通風窗關閉時中庭熱環境模擬

從圖中可以看到中庭具有的溫室效應。在寒冷的冬季，高大中庭的室內空氣溫度將大大高于室外，人體高度處可達20℃左右。由此可以看出，利用中庭的溫室效應，冬季保證頂窗良好的氣密性，室內熱環境可達到或接近舒適標準。

從以上模擬結果可以看出，中庭具有溫室效應和煙囪效應的特點，垂直溫度分布梯度大。在武漢地區夏季，即使室外氣溫舒適，高大中庭室內過熱的可能性仍然很大，但利用煙囪效應，通過開啟頂部通風窗等通風方式，可以明顯改善高大中庭室內熱環境；而在冬季，利用溫室效應，關閉頂部通風窗，高大中庭室內可形成較為舒適的熱環境。

2.1 應加強圍護結構的選擇和改善。如果能合理地控制窗墻比，提高門窗氣密性，做好外墻外保溫，提高建筑熱工性能，將對整個建筑節能提供一個較好的基礎。

2.2 合理控制室內參數，降低空調負荷。

2.3 應進行詳細的空調負荷計算。根據逐時逐項空調冷負荷計算結果進行的系統分析及設備選型才是有科學依據的，才可能做到空調節能。

2.4 根據模擬試驗數據，高大中庭其豎向溫度梯度達0.26℃/m, 空調設計根據中庭具有溫室效應和煙囪效應的特點進行才能達到滿意的效果。

2.5 根據該大樓的功能分區，高大中庭采用分層空調，一層風口側送。夏季由于熱空氣上升作用，在屋頂通風窗關閉情況下，中庭頂棚附近溫度達38.1℃。若考慮分層空調，且在頂部設置通風層，排走上部熱空氣，與常規系統相比可節能40％左右。考慮到煙囪效應，在高大中庭上部與中庭相連的走廊處宜作空氣阻隔，以減少中庭上部熱空氣對相連走道的影響。

2.6 高大中庭冬季采用地板輻射供暖系統，有利于提高人的熱舒適感，因地板輻射供暖設計溫度可降低2℃，有利于大樓的節能。如果采用常規空調，由于熱空氣上升作用，當人員活動區溫度20℃時，中庭頂棚附近溫度將達到32℃，會浪費大量的能源，采用輻射采暖方式，高大中庭上部氣流溫度較常規空調低，可減少高大中庭的空調能耗，也可減少對與中庭上部相連空間的干擾。冬季采用地板輻射供暖系統與常規系統相比可節能35％左右。

2.7 采用新風換氣機全熱回收系統進行排風熱回收, 新風節能50％左右。

2.8 為了節省運行費用，降低風機功率，風機采用變頻控制。

2.9 空調系統設自動控制，以利于節能。

2.10 利用高大中庭良好的生態效應，采用自然通風可取得較好的通風效果。自然通風是一種不消耗機械動力的、經濟的通風方式。合理運用自然通風方式，可節約輸送能耗，同時極大地減少了高大中庭及周邊房間空調運行時間，節省運行費用。

全球范圍內的能源危機，促使了人類環境意識的覺醒，建筑能耗問題逐漸成為人們關注和研究的話題。對于高大中庭空間，充分利用其特點，充分利用空調節能技術，就有可能把高大中庭建成一個舒適、經濟、節能的建筑。

[1] 袁光宗,吳紀昌. 深圳國貿大廈中庭熱環境實測分析與研究[G]// 第六屆建筑物理學術會議論文選集.北京：中國科學技術出版社, 1993: 452-453

[2] 中國氣象局氣象信息中心氣象資料室，清華大學建筑技術科學系著。中國建筑熱環境分析專用氣象數據集[M]北京：中國建筑工業出版社，2005