商场中庭热环境控制设计及运行监测数据分析

胡从川，秦 蓉，董 黎，滑亚娟

(1.鲁能集团有限公司，北京 100020; 2.清华大学，北京 100084; 3.山东海科信息技术有限公司，山东 青岛 266071)

以中庭为代表的高大空间区域一直是空调工程的重难点。现代商场有别于传统商场，为吸引消费者，尽可能营造轻松、舒适的室内光热环境。中庭是商场重要的公共活动空间、交通枢纽点，顶部通常采用天窗引入自然光以获得良好的室内光环境，另外，中庭还具有面积大、空间广、区域间无隔断、底部出入口多等特点。基于以上结构特点，商场空调运行时中庭常出现垂直方向温度梯度大、上热下冷的问题：在夏季，由于冷空气下沉、热空气上升，且中庭天窗射入大量太阳辐射，造成中庭上部空间温度过热、底部空间过冷的现象；在冬季，中庭底部各出入口有大量室外冷风入侵，冷空气积聚在中庭底部而空调系统输送的热空气并未到达人员所在的低层而直接会上浮，积聚在中庭顶部，同样造成中庭上部过热、底部过冷[1-5]。

目前，国外在解决上述问题的研究主要集中在对于空调分层技术的研究，主要是根据相似理论的模型试验和对气流的数值模拟，如2004年雅典奥运会使用的分层空调系统[6-7]。

本文针对上述中庭上热下冷问题，分析问题的根源主要包含两部分：中庭自身的结构及空调系统的气流组织。本文以某商场为例，在设计阶段，对商场中庭的天窗及其联通的主要出入口采取有效措施，以降低中庭的冷热负荷；在中庭被动式优化的基础上，结合气流组织分析，优化空调末端设计，消除上热下冷现象；在运行阶段，制定中庭空调运行监测方案，基于监测运行数据，分析中庭垂直方向温度分布情况，完成对设计方案的验证，总结高大空间控制“上热下冷”问题的设计和运行管理经验。

本文所采用方法创新点在于分析和解决中庭空间温度梯度分布的过程中采用了跨专业、跨阶段的分析方法，并通过运行过程中所收集的数据反馈到各个专业和各个阶段，形成闭环分析体系，对进一步的优化提供了一套方法论。

1 设计控制方案

分析案例是位于夏热冬冷地区上海市的某大型商场，整个商场共四层，其中，地下一层，地上三层，总建筑面积约10万平米，为典型的大中庭建筑，中庭顶部屋面设计了大面积玻璃天窗。

图1 商场中庭示意图

为了避免该商场在运行时中庭大空间垂直方向出现温度梯度大、上热下冷的问题，结合上述问题根源分析，在设计阶段，重点对关键影响因素，即中庭围护结构的天窗、出入口气密性及其空调末端进行分析，并提出有效解决方案：

1.1 减少天窗太阳辐射

天窗是中庭围护结构保温隔热的薄弱环节，通过天窗引起的空调冷负荷占总空调冷负荷的比重大。在夏季，通过屋顶天窗，一部分太阳辐射直接透射入室内形成冷负荷，辐射热量积聚在中庭顶层，一部分太阳辐射被天窗自身吸收后天窗表面温度升高，与室内尤其是高区的人员进行辐射换热，造成人员体感过热，影响舒适度[8]。因此，控制天窗的太阳辐射可直接改善“上热”问题。减少天窗太阳辐射得热，可从以下几方面考虑：

(1)在夏季，天窗面积与太阳辐射得热成正比关系。结合室内自然采光分析，合理降低天窗面积；

(2)天窗遮阳系数越小，阻挡或抵御太阳光热量向室内辐射的性能越好。结合经济分析，减小天窗的遮阳系数；

(3)遮阳设施可阻隔太阳辐射热和太阳光线进入室内。设置有效内外遮阳设施，可减少天窗太阳辐射引起的空调负荷。

商场在设计时，首先在符合公共建筑节能设计标准条文要求的前提下，确定中庭天窗比例及其遮阳系数的多个比选设计方案，利用建筑能耗模拟软件并对方案进行了建筑负荷模拟计算，并结合方案的投资成本、施工难度和运行效果(包括采光效果、能耗影响、人员舒适性等)多方面综合考虑，最终确定商场中庭天窗方案：挑空区域上空设置天窗，人员活动区上空无天窗，天窗玻璃选用遮阳系数小的Low-E玻璃，内部设置遮阳设施。

1.2 控制室外冷风入侵

造成中庭冬季底部过冷的主要原因是低层各主入口的冷风入侵。造成冷风侵入的原因包括室内外温差造成的热压、商场内餐饮厨房排风造成的负压、室外风压等。针对上述问题根源，本项目在设计时采用以下措施以控制冷风入侵：

(1)建筑出入口采用密闭自动旋转门，旋转门的密封性能满足门窗气密标准较高要求；所有后勤通道出入口设置自闭式密封门；

(2)对墙洞、管道洞等围护结构开口的封堵措施提出明确要求，并要求在施工和验收时进行仔细检查和验收。

(3)由于厨房补风设计方案往往存在“缺陷”，导致建筑在实际运行时厨房存在系统能耗高、室内环境差、在室人员不舒适等问题。很多建筑为实现系统能耗降低和人员舒适性提高的目标，在运行时不开厨房补风机，但厨房排风量很大直接从商场公区抽风，商场负压严重，最终与中庭相通的底部入口有大量冷风入侵。因此，要减少冷风入侵，厨房补风系统设计和运行尤为关键。商场对相应的厨房补风设计提出明确要求，在设计时要合理计算厨房排风量、划分系统、选择补风口位置、设置岗位送风，并要求对厨房送排风机进行连锁控制及监测；在运行时连锁开启厨房排风和补风系统，并一直监控排风和补风的联动运行状态。

1.3 优化空调末端系统

中庭空调通常采用四管制组合式空调箱全空气系统为该区域提供服务，为了适应高大空间各层负荷的差异和不同控制调节需求，各层均设置独立空调箱，根据各自区域特点进行独立控制。商场在设计阶段详细计算各层空调负荷，根据负荷为各楼层空调箱进行选型；在运行阶段根据实际温湿度分布情况，每台空调箱可以根据对应区域的负荷情况，实现水量、送风温度和风量等参数的调节[9]。

此外，设计时对空调末端送风口位置、送风口角度、送风风速等参数进行细节把控，控制送风气流组织，避免夏季冷风直接坠入挑空区域和冬季热风直接上浮：末端送风扣位于吊顶侧面，调整送风口角度射流向下，控制送风风速，以保证送风到本层人员活动区域，形成良好的气流组织(见图2)。

图2 中庭送风优化方案示意图

2 运行监测数据分析

2.1 监测方案

获得商场中庭高大空间真实可靠的温湿度分布数据，以便客观反映室内热湿环境整体分布情况。要获取监测数据，首先需要制定合理、科学的监测方案，在制定监测方案时需考虑以下几点要求：

(1)监测点应均匀布置在每层的典型区域，比如靠近建筑入口处、各层人员活动区等，布置范围覆盖不同楼层、不同位置；

(2)其次，测点安装位置要隐蔽，避免人为干预，从而影响测试数据的真实性，安装高度尽量接近人员活动区，可略高于人员高度，探头位置要求通风良好，避免阳光直射，不能放置在空调送回风口附近或风口射流影响范围内。监测仪器数据记录时间间隔不超过10 min，监测数据长期存储。

按照上述监测方案要求，在商场在负一层及地上三层的公区走廊和靠近出入口处布置了温湿度传感器(见表1)，传感器探头位于吊顶格栅下，距地高度约2 m，传感器设置记录时间间隔为10 min，记录时长为一年。整个中庭共布置了10个测点，具体情况：负一层是①～③号测点，一层是④～⑥号测点，二层是⑦～⑧号测点，三层是⑨～⑩号测点；其中⑤、⑥靠近主入口。

所使用仪器均进行过标定，且对于现场采集数据使用多个自记仪相互校核并与BA系统的传感器进行相互校核的方式保证采集数据的准确性。

2.2 监测数据分析

因本文要解决的是商场垂直方向的温度梯度问题、上热下冷问题，因此对数据进行分析关注的是各层平均温度是否均匀，暂不讨论商场各季节温度控制的合理性。《室内空气质量标准》GB/T1888-20023对室内温度控制范围是：夏季空调22～28℃，冬季采暖16～24℃范围。另外《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50736-2012对舒适性空调对室内设计参数规定见表2。

表1 测试仪器表

表2 空调室内设计参数

在商场进入稳定运营阶段后，按照上述监测方案进行测点布置，对中庭全年逐时室内温湿度数据进行监测。对监测数据整理分析，其中中庭制冷季、过渡季和供暖季典型月(8月、10月和12月)的温度变化见图3～图5。对监测数据进行分析发现：

图3 制冷季典型月商场中庭室温分布情况

图4 过渡季典型月商场中庭室温分布情况

图5 供热季典型月商场中庭室温分布情况

(1)对比上述标准规范的温度要求，三个典型季节的平均温度都处于舒适范围内，制冷季各测点平均温度范围23～26℃，过渡季平均温度范围22～24℃,供暖季平均温度范围18.5～24℃。

(2)制冷季，3层的⑩测点平均温度较高，其他各层的温度较为一致，均控制在24℃左右，未出现过冷区域。测点⑩问题经现场调研，可通过空调箱控制调节改善。同为3层的⑨～⑩差异进一步说明了空调箱控制调节对于区域温度的影响。

(3)过渡季，中庭平均温度均在23℃左右。

(4)供暖季，一层的⑤测点位于出入口附近，受出入口开关门影响，冬季有室外冷风入侵导致温度较低，但还处于舒适温度范围内。但该处的开关门冷空气渗入控制情况还可再改善。除测点⑤室温偏低外，同一楼层不同测点温度分布较为均匀。

从整体上看，不同楼层的温度分布较为均匀，水平和垂直方向未出现明显温度梯度，基本无上热下冷问题。

3 结论分析

本文针对中庭普遍出现的上热下冷现象，分析现象的根本原因主要是中庭天窗设计不合理，联通中庭的主要出入口气密性差造成大量室外空气渗入，空调气流组织效果差。以实际案例某商场为例，在设计阶段，结合商场中庭结构实际情况对设计方案进行优化控制并落实于商场中，对稳定运营的商场全年在线监测数据进行分析，发现设计方案对中庭消除“上热下冷”现象效果良好，验证了设计控制方案的可行性。优化措施包括：

(1)通过模拟多个对比方案的建筑负荷，优化了中庭天窗的大小、遮阳系数，采用内遮阳的遮阳设施，有效控制通过天窗的太阳辐射得热量；

(2)通过出入口采用自动密闭旋转门，建筑围护结构缝隙封堵，厨房排风补风联动控制，减少建筑的室外冷风侵入；

(3)分层、分区域独立设置空调机组并优化空调末端风口的位置、朝向、风速，改善气流组织，避免空调冷风下沉。

另外，鲁能集团酒店、商业综合体节能降耗研究项目的支持下完成本文，特在此感谢。