嚴(yán)寒地區(qū)建筑采光中庭光環(huán)境模擬初探

周洪濤 魏雪彤

(吉林建筑大學(xué) 130000)

0 引言

近年來(lái)，大型公共建筑如辦公建筑、教學(xué)建筑、商業(yè)建筑都采用帶有玻璃采光頂?shù)闹型?lái)引入自然光線，在增加自然采光的同時(shí)節(jié)約了能源，自然光線相對(duì)于人工光源更能帶動(dòng)人們的積極性，使人身心愉悅。影響采光中庭的光環(huán)境因素有很多，平面形式、采光頂樣式、玻璃形式、室內(nèi)裝飾材料等都對(duì)中庭的光環(huán)境有很大影響。本文采用基于Ecotect下的Radiance軟件進(jìn)行模擬，研究平面形式、平屋頂與斜坡頂不同采光頂形式對(duì)于中庭內(nèi)光環(huán)境以及各層光環(huán)境分布的影響。

1 參數(shù)設(shè)定

建筑中庭按照建筑邊界單項(xiàng)中庭、雙向中庭、三項(xiàng)中庭和內(nèi)置中庭。文中選用嚴(yán)寒地區(qū)常用的內(nèi)置中庭作為研究對(duì)象，并將中庭內(nèi)部進(jìn)行簡(jiǎn)化，忽略掉玻璃的劃分方式與鑲嵌方式及中庭內(nèi)部的欄桿、欄板綠化等同時(shí)對(duì)中庭內(nèi)部的飾面材料進(jìn)行簡(jiǎn)化。

1-1飾面光反射比ρ

中庭的層高統(tǒng)一設(shè)定6層，一層為5.1m, 二至六層為4.5m，計(jì)算走道范圍統(tǒng)一為4m。平面形式分為圓形、六邊形、方形、矩形。采光頂形式為平屋頂和斜屋頂。

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

由采光系數(shù)和采光均勻度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。采光系數(shù)是在室內(nèi)參考平面上的一點(diǎn)，由直接或間接地接收來(lái)自既定和已知天空亮度分布的天空漫反射光而產(chǎn)生的照度與同一時(shí)刻該天空半球在室外無(wú)遮擋水平上產(chǎn)生的天空漫反射光照度之比。采光均勻度是室內(nèi)照度分布不均勻，使人視功能下降，影響工作效率，需要房間內(nèi)照度有一定均勻度，通常以室內(nèi)照度最低值與室內(nèi)照度平均值之比。

3 模擬過程及結(jié)果

3.1 平面形式

在采光面積一定的情況下，設(shè)定中庭的形狀分別是圓形半徑 13.54m、正六邊形邊長(zhǎng)14.88m正方形邊長(zhǎng)為24m*24m、矩形邊長(zhǎng)分別為20m*28.8m、16m*36m、12m*48m、9m*64m，屋頂形式為平屋頂。

圖3-1 不同形式中庭采光系數(shù)分布圖

圖3-2 采光系數(shù)變化曲線圖

由圖3-1和 3-2得出，在采光頂采光面積、飾面材料一樣狀態(tài)下：（1）采光系數(shù)最大值是圓形＞六邊形＞正方形＞20m*28m〉16m*36m＞12m*48m＞9m*64m。長(zhǎng)寬比越小，采光系數(shù)最大值越低，長(zhǎng)寬比為1時(shí)，越接近圓采光系數(shù)值越大。（2）采光系數(shù)平均值隨著長(zhǎng)寬比的加大而減小，長(zhǎng)寬比為 1時(shí)，越接近圓形采光系數(shù)平均值越大。（3）采光系數(shù)均勻在長(zhǎng)寬比為1的情況下，越接近圓形均勻度越好；長(zhǎng)寬比不等于 1的情況下，長(zhǎng)寬比越大，采光系數(shù)均勻度越好。（4）在同等狀態(tài)下，越接近圓形，采光系數(shù)對(duì)比值越大，越容易產(chǎn)生眩光。

圖3-3 各層走廊采光系數(shù)變化曲線圖圖

3-4各層走廊采光系數(shù)均勻度變化曲線圖

由圖3-3和圖3-4可知，在采光頂采光面積、飾面材料一樣的狀態(tài)下：（1）長(zhǎng)寬比越接近 1的時(shí)候，一層的采光均勻度越來(lái)好。（2）采光均勻度變化成拋物線形狀，變化特點(diǎn)是中間層采光均勻度越低，由中間層逐漸向兩邊遞增。（3）頂部采光照度分布是水平面比墻面照度高，水平面照度在房間中間比兩旁高。照度分布是：（1）各層照度值隨著層高的加深而加大。（2）在同樣范圍內(nèi)，中庭形式雖有不同，但二層高范圍內(nèi)照度值均最小。（3）在冬至日全陰天最不利的狀態(tài)下，一層～三層在距離中庭3m的范圍內(nèi)照度均小于300lux，需要進(jìn)行人工照明輔助；四層～六層距中庭4m范圍內(nèi)照度值均小于300lux，需要進(jìn)行人工照明輔助。（5）五層和六層在最不利狀態(tài)小照度值達(dá)到1500lux，在正常天氣下容易產(chǎn)生眩光，需要針對(duì)這兩層進(jìn)行單獨(dú)的遮陽(yáng)處理。

4 屋頂形式

為對(duì)比不同采光頂形式對(duì)于中庭內(nèi)光環(huán)境的影響，建立模型中庭尺寸為24m*24m，走到寬度為6m，層高5.1m ，二至六層為3.9m 。

4.1.1 平屋頂

屋頂形式分別為平屋頂、高分別為1m、2m、3m的矩形屋頂，其各層采光系數(shù)平均值為：4.78、6.23、8.18左右。平屋頂在采光系數(shù)方面各層中庭影響不大。在剖面上，采光系數(shù)平均值為3.64%、3.97%、4.22%、4.46%。

圖4-1 不同采光頂下中庭采光系數(shù)分布圖

由圖 4-1可得出，在其他條件都一致的情況下，只改變矩形中庭采光頂?shù)母叨?，在剖面上隨著中庭高度的加深采光系數(shù)平均值在加大；底層中庭采光系數(shù)變化較小，頂層采光系數(shù)平均值逐漸加大。隨著采光頂高度加大，采光頂輻射的范圍越大，尤其對(duì)頂層的中庭空間影響較大，高3m的矩形采光頂?shù)恼斩容椛浞秶哂谄讲晒忭數(shù)恼斩取?/p>

圖4-2 不同采光頂六層采光系數(shù)曲線圖

由圖4-2可知，隨著采光頂高度的不同，對(duì)頂層空間影響較大，頂層采光系數(shù)平均值隨著采光頂高度的增加而增加，采光均勻度也隨著高度增加而加大。經(jīng)軟件模擬測(cè)試采光頂?shù)母叨仍黾訉?duì)與底層空間影響不大，照度變化值也較小。頂層的照度值從平屋頂?shù)礁?m的矩形屋頂其最大照度分別為1494.87lux、

1510.16 lux、1578.42lux、1589.44lux，此時(shí)是在冬至日全陰天最不利狀態(tài)下的測(cè)試值，故在夏天晴天狀態(tài)下高3m的矩形中庭會(huì)比平屋頂產(chǎn)生更大照度值，更易產(chǎn)生眩光。4.1.2斜坡頂

斜坡頂?shù)慕嵌冗x擇為18°、30°、45°。為單坡、雙坡和四坡。在單坡屋頂中分別設(shè)置了單坡屋頂?shù)某颉?/p>

表4-1 單坡采光頂角度與朝向采光照度平均值

由表4-1可知長(zhǎng)春地區(qū)單坡采光頂照度平均值隨著角度的增加照度平均值在減小即18°＞30°＞45°。單坡頂坡度的朝向不同，也影響著室內(nèi)的采光，無(wú)論角度多大，其內(nèi)部照度平均值是南向坡＞東向坡＞西向坡＞北向坡。雙坡頂隨著角度的增大照度值逐漸減小，東西向坡度照度值低于南北向，在四坡頂?shù)牟晒忭斨?，照度平均值隨著坡度的升高而減小。

通過分析得出：（1）中庭的平面形式上長(zhǎng)寬比接近 1的采光效果越好，圓形的采光效果最好，但中庭的中心處照度容易偏大，在夏天的時(shí)候需要進(jìn)行一定的遮陽(yáng)處理。（2）在采光頂?shù)男问缴?，平屋頂與矩形屋頂雖然對(duì)采光系數(shù)均勻度影響不大，矩形采光頂中庭的立面上的照度會(huì)隨著矩形采光口的高度的增加而升高，矩形天窗隨著天窗高度的加深其采光均勻度加大，對(duì)中庭頂層的空間影響較大，采光頂?shù)母叨仍礁?，頂層越容易產(chǎn)生強(qiáng)烈的眩光，此時(shí)可以選用透射比較小的玻璃，以弱化采光頂?shù)难９庾饔谩＃?）坡屋頂下的中庭采光照度會(huì)收到坡屋頂坡度的影響，即南向坡＞東向坡＞西向坡＞北向，同時(shí)隨著坡度的增加，中庭的照度在逐漸減小，可以根據(jù)不同的朝向選擇不同透光率的玻璃。（4）中庭各層采光系數(shù)不一樣，頂層＞底層＞中間層。頂層和底層避免使用高反射的材料，以免造成眩光，中間層多使用些淺顏色，高反射的材料增加室內(nèi)照度。