雙向建筑中庭天然采光與建筑設(shè)計(jì)的研究

    中庭由于具有玻璃幕或玻璃頂棚，采取措施，便能夠有效地利用天然光，減少中庭照明的電能消耗，并且可以減少照明散發(fā)的熱量，降低夏季空調(diào)的制冷能耗，達(dá)到節(jié)能的目的。充分利用天然采光技術(shù)，增加中庭內(nèi)和中庭旁邊使用房間的照度，有利于節(jié)約照明能耗，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，減少污染。

    中庭的天然采光受到建筑本身構(gòu)造、剖面、采光材料及內(nèi)部布置，中庭的類型，中庭的采光面積，城市規(guī)劃，季節(jié)變化，時(shí)間變化，天空狀況的共同影響，這些都直接與中庭的建筑設(shè)計(jì)有關(guān)系。

    本研究?jī)H限于雙向中庭( 即中庭居建筑邊緣，兩周為房間，有兩面墻為玻璃幕墻，頂棚的天窗和兩面幕墻進(jìn)行天然采光) 。

    為了研究中庭的天然采光效果與建筑設(shè)計(jì)的關(guān)系，本文選擇了一系列的中庭進(jìn)行計(jì)算分析，見表1。

    中庭的形狀選擇常用的矩形、正方形、正六邊形和圓形。

    中庭的高度分別選擇: 12m，20m，28m，36m，44m。

    中庭的頂棚玻璃面積分別選擇: 40%，60%，80%， 100%，假定天窗都在中庭的中間。

    天窗的玻璃材料分別選擇: 透明玻璃、透明中空玻璃、Low-E+9+透明玻璃、單片熱反射玻璃、透明玻璃+9+熱反射玻璃、夾層玻璃，光學(xué)性能見表2。

    計(jì)算方法和計(jì)算點(diǎn)的確定，參見GB/T 50033—2001《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》。中庭的天窗假定為平天窗，天氣為陰天( 即與朝向無(wú)關(guān)) ，其他的一些參數(shù)分別選擇為: 頂棚反射系數(shù)ρp為0.75; 玻璃反射系數(shù)ρc見表2; 墻面反射系數(shù)ρq為0.70; 洞口反射系數(shù)ρ 為0.1; 地面反射系數(shù)ρd為0.66，計(jì)算面高度為0. 9m。

    雙向中庭除了頂棚天窗采光外，還有兩側(cè)面玻璃幕墻采光，中庭的天然采光是二者的總和。因此，與建筑設(shè)計(jì)的關(guān)系相對(duì)較復(fù)雜。

    圖1，2，3為透明玻璃雙向方形中庭天然采光系數(shù)隨高度變化的情況，隨著中庭高度的增加，天然采光系數(shù)值呈現(xiàn)不同的增長(zhǎng)趨勢(shì)。當(dāng)頂棚采光面積為100%和80%時(shí)，隨著中庭高度的增加，采光系數(shù)逐漸減少，減少速度減緩; 當(dāng)頂棚采光面積為60%和40%時(shí)，隨著中庭高度的增加，采光系數(shù)逐漸增加，增加速度減緩( 圖1) ; 這是因?yàn)椋��?dāng)頂棚采光面積較小時(shí)，側(cè)面的采光占了中庭的主要部分，而側(cè)面采光是隨著中庭高度的增加而逐漸增大( 表3) 。中庭的面積增大時(shí)，隨著中庭高度的增加，中庭的采光系數(shù)逐漸下降，下降的速度也逐漸減緩( 圖2) ; 圖3 為透明玻璃天窗4種形狀中的變化，隨著中庭高度的增加，采光系數(shù)逐漸減小，但減小的趨勢(shì)減緩，下降的趨勢(shì)是矩形＜ 方形＜ 圓形＜ 正六邊形。

圖1 不同頂棚采光面積中庭天然采光系數(shù)隨中庭高度的變化( 透明玻璃，400m2 )

    隨著中庭高度的增大，中庭的頂部采光系數(shù)逐漸減小，側(cè)面玻璃幕墻的采光系數(shù)卻逐漸增加。因此，當(dāng)頂棚采光面積為60%和40%時(shí)，不同的中庭形狀呈現(xiàn)不同的增長(zhǎng)特點(diǎn); 方形和矩形隨著中庭高度的增大，采光系數(shù)也增大，但圓形和正六邊形卻隨著中庭高度的增大，采光系數(shù)減小(表3) 。這主要是圓形和正六邊形頂棚的采光效率高于方形和矩形，在雙向中庭中占了總采光系數(shù)的主導(dǎo)地位。

    12m高時(shí)， 40%和60%的頂棚采光面積很小，這主要是天然光線難以到達(dá)計(jì)算點(diǎn)的區(qū)域。

    無(wú)論什么形狀，雙向中庭的側(cè)面采光系數(shù)都隨著中庭面積的增大而減小，中庭高度越高，減小的速度越緩慢( 表4) 。如圖4 所示，隨著中庭面積的增大，中庭的天然采光系數(shù)逐漸增加，增加的趨勢(shì)越來(lái)越緩慢，中庭高度高的比中庭高度低的增加速度要慢，即增長(zhǎng)速度是12 m ＞ 20 m ＞ 28 m ＞ 36 m ＞ 44m; 但不同形狀的中庭增長(zhǎng)趨勢(shì)，卻是圓形＞ 正六邊形＞ 方形，而矩形卻隨著面積的增大，采光系數(shù)減小( 圖5) 。這是由于，矩形的側(cè)面采光系數(shù)占了中庭總采光系數(shù)的主要部分。

    對(duì)于玻璃材料，是玻璃透射系數(shù)大的比透射系數(shù)小的增長(zhǎng)得快。在雙向中庭中，不同的頂棚采光面積，側(cè)面的采光系數(shù)變化是一致的，所以，雙向中庭仍然遵循頂棚采光面積越大，采光系數(shù)越大的趨勢(shì)。

    雙向中庭頂棚采光面積的增大，中庭的天然采光系數(shù)增大。中庭面積大的，隨著中庭頂棚采光面積的增大，中庭天然采光系數(shù)的增大趨勢(shì)略大于中庭面積小的( 圖6) 。

    隨著中庭頂棚采光面積的增大，4 種形狀中庭的天然采光系數(shù)增大的趨勢(shì)是: 在40% ～ 60% 段，正六邊形＞ 圓形＞ 矩形＞ 方形; 60% ～ 100% 段，方形＞ 正六邊形＞ 圓形＞ 矩形( 圖7) 。

    隨著中庭的高度增大，中庭頂棚采光的面積增大時(shí)，中庭的天然采光系數(shù)增大的趨勢(shì)反而減緩( 圖8) 。并且，當(dāng)中庭采光面積較小( 40%和60%)時(shí)，高的中庭采光效果好; 當(dāng)中庭采光面積較大( 80%和100%) 時(shí)，低的中庭采光效果好。

    5. 中庭形狀對(duì)天然采光效率的影響分析

    在相同的玻璃材料、相同的中庭高度、相同的中庭和采光面積的條件下的采光系數(shù)，圖3 顯示，當(dāng)中庭高度≤20 m 時(shí)，方形＞ 圓形＞ 矩形＞ 正六邊形;當(dāng)中庭高度＞ 20 m 時(shí)，方形＞ 矩形＞ 圓形＞ 正六邊形。圖5 顯示，當(dāng)中庭面積＜ 600 m2 時(shí)，方形＞ 矩形＞ 圓形＞ 正六邊形; 當(dāng)中庭面積≥600 m2 時(shí)，方形＞ 圓形＞ 矩形＞ 正六邊形。圖7 表明，方形＞ 矩形＞ 圓形＞ 正六邊形。即方形采光效率高，而正六邊形的采光效率低。從表3 中還可看出，側(cè)面采光是方形＞ 矩形＞ 圓形＞ 正六邊形。另外，從表3中還得到，當(dāng)中庭高度≥28m 時(shí)，采光系數(shù)是方形＞矩形＞ 圓形＞ 正六邊形; 當(dāng)中庭高度為20m、采光面積為40%時(shí)，采光系數(shù)是方形＞ 矩形＞ 圓形＞ 正六邊形，采光面積為60%～100%時(shí)，采光系數(shù)是方形＞ 圓形＞ 矩形＞ 正六邊形; 當(dāng)中庭高度為12m、采光面積為40%和60%時(shí)，采光系數(shù)是方形＞ 矩形＞ 圓形＞ 正六邊形，當(dāng)采光面積為80%時(shí)，采光系數(shù)是方形＞ 圓形＞ 矩形＞ 正六邊形; 當(dāng)采光系數(shù)為100%時(shí)，則為圓形＞方形＞正六邊形＞矩形。由此可知，當(dāng)中庭高度≥28m 時(shí)，側(cè)面采光占據(jù)主導(dǎo)地位，所以呈現(xiàn)側(cè)面采光的規(guī)律，即方形＞ 矩形＞ 圓形＞ 正六邊形，當(dāng)中庭高度＜28m時(shí)，由于頂棚和側(cè)面采光占據(jù)的地位不能穩(wěn)定，所以呈現(xiàn)出不同的規(guī)律。

    總之，不同平面形狀的雙向中庭天然采光最佳的為方形，最差的為正六邊形(12m高，100%頂棚采光面積除外) ; 圓形和矩形之間沒有一種有序的規(guī)律可循，具體設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)加以計(jì)算分析。

    由表5看出，不同玻璃材料，中庭的采光效率是: 透明玻璃＞ 透明中空玻璃＞Low-E+透明玻璃＞單片熱反射玻璃＞ 透明玻璃+ 單片熱反射玻璃＞夾層玻璃，符合透射系數(shù)越大，采光效率越高的規(guī)律