嚴寒地區建筑采光中庭光環境模擬初探

周洪濤 魏雪彤

(吉林建筑大學 130000)

0 引言

近年來，大型公共建筑如辦公建筑、教學建筑、商業建筑都采用帶有玻璃采光頂的中庭來引入自然光線，在增加自然采光的同時節約了能源，自然光線相對于人工光源更能帶動人們的積極性，使人身心愉悅。影響采光中庭的光環境因素有很多，平面形式、采光頂樣式、玻璃形式、室內裝飾材料等都對中庭的光環境有很大影響。本文采用基于Ecotect下的Radiance軟件進行模擬，研究平面形式、平屋頂與斜坡頂不同采光頂形式對于中庭內光環境以及各層光環境分布的影響。

1 參數設定

建筑中庭按照建筑邊界單項中庭、雙向中庭、三項中庭和內置中庭。文中選用嚴寒地區常用的內置中庭作為研究對象，并將中庭內部進行簡化，忽略掉玻璃的劃分方式與鑲嵌方式及中庭內部的欄桿、欄板綠化等同時對中庭內部的飾面材料進行簡化。

1-1飾面光反射比ρ

中庭的層高統一設定6層，一層為5.1m, 二至六層為4.5m，計算走道范圍統一為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 評價指標

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

3 模擬過程及結果

3.1 平面形式

在采光面積一定的情況下，設定中庭的形狀分別是圓形半徑 13.54m、正六邊形邊長14.88m正方形邊長為24m*24m、矩形邊長分別為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分布圖

圖3-2 采光系數變化曲線圖

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

圖3-3 各層走廊采光系數變化曲線圖圖

3-4各層走廊采光系數均勻度變化曲線圖

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下：（1）長寬比越接近 1的時候，一層的采光均勻度越來好。（2）采光均勻度變化成拋物線形狀，變化特點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，中庭形式雖有不同，但二層高范圍內照度值均最小。（3）在冬至日全陰天最不利的狀態下，一層～三層在距離中庭3m的范圍內照度均小于300lux，需要進行人工照明輔助；四層～六層距中庭4m范圍內照度值均小于300lux，需要進行人工照明輔助。（5）五層和六層在最不利狀態小照度值達到1500lux，在正常天氣下容易產生眩光，需要針對這兩層進行單獨的遮陽處理。

4 屋頂形式

為對比不同采光頂形式對于中庭內光環境的影響，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，其各層采光系數平均值為：4.78、6.23、8.18左右。平屋頂在采光系數方面各層中庭影響不大。在剖面上，采光系數平均值為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的高度，在剖面上隨著中庭高度的加深采光系數平均值在加大；底層中庭采光系數變化較小，頂層采光系數平均值逐漸加大。隨著采光頂高度加大，采光頂輻射的范圍越大，尤其對頂層的中庭空間影響較大，高3m的矩形采光頂的照度輻射范圍高于平采光頂的照度。

圖4-2 不同采光頂六層采光系數曲線圖

由圖4-2可知，隨著采光頂高度的不同，對頂層空間影響較大，頂層采光系數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。經軟件模擬測試采光頂的高度增加對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到高3m的矩形屋頂其最大照度分別為1494.87lux、

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

斜坡頂的角度選擇為18°、30°、45°。為單坡、雙坡和四坡。在單坡屋頂中分別設置了單坡屋頂的朝向。

表4-1 單坡采光頂角度與朝向采光照度平均值

由表4-1可知長春地區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，也影響著室內的采光，無論角度多大，其內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，在四坡頂的采光頂中，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，在夏天的時候需要進行一定的遮陽處理。（2）在采光頂的形式上，平屋頂與矩形屋頂雖然對采光系數均勻度影響不大，矩形采光頂中庭的立面上的照度會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，對中庭頂層的空間影響較大，采光頂的高度越高，頂層越容易產生強烈的眩光，此時可以選用透射比較小的玻璃，以弱化采光頂的眩光作用。（3）坡屋頂下的中庭采光照度會收到坡屋頂坡度的影響，即南向坡＞東向坡＞西向坡＞北向，同時隨著坡度的增加，中庭的照度在逐漸減小，可以根據不同的朝向選擇不同透光率的玻璃。（4）中庭各層采光系數不一樣，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照度。