建筑中庭光熱環(huán)境與空間幾何關(guān)系的研究

董海榮，崔英姿，徐 開，王利文

（常州工學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，江蘇 常州213002）

建筑中庭光熱環(huán)境與空間幾何關(guān)系的研究

董海榮*，崔英姿，徐 開，王利文

（常州工學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，江蘇 常州213002）

通過數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)，對常見建筑中庭的光環(huán)境與熱環(huán)境參數(shù)進(jìn)行研究，得到了中庭空間的采光系數(shù)和熱環(huán)境參數(shù)分布特征，及其與中庭空間幾何關(guān)系的相關(guān)性，提出了合理利用太陽光熱的生態(tài)設(shè)計(jì)措施，嘗試為優(yōu)化夏熱冬冷地區(qū)建筑中庭空間尺度及光熱環(huán)境質(zhì)量提供參考.

建筑中庭；光環(huán)境；熱環(huán)境；數(shù)值模擬；縮尺模型試驗(yàn)

中庭作為室內(nèi)外空間環(huán)境介質(zhì)的交換場所，是辦公、商業(yè)、科教等公共建筑中廣泛應(yīng)用的一種空間類型［1］.如何實(shí)現(xiàn)光、熱等環(huán)境介質(zhì)的利用與平衡一直是學(xué)術(shù)界探索的問題，處理不當(dāng)往往會造成大量能源的浪費(fèi)［2］.Du等人［3］對日光在不同幾何形狀中庭空間與不同漫反射率界面的照度分布進(jìn)行了試驗(yàn)研究.Assadi等人［4］以某三層公共建筑的中庭為研究對象，對中庭不同高度位置的溫度與通風(fēng)進(jìn)行測試，并建立了分析模型.Littlefair［5］和Calcagni等人［6］探討了日光在不同幾何形狀、屋頂透射率條件下中庭空間的采光系數(shù)分布.Taleghani等人［7］通過分析中庭空間的逐月能耗、舒適性與氣候的關(guān)系，探討了如何實(shí)現(xiàn)能源使用和舒適性的最佳平衡.Holford等人［8］提出了一個(gè)預(yù)測中庭空氣被太陽能直接加熱后狀態(tài)的理論模型.Walker等人［9］采用縮尺模型測試中庭自然通風(fēng)的參數(shù)，并與數(shù)值分析結(jié)果比較，預(yù)測和測量了氣流模式、溫度和速度分布特征.井光娥等人［10］模擬在太陽能煙囪的熱壓作用下，對中庭室內(nèi)空氣流動(dòng)速度、壓強(qiáng)、室溫與空間尺度的關(guān)系進(jìn)行了探索.本文針對夏熱冬冷地區(qū)建筑中庭采光與熱環(huán)境舒適性所存在的矛盾，通過模型試驗(yàn)比較分析了幾種常用的隔熱和遮陽技術(shù)措施下光熱分布規(guī)律，數(shù)值模擬了中庭空間幾何關(guān)系變化情況下的采光分布規(guī)律，并提出建筑中庭舒適節(jié)能的設(shè)計(jì)優(yōu)化原則.

1　建筑中庭的空間特征

1.1建筑中庭的剖面形式

建筑中庭的剖面有3種基本形式：①向下敞口.上口開口面積小，接收直射陽光少，須充分考慮建筑采光問題及冬季太陽輻射得熱少的供暖問題；②向上敞口.由于上口開口面積大，底層空間進(jìn)深較大，須注意頂層空間的夏季隔熱問題和底層的采光問題；③上下垂直開口（矩形）.構(gòu)造簡單，底層的采光和頂層隔熱較易控制.然而單一采用向上敞口或向下敞口的形式，很難滿足夏熱冬冷地區(qū)采光中庭的節(jié)能要求，大部分建筑中庭選擇較為簡潔的上下垂直開口形式.本文數(shù)值模擬與試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦x擇矩形剖面形式.

1.2建筑中庭的平面形式

建筑中庭的基本采光形式可分為三面采光、兩面采光、單面采光和封閉型.前3種顯示直接采光面的個(gè)數(shù)，而封閉型是指中庭布置在建筑平面的中心，是公共建筑中最為常見的中庭形式，其光熱問題最為突出.本文研究對象選取封閉型中庭.

2　建筑中庭高寬比對室內(nèi)采光影響的計(jì)算機(jī)模擬

2.1建筑中庭計(jì)算機(jī)模擬模型

對于封閉型矩形的建筑中庭，其高寬比關(guān)系著中庭的采光及隔熱性能，隨著中庭高度增加，采光中庭到達(dá)相鄰空間直射光線的進(jìn)深迅速減少；因此，為保證中庭相鄰空間工作面能夠獲得足夠的天然采光，充分利用自然光，應(yīng)考慮中庭的高寬比例.

模擬中庭高寬比指中庭高度與寬度的比值，與選擇模型底面積大小沒有直接關(guān)系.本模擬模型選擇底面積為15 m×15 m，層高為4 m的3層建筑，中庭頂部透明部分按照正方形設(shè)置，其邊長分別為4，4.8，6，8 m，即模擬中庭高寬比為3∶1，2.5∶1，2∶1，1.5∶1.在實(shí)際工程的建筑中庭設(shè)計(jì)中，中庭開口尺寸應(yīng)符合GB50189—2005《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中相關(guān)規(guī)定，例如屋頂開口面積不宜超過屋頂面積的20%.

2.2建筑中庭采光模擬分析

建筑中庭采光模擬使用Ecotect軟件，不同高寬比中庭一層和三層的采光系數(shù)模擬結(jié)果如圖1～2所示.

圖1　不同高寬比中庭一層的采光系數(shù)Fig.1 Daylight factor of first floor of atrium with various height-to-width ratio

圖2　不同高寬比中庭三層的采光系數(shù)Fig.2 Daylight factor of third floor of atrium with various height-to-width ratio

從圖1～2可以看出：①隨著中庭高寬比的增加（開口面積的減?。?，采光系數(shù)逐漸降低；②4種高寬比的中庭，一層比三層的采光系數(shù)低很多；③隨著與中庭中心點(diǎn)距離的增加，采光系數(shù)迅速降低，尤其對于高寬比為3∶1的中庭，在一層遠(yuǎn)離中庭的中心處，采光系數(shù)只有2.9%，因此中庭高寬比不宜超過3∶1；④對于高寬比為1.5∶1的中庭，遠(yuǎn)離相鄰房間處仍有較大的采光系數(shù)，距離中心7 m處一層約為12%，三層約為32%，而且中庭正下方的采光系數(shù)很大，約為60%，勢必造成眩光，因此占地面積小的建筑不宜采用；對于占地面積大的建筑，可以分散設(shè)置幾個(gè)中庭；⑤中庭正中央附近的采光系數(shù)很大，即使對于開口面積只占屋頂面積7.1%（高寬比3∶1）的中庭，其采光系數(shù)每層中央處約為36%，這必然會造成眩光，須采取遮陽措施.

3　建筑中庭隔熱措施對室內(nèi)溫度影響的模型試驗(yàn)

本文采用模型進(jìn)行試驗(yàn)，在部分物理環(huán)境因子確定狀態(tài)下，測得不同遮陽及通風(fēng)措施的中庭對室內(nèi)熱環(huán)境和光環(huán)境影響的相關(guān)性.

3.1試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

模擬試驗(yàn)以中庭無任何隔熱措施作為參照，比較采用遮陽布遮陽、淋水被動(dòng)蒸發(fā)隔熱、自然通風(fēng)措施對中庭內(nèi)溫度和照度的影響.試驗(yàn)假定幾種隔熱措施建筑中庭的相鄰空間環(huán)境參數(shù)相同，對中庭熱和光環(huán)境影響一致，因此提取中庭部分制作縮尺模型箱體，頂部放置玻璃用來模擬中庭透光部分，直接接受陽光的照射.箱體放置在屋頂，避免周圍物體對其遮擋.為了減少室外氣候?qū)ο潴w內(nèi)熱工方面的影響，在箱體四周以及下部都增設(shè)厚度為50 mm的擠塑性聚苯乙烯泡沫塑料板，選擇厚度為6 mm的透明玻璃.共制作箱體6個(gè)，其中高寬比為2∶1（500 mm×500 mm×1 000 mm）的箱體4個(gè)，分別用于采用遮陽、被動(dòng)蒸發(fā)降溫、自然通風(fēng)措施和無隔熱措施試驗(yàn)；另外制作高寬比為3∶2（500 mm×500 mm×750 mm）、1∶1（500 mm×500 mm×500 mm）箱體各1個(gè)，用于自然通風(fēng)措施試驗(yàn).

3.2試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2013年9月15—17日進(jìn)行試驗(yàn)，溫度記錄采用JT-Ⅱ溫度與熱流巡檢儀，間隔時(shí)間設(shè)定為15 min，9月16日記錄照度值.測試結(jié)果見圖3～5.

由圖3可以看出：①通風(fēng)隔熱措施的室內(nèi)照度和無隔熱措施基本一致，即其不會影響中庭內(nèi)的照度值和減小眩光影響；②水幕被動(dòng)蒸發(fā)隔熱措施模型內(nèi)的照度比無隔熱措施的低，最大值由9 450 lx降低到6 330 lx，因此水幕遮陽可以減小中庭內(nèi)的眩光影響；③采用半透明遮陽布遮陽時(shí)（測試時(shí)間為10：15—11：55），中庭內(nèi)的照度值明顯下降，照度值約為1 500 lx.采用不透光遮陽布遮陽時(shí)（測試時(shí)間為11：55—16：25），相當(dāng)于沒有設(shè)計(jì)中庭，照度值只有20 lx左右，完全不能滿足照度的要求，所以不能采用不透光遮陽布遮陽的方式.

圖3　不同隔熱措施中庭模型的照度Fig.3 Illuminance of atrium model with different insulation measure

由圖4可以明顯看出：①由于玻璃溫室效應(yīng)作用，任何一種隔熱措施模型內(nèi)的溫度都明顯高于室外空氣溫度（測試期間室外最高溫度31℃），無遮陽措施的溫度最高達(dá)到51.1℃，比室外空氣溫度高20.1℃.②幾種隔熱措施中，通風(fēng)隔熱降溫幅度較大，與無隔熱措施比較，最大降10.8℃，而且降溫較穩(wěn)定，說明采光中庭采用通風(fēng)降溫措施效果較好.③采用不透光遮陽布全遮陽時(shí)，雖然模型的溫度降低最大，但此時(shí)模型內(nèi)的照度很小，所以不適合采用此方式；半透明遮陽布遮陽的降溫與通風(fēng)降溫效果基本相同，該方式既可以防止眩光，又可以降低室內(nèi)冷負(fù)荷，采用半透明遮陽布（膜）遮陽方式較好.④采用水幕被動(dòng)蒸發(fā)遮陽時(shí)，由于水幕較薄以及夏熱冬冷地區(qū)室外空氣濕度較大導(dǎo)致水分蒸發(fā)減弱，其可以起到一定的降溫作用，但效果不明顯.考慮到水幕被動(dòng)蒸發(fā)降溫的造價(jià)及運(yùn)行費(fèi)用，在夏熱冬冷地區(qū)采光中庭不宜采用此方式隔熱.

圖4　高寬比2∶1的不同隔熱措施中庭模型內(nèi)溫度Fig.4 Temperature in an atrium with high to width ratio 2∶1 using different heat insulation

圖5　自然通風(fēng)狀態(tài)下不同高寬比中庭模型內(nèi)溫度Fig.5 Temperature in an atrium of different ratio of high to width under natural climate

由圖5可以明顯看出：隨著模型高寬比的增加，模型內(nèi)溫度降低幅度亦增加，即在滿足其他條件的前提下，要盡量提高中庭上部的出風(fēng)口位置.

4　結(jié)論

1）隨著中庭高寬比的增加（開口面積相對減小），采光系數(shù)逐漸降低；隨著與中庭中心點(diǎn)距離的增加，尤其是底層采光系數(shù)迅速降低.為了滿足采光的要求，采光中庭的高寬比不宜超過3∶1；對于高寬比不超過1.5∶1的中庭，極易造成眩光，不宜采用；當(dāng)建筑占地面積大，需要較大面積的中庭天窗時(shí)，可以分散設(shè)置幾個(gè)中庭.

2）中庭設(shè)置通風(fēng)口可降低中庭內(nèi)的溫度，中庭高寬比增大，降溫較明顯；設(shè)置半透明遮陽布隔熱效果較好.實(shí)際工程將可變遮陽措施與可調(diào)節(jié)通風(fēng)措施結(jié)合，可有效降低中庭空間在夏季強(qiáng)烈日光下的照度、溫度，在冬季可利用溫室效應(yīng)，提高中庭內(nèi)部的溫度，創(chuàng)造良好的室內(nèi)光與熱環(huán)境.

3）中庭透明部分采用水幕可降低室內(nèi)照度、減小眩光，但在夏熱冬冷地區(qū)室外濕度較大的情況下，水幕隔熱效果不明顯，不宜采用此方式隔熱.

［1］雷濤，袁鑌.生態(tài)建筑中的中庭空間設(shè)計(jì)探討［J］.建筑學(xué)報(bào)，2004（8）：68-69.

［2］陳旻.熱緩沖技術(shù)在建筑節(jié)能方面的應(yīng)用［J］.建筑技術(shù)，2010，41（7）：638-640.

［3］DU Jiangtao，SHARPLES S.Analysing the impact of reflectance distributions and well geometries on vertical surface daylight levels in atria for overcast skies［J］.Build Environ，2010，45（7）：1733-1745.

［4］ASSADI M K，DALIR F，HAMIDI A A.Analytical model of atrium for heating and ventilating an institutional building naturally［J］.Energy Build，2011，43：2595-2601.

［5］LITTLEFAIR P.Daylight，sunlight and solar gain in the urban environment［J］.Solar Energy，2001，70（3）：177-185.

［6］CALCAGNI B，PARONCINI M.Daylight factor prediction in atria building designs［J］.Solar Energy，2004，76（6）：669-682.

［7］TALEGHANI M，TENPIERIK M，van den DOBBELSTEEN A.Energy performance and thermal comfort of courtyard/atrium dwellings in the Netherlands in the light of climate change［J］.Renewable Energy，2014，63：486-497.

［8］HOLFORD J M，HUNT G R.Fundamental atrium design for natural ventilation［J］.Build Environ，2003，38：409-426.

［9］WALKER C，TAN Gang，GLICKSMAN L.Reduced-scale building model and numerical investigations to buoyancydriven natural ventilation［J］.Energy Build，2011，43：2404-2413.

［10］井光娥，周艷，李慶領(lǐng).太陽能煙囪熱壓強(qiáng)化自然通風(fēng)對室內(nèi)熱環(huán)境的影響［J］.青島科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，34（1）：66-70.

Study on the relations between optical and thermal environment and spatial geometry of atrium space in the building

DONG Hairong*，CUI Yingzi，XU Kai，WANG Liwen
（Sch of Civil Engin，Changzhou Inst of Technol，Changzhou 213002，China）

Through numerical simulation and model test of common atrium，the daylight factor atrium space distribution characteristics and thermal environment parameter distribution are obtained and the relationship between them and the atrium space geometry is given.The author also proposes eco-design measures of rational use of sunlight and heat to provide a reference for the optimization of the atrium space and optical and thermal environment in hot summer and cold winter areas.

building atrium；light environment；thermal environment；numerical simulation；scale model test

TU 111.2；TU 113.5

A

1007-824X（2015）01-0057-04

（責(zé)任編輯 賈慧鳴）

2014-05-11.*聯(lián)系人，E-mail：hairongdong@163.com.

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部資助項(xiàng)目（2013-K1-35）；常州工學(xué)院自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（YN1306）.

董海榮，崔英姿，徐開，等.建筑中庭光熱環(huán)境與空間幾何關(guān)系的研究［J］.揚(yáng)州大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2015，18（1）：57-60.