(1.沈陽建筑大學(xué) 遼寧 沈陽 110168；2.遼寧省環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)中心 遼寧 沈陽 110161)

據(jù)國際能源署2007年世界能源預(yù)測(cè)：到2030年，全球能源需求將增加55%以上，石油、煤炭、天然氣則占能源需求的82%。因此，“節(jié)能減排”已成為當(dāng)今世界性的主課題。[1]現(xiàn)代建筑隨著建造技術(shù)的進(jìn)步也在發(fā)生著日新月異的變化。建筑師除了考慮功能完善，形式美觀，經(jīng)濟(jì)適用外，也越來越重視建筑節(jié)能和可持續(xù)性發(fā)展。中庭作為現(xiàn)代建筑的代表空間起到了一定的節(jié)能作用。

一、節(jié)能建筑

近年來我國一直致力于全面推廣節(jié)能建筑。相比較普通建筑，節(jié)能建筑節(jié)能減排可達(dá)90%以上，節(jié)能建筑設(shè)計(jì)能夠達(dá)到即節(jié)省能源又創(chuàng)造舒適環(huán)境的雙重目的。[2]為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能建筑的目標(biāo)，全世界越來越重視可再生能源的開發(fā)，以及最大限度的利用自然采光和自然通風(fēng)來減少能耗。本文從節(jié)能減排和綠色健康的角度出發(fā)，分析中庭設(shè)計(jì)案例以及對(duì)已建成中庭溫度、濕度測(cè)量來探討建筑節(jié)能技術(shù)如何改善中庭熱環(huán)境。

自然通風(fēng)是最常見的通風(fēng)換氣方式，幫助調(diào)節(jié)室內(nèi)熱環(huán)境、提高空氣品質(zhì)、降低空調(diào)能耗，比機(jī)械通風(fēng)更宜人環(huán)保。中庭具有煙囪效應(yīng)它能提升室內(nèi)自然通風(fēng)效率，現(xiàn)代建筑中中庭受到設(shè)計(jì)者和使用者的喜愛，它不但可以增加室內(nèi)自然采光，創(chuàng)造明朗大氣空間體驗(yàn)，同時(shí)，中庭易儲(chǔ)存太陽輻射熱，使空氣升溫形成熱壓，空氣從天窗排出，從而形成煙囪效應(yīng)，其強(qiáng)度受建筑高度、出風(fēng)口面積和室內(nèi)外溫差影響。

二、中庭設(shè)計(jì)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們對(duì)室內(nèi)環(huán)境舒適性的需求提高，在公共建筑中引入庭院空間的設(shè)計(jì)手法在我國迅速普及。其中建筑內(nèi)部的中庭和邊庭等空間已運(yùn)用多年，其具有豐富的空間感，使用功能多樣性，突顯心曠神怡的精神感受，一直受到設(shè)計(jì)者和使用者的認(rèn)可。各地為了適應(yīng)不同的氣候環(huán)境創(chuàng)造出了相應(yīng)的中庭形式，其對(duì)于建筑的整體節(jié)能、氣候控制和環(huán)境凈化等方面能起到積極的作用。生態(tài)中庭的確能在節(jié)能方面帶來很大收益。英國建筑研究院(BRE)在2000年曾對(duì)英國的各類辦公建筑進(jìn)行了調(diào)研，結(jié)果顯示，帶有中庭的可自然通風(fēng)的辦公建筑，每平米建筑除采暖外能耗約為30k Wh/(m2·a)，而典型的全封閉中央空調(diào)辦公建筑則超過300k Wh/(m2·a)，有十倍之差。[3]

但在這個(gè)過程中也暴露出了一些問題，諸如中庭在建筑中的功能定位并不明確，尺度沒有相關(guān)的規(guī)范，有時(shí)面臨空間布局不當(dāng)，節(jié)能效果不佳等問題。中庭節(jié)能技術(shù)就是通過選擇合理的材料和形體，利用一些機(jī)械手段使自然采光、溫室效應(yīng)和煙囪效應(yīng)來達(dá)到優(yōu)化建筑室內(nèi)環(huán)境的目的。

三、建筑節(jié)能技術(shù)與中庭熱環(huán)境

(一)中庭節(jié)能設(shè)計(jì)案例分析

本設(shè)計(jì)為建筑設(shè)計(jì)作業(yè)，地點(diǎn)位于北京，是一座建筑系教學(xué)樓。中庭作為本設(shè)計(jì)的一大亮點(diǎn)，集休閑、交通、集散為一體，力圖打造豐富的空間體驗(yàn)感，中庭是學(xué)生們課余時(shí)間活動(dòng)的重要場(chǎng)所，所以要考慮使用人群的熱舒適性和心理感受，需要做到冬暖夏涼，通風(fēng)良好，空間開敞明亮。為了做到相對(duì)舒適的中庭熱環(huán)境，屋頂設(shè)計(jì)了可調(diào)節(jié)百葉。冬季時(shí)充分利用太陽光，此時(shí)中庭能收集大量太陽輻射熱提升室內(nèi)溫度。使室內(nèi)溫暖如春。夏季時(shí)，根據(jù)光照調(diào)節(jié)百葉角度，防止多余熱量射入中庭。僅僅這些還不完善，還需要做到室內(nèi)自然通風(fēng)，保證室內(nèi)空氣品質(zhì)，提供足夠的氧氣給師生。所以在中庭頂部最上層開了小出風(fēng)口，這出風(fēng)口與一層入口的進(jìn)風(fēng)口相結(jié)合形成了煙囪效應(yīng)(詳見圖1)。

圖1 節(jié)能措施剖面示意圖

圖2 煙囪效應(yīng)剖面示意圖

為了讓煙囪效應(yīng)的效果更為突出，還配備一些輔助手段。1.充分利用中庭上升式屋頂，因?yàn)檫@種逐層上升的空間可以增強(qiáng)煙囪效應(yīng)的通風(fēng)效果。2.在建筑進(jìn)風(fēng)方向種植若干植被綠化，空氣經(jīng)過植物后，能降低溫度及濕度，改善空氣質(zhì)量。3.在進(jìn)風(fēng)方向還有一座噴泉，噴泉水可冷卻進(jìn)入室內(nèi)的熱空氣，降低空氣的溫度。4.中庭內(nèi)部種植綠化，二次凈化空氣，另外，植物進(jìn)行光合作用，呼吸空氣，可帶動(dòng)空氣流通。5.出風(fēng)口處采用玻璃材料，直面太陽光的輻射，出風(fēng)口溫度較高，與室內(nèi)形成更大的熱壓(詳見圖2)。

設(shè)計(jì)中還涉及到了其他綠色節(jié)能措施。還有雨水收集系統(tǒng)，雨水通過屋頂?shù)氖占芎蛷V場(chǎng)上的吸水磚匯集到地下，經(jīng)過過濾沉淀后，既可以在平日里用來灌溉綠植，又可以為廣場(chǎng)上的噴泉提供水源。另外，利用斜墻和屋頂設(shè)置了太陽能光伏板，其主要作用就是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，為建筑系館提供部分電力供應(yīng)。最后就是屋頂綠化，因?yàn)楸本┙鼛啄觎F霾沙塵嚴(yán)重，綠化可以有效改善建筑周邊空氣品質(zhì)，也能做到屋頂隔熱(詳見圖1)。

(二)中庭熱環(huán)境實(shí)測(cè)分析

將理論與實(shí)際相結(jié)合，在2018年1月對(duì)沈陽市某多層辦公樓的中庭進(jìn)行了熱環(huán)境測(cè)量工作。實(shí)測(cè)目的是得到中庭在工作時(shí)間內(nèi)溫度與濕度變化情況。此中庭水平面長(zhǎng)21米，寬23米，面積約452平方米。取工作面橫向5排縱向6列作為中庭橫縱向典型剖面，橫縱剖面相交處為測(cè)量點(diǎn)。

圖3 2018年1月某工作日中庭溫度與濕度對(duì)比圖

經(jīng)過數(shù)據(jù)整理，本表是根據(jù)中庭(大廳)及電梯廳的一層測(cè)量點(diǎn)求出平均溫度(詳見圖3)。如圖所示，中庭全天溫度較為穩(wěn)定，略受室外溫度變化影響。最高溫度為11.68℃，在12：30左右出現(xiàn)。最低溫度出現(xiàn)在17:00，為10.13℃。溫差為1.55℃。室外平均溫度為-7.06℃，室內(nèi)空調(diào)供暖為25℃，中庭平均室內(nèi)溫度為11.16℃。東西兩側(cè)電梯廳的溫度略高于中庭自身溫度，西側(cè)的電梯廳溫度最高，下午受西曬的影響。綜上所述，中庭在18℃以下，不符合標(biāo)準(zhǔn)，使在中庭里工作的接待和保安人員仍需要依靠其他供暖設(shè)備才能辦公，中庭不節(jié)能。原因在于中庭采用大面積玻璃幕墻和ETFE膜屋頂，這種頂部與南北側(cè)采光的形式能較好的滿足中庭自然采光的使用需求，但同時(shí)致使這種形式在嚴(yán)寒地區(qū)會(huì)導(dǎo)致保暖不足，冷風(fēng)滲透，熱損失嚴(yán)重，消耗供熱資源。

利用相同方法求出工作時(shí)間段中庭平均濕度，可以得出濕度與溫度成正比關(guān)系(詳見圖3)。中庭濕度幾乎成一條直線，變化不明顯，與室外濕度曲線相似。由于冬季干燥且是空調(diào)供暖，所以建筑內(nèi)部濕度低于國家要求標(biāo)準(zhǔn)。最高濕度為19.21%RH，在9：00左右出現(xiàn)。最低濕度出現(xiàn)在14:00，為17.33%RH，相差1.88%RH。中庭平均室內(nèi)濕度為18.13%RH。與東西兩側(cè)電梯廳相比較，東西兩側(cè)變化較為活躍，受下午西曬的影響，溫度和濕度都偏高。

四、對(duì)建筑節(jié)能技術(shù)發(fā)展的思考

通過以上分析可以得出中庭熱環(huán)境在節(jié)能建筑的前進(jìn)道路上還需要進(jìn)一步完善?？梢栽谧鲈O(shè)計(jì)時(shí)考慮以下幾種輔助手段：1.在建筑進(jìn)風(fēng)口周邊設(shè)計(jì)人工水景，既美化景觀環(huán)境，又起到了降低進(jìn)入建筑的室外空氣溫度的作用。2.種植茂密的植被，以調(diào)節(jié)建筑周邊微氣候，提高空氣品質(zhì)。3.中庭南立面玻璃上做遮陽板和百葉，防止陽光直接射入室內(nèi)，確保室內(nèi)空氣溫度。對(duì)于嚴(yán)寒地區(qū)，大面積的玻璃幕墻不適用于冬季寒冷的環(huán)境，所以應(yīng)該在立面設(shè)計(jì)時(shí)控制窗墻比，在自然采光滿足的請(qǐng)況下在北向立面設(shè)置可調(diào)節(jié)百葉，達(dá)到冬暖夏涼的目的。4.以中庭作為煙囪效應(yīng)載體時(shí)可以在底層設(shè)計(jì)水景或者綠化，降低空氣溫度，促進(jìn)空氣對(duì)流。5.出風(fēng)口用玻璃天窗，有助于加熱出風(fēng)口附近空氣，加大熱壓差，強(qiáng)化煙囪效應(yīng)。在冬季，可關(guān)閉出風(fēng)口，玻璃材質(zhì)的煙囪成了一個(gè)陽光房，可以為室內(nèi)蓄積熱量，減少空氣熱損耗。6.對(duì)于進(jìn)深較大的建筑，利用煙囪頂部開口，并且在其內(nèi)壁采用可反射材料，不僅可以解決室內(nèi)的新風(fēng)問題，也可以利用它的反射為室內(nèi)帶來陽光。

五、收獲和總結(jié)

盡管現(xiàn)代技術(shù)為建筑師提供了多方面的便利，開拓了建筑空間多重可能性。但也能僅僅依靠技術(shù)來解決建筑環(huán)境問題，部分技術(shù)對(duì)能源的消耗使建筑節(jié)能越來越受重視。通過這幾年對(duì)中庭設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)和應(yīng)用，我深刻的認(rèn)識(shí)到運(yùn)用建筑節(jié)能技術(shù)不僅是改善建筑熱環(huán)境問題的一種手段,同時(shí)可以提高建筑內(nèi)部環(huán)境質(zhì)量,并具有節(jié)能環(huán)保和綠色健康的效果。在未來，我們要更加努力的去尋求建筑節(jié)能的途徑讓節(jié)能建筑長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展下去。