中庭因具有温室效应和烟囱效应的特点,中庭的垂直温度分布梯度大, 若设计不当, 易使环境的热舒适度变差, 并会增加能耗。如何在保留中庭的精髓空间共享的同时, 提出对中庭与周边空间的界面进行合理选择与分区, 使之能够分别对各区域的热舒适度加以有效地控制和分割。

    目前在建筑设计时越来越多的使用中庭,对中庭热环境控制和节能的设计方法等问题有必要进行学习。

一、中庭的热环境特性

    中庭内的热工特性: 温室效应和烟囱效应较为明显。

    温室效应是由于太阳的短波热辐射透过玻璃温暖室内建筑表面, 而室内建筑表面的较长波长的二次辐射则不能穿过玻璃反射出去, 因此便获得和积蓄了太阳能。

    烟囱效应则是由于空间高度造成热压力差, 从而形成中庭内气流的流动。

    中庭内的温度分布特性: 室内空气温度的垂直分布梯度较大。因此, 热量通常滞留在中庭顶部, 而在中庭底部的活动区域, 温度会相对较低。

二、影响中庭热舒适度的因素

1、气 候

    气候对于中庭设计的影响是很大的。例如, 寒冷地区的建筑, 通常一年中的大部分时间需要供热, 因此, 向阳、接纳与储蓄太阳热能、保温绝热、削弱烟囱效应等等, 成为该地区建筑的主要气候功能要求, 所以对于中庭就要更多地考虑采暖问题。

2、中庭的平面位置

    中庭与建筑主体结合的形式, 主要有核心式、整体式、线型式和接触式等等。一般中庭的位置主要受垂直界面与外界视线沟通程度的影响。当然, 除此之外, 还要受气候等因素影响。

3、中庭的剖面形式

    中庭的基本剖面形式可归纳为三种, 即: 矩形、V 字形、+字形。其中, 矩形最为普遍, 这种中庭以采光通风结合交通为主。V 字形剖面的中庭, 每层都有一部分面积可获取直射阳光, 这在那些主要考虑如何获得阳光照射的气候区, 可以发挥较好的作用。同时渐扩的断面, 有助于削弱烟囱效应。这种剖面形式存在的问题是下部楼层的进深过大, 对采光不利。+ 字形剖面的中庭, 上部楼层可以为下部楼层提供遮荫, 这在那些主要考虑如何隔绝阳光直射的气候区, 可以发挥较好的作用。同时渐缩的断面, 有助于烟囱效应的发挥。在实际应用中, 由于需要丰富和多变的中庭空间, 因此常常会将几种剖面形式组合使用。对中庭剖面设计影响较大的另一个因素是中庭高度与宽度的比值( SAR) 。当SAR 值较小时, 可以多吸收太阳辐射; 当SAR 值较大时, 烟囱效应比较明显, 能促进自然通风作用。

4、周边界面的影响

    中庭空间与周围使用空间的关系, 取决于对共享程度的要求。但从节能和控制舒适度的角度来讲, 应尽可能将开敞区限制在一定范围内, 减少不必要的空气流通才能使中庭与周围使用空间的热舒适度得到有效的控制。

5、顶部的处理

    中庭的顶界面分为实体和天窗两种。而天窗又可以分为: 水平天窗、垂直天窗、拱形天窗、坡脊天窗、金字塔或穹窿形天窗、重复单元构成的天窗等等。其中, 垂直天窗、拱形天窗、坡脊天窗主要适用于线形中庭或拱廊街, 一般应尽可能将采光面朝南北向。金字塔或穹窿形天窗主要适用于方形、不规则形或圆形中庭。而其余几种则适应性比较强。虽然天窗采光与侧窗采光相比, 采光效率更高, 但它也带来夏季入射热量过多的问题。所以, 当中庭可以采用边庭方式布置时, 尽可能采用侧面采光。

三、控制中庭热舒适度和能耗的方法

1、合理确定中庭的气候类型

（1）采暖中庭

    在气候寒冷的地区, 应该采用采暖型中庭。从设计的角度来讲, 采暖型中庭的高宽比、阴影区应较小, 应最大限度地争取太阳辐射并有效地蓄热, 应有严格的保温隔热措施, 而且其方位应易于接受阳光, 从而在事实上成为一个高效的被动式太阳房。在采暖型中庭内部, 还可以设置水体、贮热墙等, 吸收、贮存太阳热能, 并利用其延时放热特性, 提高中庭的夜间气温, 达到降低采暖费用的目的。在顶棚内侧或双层玻璃中间安装活动百叶或隔热膜, 也是不错的方法, 可以在冬季夜间保持室内热量, 或在夏季阻止过多的热量射入室内。

（2）可调温中庭

    在夏热冬冷的地区, 应该采用可调温型中庭从设计的角度来讲, 可调温型中庭既要求保温隔热, 又要求通风散热; 既要求能够获取太阳热能, 又要求能够防止因阳光照射引起的过热。因此, 需要设计人员精心协调。

（3）降温中庭

    在热带地区, 应该采用降温型中庭。从设计的角度来讲, 降温型中庭一般宜采用高耸及小面积采光天窗的形式。中庭的方位, 最好位于不易接受阳光的地方。在这种中庭的顶部, 一般应开设垂直天窗, 目的是利用烟囱效应组织通风或强化通风效果。采用垂直天窗式中庭的另一个原因, 是因为它能减少高度角较大的夏季阳光对中庭空间的辐射。当然, 要达到这一目的, 还需要注意一些构造处理上的细节, 例如: 天窗形状应合适并选择适宜的朝向; 天窗的玻璃应该向北倾斜; 天窗所用玻璃材料的反射系数应较大; 顶棚上应设置反射薄膜或百叶等等。此外, 中庭内水体、植物对阳光的吸收和蒸发散热作用, 也可以产生一定的调节室温的

效果。

2、合理确定中庭的舒适度类型

    当我们根据建筑所在地区的气候类型确定了中庭的气候类型以后, 从建筑设计的角度考虑, 最值得关注的问题, 就是确定中庭空间本身需要的舒适程度了。中庭空间的舒适程度范围很宽, 可以从一个简单的挑檐, 到全人工控制的全舒适状态。如表1 所示。

   一般说来, 遮阳型舒适程度的中庭, 是最节能的。而完全舒适程度的中庭, 所需消耗的能源是最多的。但是, 即便是完全舒适程度的中庭, 其能源消耗的多少也依赖于设计。

3、进行热舒适度分区控制

   对中庭建筑进行热舒适度分区控制, 是控制中庭能耗的一个重要措施。它包括两个方面的问题: 一是中庭本身的分区控制; 二是中庭与其周边空间的分区控制。而在这两个方面中, 第二个问题是更为主要的问题。

中庭舒适度类型舒适度及其控制程度遮阳型遮蔽与遮荫, 但空气不一定密闭无空调缓冲带型冬日空气密封靠阳光取暖, 夏日自然通风有空调缓冲带型通过空气调节措施控制中庭温度的变化幅度全舒适型中庭与周围使用空间达到相同舒适程度在这方面, 玻璃给了我们机会。它使得我们既可以满足中庭的/ 共享0这一空间设计要求, 又可以满足对于中庭建筑的节能设计要求。在有些中庭里, 既有人看人的效果, 又靠玻璃的围合成功地控制了各层的热舒适度, 降低了能耗。而象北京的甘家口商场, 各层商业空间与中庭之间完全没有控制, 同时在中庭的边界处摆上了摊位, 既破坏了视觉共享的效果, 又浪费了能源。

    通过这个例子, 我们希望传达这样一种概念: 在中庭的设计中, 我们所追求的主要是视觉上的空间共享, 而非一定要共享/ 空气0。理解了上述这两点, 我们就可以突破中庭设计的常规思维定式, 使其成为建筑师设计中出变化、求趣味的地方。

4、中庭形状控制方面的措施

（1）平面所处位置及形态

    中庭在建筑平面中的位置, 可以大致根据建筑所在地区的气候特点来决定。例如: 在日本横滨, 因为太平洋暖流的影响, 需要考虑在夏季如何利用中庭降温。因此, 当地常常把中庭放在建筑的北面, 较好地解决了这一问题。

（2）剖面形态

    在气候炎热的地区, 可以采用金字塔形剖面。由于金字塔形剖面的中庭可以形成烟囱效应, 因此, 即使是在无风的情况下, 也能保证有足够的冷空气从中庭下部进入室内, 并将被加热的空气从中庭顶部散发出去。由于吸入的冷空气可以冷却整个结构体系, 所以, 可以减少整个建筑空调系统的负荷。高耸形的中庭也可用作降温中庭。但是如果中庭过高, 可能导致室内风速过快及中庭空间的垂直温差过大。此时, 可以采用把中庭沿垂直方面分成数个中庭, 每个中庭单独组织自然通风的方法, 效果较好。

    在气候比较寒冷的地方, 可以采用倒金字塔形剖面。英国的ITN 总部办公楼就是如此。这座建筑在剖面上采用了层层退台的方法, 使得整个建筑可以获得太阳辐射的面积大大增加。同时还在退台处栽种了树木, 既有利于净化空气,又为人们提供了富于情趣的交往空间。

    在中庭的剖面设计中, 还要特别注意中庭的高度应高于使用空间的高度。在这个空间里, 可以聚集热量, 减少热空气对顶层使用空间的干扰。当然, 这个突出的部分, 要与其他的气候控制手段相结合。如: 冬季利用它加热新风; 夏季

可以组织空气逃逸等等。__

5、界面的控制

（1）空间属性的控制

    为了同时保证周围使用空间的私密性和中庭的公共性,当中庭和周围使用空间之间必须用实体墙面进行分割时, 可以采用在墙面上加窗洞的形式。当周围使用空间的私密性要求不高时, 则可以全部用玻璃作为界面进行分割, 在适度满足周围使用空间分割要求的同时, 通过增加中庭空间的视觉通透, 增加中庭的公共性。

（2）烟囱效应的控制

    为了在不同时间利用或者削弱烟囱效应的影响, 可以对中庭和周围使用空间之间的界面进行可控性设计。通过这种控制措施, 当人们需要烟囱效应时, 可以打开界面, 以便进行自然通风; 当人们需要保暖时, 可以封闭界面, 减弱烟囱效

应的影响。

（3）其他控制界面的方法

    当从视觉处理及交流角度考虑, 需要中庭具有最大的公共性时, 常常会要求周边的使用空间完全向中庭开放。这种做法与分区控制舒适度和节能的要求是矛盾的。但是, 即便如此, 也并不是完全无法进行调控。例如: 采用落地栏板, 防止冷气快速向下层流失; 在房间上部设置类似烟障的下垂构件, 减少冷气和暖气的流失; 采用气幕, 形成一个虚拟的封闭空间等等。

6、顶部的处理

（1）材料的选择

    降温中庭的顶界面常常采用实体材料。但是, 对于顶界面为天窗的中庭, 仍然可以按照上述原则来设计, 以便减少获得的太阳热。例如: 中庭天窗的玻璃, 可以使用磨砂玻璃,使直射光变成漫射光。这样, 既减弱了迎光面的眩光, 也改善了背光面的采光效率, 同时还减少了中庭吸收的太阳辐射热量, 可谓一举三得。

    工程上也可以采用太阳能空气气道的方式，在一定倾斜角的双层玻璃之间利用太阳能加热空气的方法，形成空气气道，在夏天格外有效。

（2）天窗面积的控制

    在中庭设置天窗以解决采光问题, 是一种常见的做法。但是, 这并不意味着整个顶面都必须是透明的。事实上, 天窗式中庭的构造处理原则是: 将玻璃材料与实体材料混合使用, 尽可能减少天窗的面积, 尤其是水平天窗的面积。这也正是在热带地区( 包括夏热冬冷地区) 设置天窗式中庭的窍门。而且, 当天窗面积减少到极致时, 在建筑中会出现一些特殊的装饰效果。

    工程上也可以采用外置遮阳板的方式以解决夏天过热的问题，在世博会沪上生态家的应用很有效。

（3）天窗的形式选择

    在需要天窗采光, 而又不希望接收太多辐射的地方, 可以采用垂直式天窗。这样进入中庭的光线是经过反射的光线, 不会造成眩光。

（4）天窗垂直面的作用

    除了根据上面的原则来设计天窗外, 不管采用什么形式的天窗, 中庭天窗最好都要有一个垂直面。这个垂直面可以有效地避免天窗因融雪、下雨而产生的雨水渗漏问题, 同时还可以作为中庭中热气的排出口及检修口。