低碳導(dǎo)向下中庭玻璃采光頂與遮陽整合設(shè)計(jì)
——以山東省某高校圖書館為例

崔艷秋賴震洲張爽孔昊辰蔡洪彬

(1.山東建筑大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院，山東 濟(jì)南250101；2.山東省建設(shè)工程質(zhì)量安全中心，山東 濟(jì)南250011；3.山東建大和盛建設(shè)項(xiàng)目管理有限公司，山東 濟(jì)南250100)

0 引言

中國建筑領(lǐng)域的能源消耗與排放是中國節(jié)能減排、碳減排雙目標(biāo)工作的重點(diǎn)[1]。隨著經(jīng)濟(jì)水平的提高，人們?cè)絹碓阶⒅厥覂?nèi)的環(huán)境質(zhì)量，由于玻璃采光頂中庭能夠營造開敞、明亮的空間，在公共建筑設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用，但其內(nèi)部眩光、制冷能耗大等問題十分突出，設(shè)置遮陽可有效降低其制冷能耗，但遮陽過度則會(huì)造成冬季建筑采暖和中庭照明能耗增高，因此中庭玻璃采光頂和遮陽的整合優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)實(shí)現(xiàn)中庭建筑節(jié)能和降低碳排放十分必要。

玻璃采光頂與遮陽整合設(shè)計(jì)相關(guān)優(yōu)化因素有很多，如采光頂玻璃材質(zhì)、遮陽空間位置、遮陽材料和遮陽控制設(shè)定等。根據(jù)文獻(xiàn)分析，有學(xué)者主要針對(duì)采光頂玻璃材質(zhì)進(jìn)行研究[2-5]，如LIU等[6]通過模擬分析了采光玻璃夾層帶不同厚度相變材料(Phase Change Materials，PCM)對(duì)中庭室內(nèi)光熱環(huán)境的影響；趙洋等[7]運(yùn)用流體動(dòng)力計(jì)算軟件(Computational Fluid Dynamics，CFD)分析了不同中庭采光玻璃材質(zhì)對(duì)于室內(nèi)熱舒適度、能耗的影響。在遮陽方面，部分研究者探究了不同遮陽材質(zhì)和遮陽空間位置對(duì)于室內(nèi)光熱環(huán)境的影響[8-10]，如朱尚斌等[11-12]利用CFD和建筑熱環(huán)境設(shè)計(jì)模擬(Designer's Simulation Toolkit，DeST)等軟件，研究了采光頂無遮陽及采用深色或淺色遮陽幕簾的中庭建筑能耗變化；孟海迎[13]利用生態(tài)建筑大師Ecotect軟件模擬研究了遮陽與玻璃采光頂?shù)木嚯x對(duì)于建筑能耗和光環(huán)境的影響。而遮陽控制方面的研究主要集中于不同的遮陽控制設(shè)定、調(diào)控方式[14-15]，如MARTIN等[16]通過模擬對(duì)比了固定遮陽和動(dòng)態(tài)遮陽對(duì)室內(nèi)能耗、熱環(huán)境和天然采光的影響，結(jié)果表明動(dòng)態(tài)百葉的遮陽效果最佳。

基于以上分析可知，現(xiàn)階段關(guān)于中庭玻璃采光頂與遮陽研究多采用控制變量的方式，以單一變量模擬研究為主，相對(duì)缺乏對(duì)3個(gè)及以上的多因素耦合關(guān)系的規(guī)律分析與整合優(yōu)化的研究，因此文章通過調(diào)研中庭建筑的形態(tài)、平面尺寸、剖面尺寸和采光頂形式等特點(diǎn)，選擇較為典型的中庭建筑，并以低碳節(jié)能和室內(nèi)光環(huán)境為優(yōu)化目標(biāo)，研究造型特征因子、材質(zhì)構(gòu)件因子和控制方式因子對(duì)于采暖制冷能耗和照明能耗的影響，定量分析其取值與組合最優(yōu)解，多方案比較最終提出適用于玻璃采光頂與遮陽整合優(yōu)化方案，以期改善中庭建筑的光熱環(huán)境和節(jié)能效果，為玻璃采光頂與遮陽整合的科學(xué)化發(fā)展提供有價(jià)值的建議。

1 玻璃采光頂中庭設(shè)計(jì)分析

1.1 玻璃采光頂中庭設(shè)計(jì)

山東省屬于寒冷地區(qū)，其氣候特征為冬季寒冷干燥，夏季較長且炎熱濕潤，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，夏季最高氣溫＞36℃，甚至有時(shí)會(huì)＞40℃，因此建筑節(jié)能設(shè)計(jì)要求應(yīng)兼顧夏季防熱[17]。通過對(duì)寒冷地區(qū)153棟玻璃采光頂中庭建筑的調(diào)研統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)其中庭面積、中庭平面形狀、剖面形態(tài)和遮陽技術(shù)具有鮮明的地域特征，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如圖1所示。

分析圖1數(shù)據(jù)可知，中庭底面積為400 m2時(shí)案例數(shù)量占比最高，如圖1(a)所示；而中庭建筑平面形式多為矩形，平面長寬比為1時(shí)案例數(shù)量最多，占18%，如圖1(b)所示；中庭剖面形式以“H”形為主，占87.6%；調(diào)查統(tǒng)計(jì)的中庭剖面高寬比也具有明顯差異性，數(shù)據(jù)基本呈現(xiàn)3個(gè)正態(tài)分布趨勢(shì)，其中高寬比為1.3～1.5時(shí)的案例數(shù)最多，占總數(shù)的16.2%，如圖1(c)所示；采光頂窗地面積比分布相對(duì)集中，其中84.7%為0.8～1.0的全天窗形式；采光頂遮陽以內(nèi)遮陽為主，約占50%，其中內(nèi)遮陽幕簾最為常見，其涉及的玻璃采光頂類型和建筑類型也最多。外遮陽約29.4%，其中外百葉遮陽最為常見。遮陽控制方式以不可調(diào)節(jié)遮陽最多，如圖1(d)所示，有22.1%的可調(diào)節(jié)遮陽為手動(dòng)調(diào)節(jié)，但對(duì)于未來節(jié)能和室內(nèi)環(huán)境要求不斷提高的大趨勢(shì)下，采用可自動(dòng)調(diào)節(jié)遮陽的玻璃采光頂具有一定意義。

圖1 玻璃采光頂中庭建筑數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)圖

1.2 中庭熱環(huán)境分析

選取較為典型的山東省某高校圖書館作為研究對(duì)象(如圖2所示)，圖書館位于山東省濟(jì)南市歷城區(qū)，建于2008年，整體造型為現(xiàn)代主義風(fēng)格，簡潔美觀。圖書館共5層，其1～2層為辦公室、咨詢室和門廳，3～5層主要為閱覽空間，建筑核心部位設(shè)置4層為通高中庭，頂部為折線形明框采光頂，采光頂采用普通夾膠玻璃，并通過鋼梁支承。

圖2 山東省某高校圖書館實(shí)景圖

1.2.1 測(cè)定方案

圖書館中庭夏季室內(nèi)光熱環(huán)境變化測(cè)定內(nèi)容主要包含了各層測(cè)點(diǎn)室內(nèi)溫度和自然采光照度。測(cè)試儀器采用風(fēng)速計(jì)Testo405-V1和分體式光照度計(jì)AS823，均為每隔1 h記錄一次數(shù)據(jù)。由于采光中庭各層平面一致，因此選取2、3和5層走廊相同位置共布置7個(gè)測(cè)點(diǎn)。溫度測(cè)點(diǎn)距地面高度為1.5 m，而自然采光照度測(cè)點(diǎn)高度為離地0.75 m處，各測(cè)點(diǎn)均未有空調(diào)送風(fēng)口，各層測(cè)試結(jié)果取該層測(cè)點(diǎn)的平均值，其測(cè)點(diǎn)分布如圖3所示。

圖3 山東省某高校圖書館測(cè)點(diǎn)布置圖

1.2.2 測(cè)定結(jié)果與分析

根據(jù)濟(jì)南市氣候特征，實(shí)測(cè)時(shí)間為大暑與立秋之間，室內(nèi)溫度與照度實(shí)測(cè)時(shí)間為8月7日9:00和17:00，測(cè)試當(dāng)日天氣為晴轉(zhuǎn)多云，采集數(shù)據(jù)結(jié)果如圖4、5所示。

圖4 室內(nèi)溫度測(cè)試數(shù)據(jù)圖

由圖4可知，測(cè)試期間中庭室內(nèi)最高溫為31.2℃，約出現(xiàn)在13:00的5層測(cè)點(diǎn)6；中庭室內(nèi)最低溫為28.4℃，約出現(xiàn)在17:00的2層測(cè)點(diǎn)3。5層全天溫度變化最為明顯，測(cè)試期間最大溫差為2.2℃，而2層全天溫度分布相對(duì)平緩，最大溫差為1.7℃，中庭各層室內(nèi)溫度總體變化呈拋物線狀。此外，對(duì)比東西測(cè)點(diǎn)可知，上午東側(cè)測(cè)點(diǎn)溫度明顯高于西側(cè)，而下午西側(cè)測(cè)點(diǎn)溫度上升較快。結(jié)果顯示各測(cè)點(diǎn)溫度均偏高，周邊房間空調(diào)幾乎全天運(yùn)行，能源消耗較大。

由圖5可知，測(cè)試當(dāng)天的光照度數(shù)值在上午9:00～12:00之間各測(cè)點(diǎn)相差較大，過12:00之后，數(shù)值較低，且均趨于平緩。各測(cè)點(diǎn)存在明顯的照度值差異，12:00時(shí)，中庭2層測(cè)點(diǎn)1的照度值為22 600 lx，其照度值過高；而3層測(cè)點(diǎn)5的照度值為120 lx，照度值過低，不能滿足學(xué)生閱讀的光環(huán)境要求，并且兩者相差22 480 lx，采光均勻度不佳，中庭存在眩光問題。

圖5 自然采光照度測(cè)試數(shù)據(jù)圖

中庭采光頂設(shè)計(jì)采用透過率較大及遮陽系數(shù)較低的玻璃材料時(shí)，會(huì)導(dǎo)致夏季中庭產(chǎn)生溫室效應(yīng)，致使室內(nèi)炎熱，且體感溫度高于室外溫度，將會(huì)增加中庭及周邊房間制冷能耗，同時(shí)大量的直射光進(jìn)入室內(nèi)，將會(huì)產(chǎn)生照度不均及眩光現(xiàn)象。因此，為改善照度不均勻和建筑能耗過大等問題，應(yīng)整合設(shè)計(jì)圖書館采光中庭的玻璃采光頂與遮陽。

2 中庭玻璃采光頂與遮陽整合方案設(shè)計(jì)與分析

在玻璃采光頂與遮陽整合設(shè)計(jì)中，遮陽構(gòu)件位置與系統(tǒng)的選擇對(duì)于中庭整體美觀具有重要影響，并且其選擇受建筑采光頂形態(tài)影響。由于圖書館中庭頂部采用鋼梁支承的折線型玻璃采光頂，整體呈現(xiàn)波浪狀，最高點(diǎn)突出建筑屋面約1.2 m(如圖6所示)，如選用外遮陽和中間遮陽則存在構(gòu)造復(fù)雜和建造成本較大等問題，因此采光中庭宜優(yōu)先選用內(nèi)遮陽技術(shù)。內(nèi)遮陽能夠有效提高室內(nèi)采光均勻度，改善室內(nèi)熱環(huán)境，并且還具有成本較低、易安裝維護(hù)、美觀等優(yōu)點(diǎn)。

圖6 圖書館采光頂造型圖

常見的內(nèi)遮陽系統(tǒng)主要有織物型遮陽、片狀構(gòu)件遮陽和其他類型遮陽系統(tǒng)。相較于織物型遮陽系統(tǒng)，片狀遮陽會(huì)阻擋冬季太陽入射室內(nèi)，導(dǎo)致冬季采暖能耗增加，而織物型遮陽質(zhì)感柔軟，可根據(jù)需求靈活開閉卷簾，控制進(jìn)入室內(nèi)的光線，在中庭采光頂與遮陽整合設(shè)計(jì)中選擇織物型遮陽系統(tǒng)更具有優(yōu)勢(shì)。

2.1 整合方案設(shè)計(jì)

采光中庭建筑節(jié)能效果除了受遮陽類型因素的影響外，還受造型特征、材料構(gòu)件和控制方式等條件的影響。基于寒冷地區(qū)的氣候條件與中庭建筑特征，選取4個(gè)與建筑能耗相關(guān)的因素:A遮陽空間位置、B采光頂玻璃材質(zhì)、C遮陽反射率與透過率、D遮陽控制設(shè)定，每個(gè)因素選擇5個(gè)水平，即5種不同設(shè)計(jì)策略[18](見表1)。其中，采光頂玻璃材質(zhì)種類有:夾膠玻璃、夾膠中空玻璃、單銀低輻射Low-E夾膠中空玻璃、雙銀LOW-E夾膠中空玻璃和三銀Low-E夾膠中空玻璃，分別用G1～G5表示。卷簾的遮陽反射率與透過率類型有:低反高透J1、中反中透J2、低反中透J3、高反低透J4、中反低透J5和低反低透J6等。遮陽控制設(shè)定方式有:一直開啟，用O1表示；室內(nèi)溫度高時(shí)開啟，用O2表示；采光頂日照強(qiáng)度高時(shí)開啟，用O3表示；白天制冷及采光頂日照強(qiáng)度高時(shí)開啟，用O4表示；夜間制熱時(shí)和白天制冷時(shí)開啟，用O5表示。

表1 影響因素取值對(duì)應(yīng)表

2.2 基于回歸分析的中庭玻璃采光頂與遮陽整合優(yōu)化

玻璃采光頂形式較多，應(yīng)根據(jù)不同玻璃采光頂造型進(jìn)行分析，由于各個(gè)因素對(duì)建筑能耗的影響各不相同，需通過多次實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證各因素組合下的建筑節(jié)能效果，明確各個(gè)因素相關(guān)參數(shù)的協(xié)調(diào)機(jī)理，最終獲取各參數(shù)的最佳組合[19]。

2.2.1 模型建立與參數(shù)設(shè)置

基于能耗模擬軟件Design Builder建立模擬分析模型，建模效果圖如圖7所示。建筑主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造及傳熱系數(shù)設(shè)定見表2。其中采暖制冷房間為門廳、辦公室、閱覽室和特藏書庫等，而中庭未設(shè)置空調(diào)，根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求[20]，夏季溫度設(shè)為24～28℃，而冬季設(shè)為18～22℃，并根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置了1 d內(nèi)空調(diào)的開啟時(shí)間，中庭相連功能空間的門在開館時(shí)間保持開啟狀態(tài)。建筑換氣次數(shù)取0.5 ac/h，并對(duì)人員、照明和設(shè)備的情況進(jìn)行了相應(yīng)設(shè)置。

圖7 Design Builder建模效果圖

表2 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造及熱工傳熱系數(shù)表

2.2.2 單一變量模擬分析

將計(jì)算模型及所有參數(shù)輸入Design Builder，研究遮陽空間位置、采光頂玻璃材質(zhì)、遮陽反射率與透過率、遮陽控制設(shè)定4種單一變量下采暖制冷能耗和照明能耗的敏感性，計(jì)算結(jié)果如圖8、9所示。

圖8 全年采暖制冷能耗單因素敏感性分析圖

由圖8可知，在以上4種單一變量作用下，中庭采暖制冷能耗分別呈現(xiàn)不同變化趨勢(shì)。運(yùn)用線性回歸分析方法，可得出中庭的采暖制冷能耗與遮陽空間位置、采光頂玻璃材質(zhì)、遮陽反射率與透過率、遮陽控制設(shè)定的回歸方程，分別由式(1)～(4)表示為

式中y為采暖制冷設(shè)備能耗，(kW·h)/m2；R2為判定系數(shù)。

二元一次方程中斜率越高，代表其對(duì)于采暖制冷能耗影響越大，由各回歸方程分析可知，采光頂玻璃材質(zhì)對(duì)于采暖制冷能耗影響最大，其斜率為26 135；增加的遮陽反射率與透過率次之，其斜率為25 495；而遮陽空間位置對(duì)于采暖制冷能耗影響最小，其斜率僅為0.2458；因此在玻璃采光頂與遮陽整合設(shè)計(jì)中，應(yīng)著重提升玻璃的性能。

分析圖9數(shù)據(jù)可知，中庭建筑照明能耗的變化趨勢(shì)與采暖制冷能耗的變化趨勢(shì)相反，增加的遮陽反射率與透過率對(duì)于照明能耗影響最大，其斜率為5 158.9；采光頂玻璃材質(zhì)次之，其斜率為2 406；而遮陽空間位置對(duì)于照明能耗影響最小，其斜率僅為0.2083。

圖9 全年照明能耗單因素敏感性分析圖

由圖9分析可知，采光頂玻璃材質(zhì)、遮陽反射率與透過率、遮陽控制設(shè)定對(duì)于代表光熱環(huán)境的采暖制冷能耗和照明能耗敏感性較高，而遮陽空間位置影響相對(duì)較小，因此前3個(gè)因素也是玻璃采光頂與遮陽整合設(shè)計(jì)中對(duì)于光熱環(huán)境優(yōu)化的主要因素，應(yīng)在設(shè)計(jì)中著重選擇合適的因素組合。

2.2.3 多變量組合模擬分析

基于各單一因素的敏感性分析，各個(gè)因素與建筑能耗呈近線性關(guān)系，因此在研究多因素的耦合作用時(shí)，可采用線性回歸分析方法，利用統(tǒng)計(jì)產(chǎn)品與服務(wù)解決方案(Statistical Product and Service Solutions，SPSS)軟件得到L25(54)型正交表，并運(yùn)用Design Builder對(duì)每一組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬，采用多因素正交實(shí)驗(yàn)法研究各因素水平之間的交互作用對(duì)建筑能耗的影響[21]，計(jì)算結(jié)果見表3。

分析表3數(shù)據(jù)可知，綜合排名結(jié)果過于趨近照明能耗或采暖制冷能耗單一目標(biāo)，為了防止優(yōu)選方案趨向于無天然采光狀況等邊緣值情況，因此篩除25組方案中單一目標(biāo)排名超過20以后的方案，剩余方案分別為方案4、5、8、13、14、17、18、20、21、22、24和25。選取的12種方案均可以在不同程度上降低建筑采暖制冷能耗，但同時(shí)在不同程度上增加了照明能耗。考慮到建筑的改造目標(biāo)以室內(nèi)熱環(huán)境改善為主，因此在綜合光熱效果最優(yōu)組合選擇中以采暖制冷能耗優(yōu)化率為主進(jìn)行排名，其中方案8的采暖制冷能耗最低，此時(shí)遮陽與采光頂?shù)拈g距為0.2 m，采光頂玻璃材質(zhì)為單銀Low-E中空玻璃，遮陽反射率為0.8、透過率為0.1，遮陽控制設(shè)定為室內(nèi)溫度高時(shí)開啟，其建筑能耗節(jié)能率為6.14%，方案4、25分別次之。

表3 中庭建筑能耗多因素正交組合方式及結(jié)果表

擬合方程R＝0.917、R2＝0.841，接近于1，說明預(yù)測(cè)模型的精確度較高；德賓-沃森Durbin-Watson檢驗(yàn)值為2.108∈(1，3)，表明殘差具有獨(dú)立性；標(biāo)準(zhǔn)化殘差各點(diǎn)分布于(-2，2)之間，服從正態(tài)分布，說明了預(yù)測(cè)模型的可靠性，如圖10、11所示。

圖10 回歸標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)測(cè)散點(diǎn)圖

圖11 標(biāo)準(zhǔn)化殘差正態(tài)分布圖

2.2.4 采光模擬分析

多變量組合方案的優(yōu)化選擇不僅需要對(duì)比采暖、制冷和照明能耗的降低，同時(shí)也需要結(jié)合室內(nèi)光環(huán)境綜合衡量。因此經(jīng)篩選后，選擇綜合效果較優(yōu)的方案4、5、8、13、14、17、18、20、21、22、24和25進(jìn)行中庭室內(nèi)采光頂均勻度分析。選擇典型夏季7月22日，采用國際照明委員會(huì)(International Commission de l′Eclairage，CIE)全陰天模型，運(yùn)用Ecotect軟件分別對(duì)中庭選用的5種玻璃采光頂造型進(jìn)行天然采光模擬。模擬平面選取距中庭最底面0.75 m處，各方案的采光系數(shù)見表4。

表4 中庭室內(nèi)采光效果模擬分析表

通過分析表4數(shù)據(jù)可知，篩選后的12種方案經(jīng)改造后均滿足規(guī)范[22]對(duì)圖書館建筑頂部天然采光照度不低于450 lx、室內(nèi)采光系數(shù)不低于3%的標(biāo)準(zhǔn)限值。12種方案均能夠改善室內(nèi)光環(huán)境中眩光問題，提高中庭周圍的采光均勻度，其中方案5中庭室內(nèi)采光均勻度最高，為0.382，而方案25和8次之，分別為0.380和0.370。

基于以上研究可知，篩選后的12種整合設(shè)計(jì)方案均可以在不同程度上遮擋太陽輻射，在滿足中庭采光系數(shù)和天然光照度的要求下[23-26]，減少夏季室內(nèi)太陽輻射得熱和建筑總體能耗。其中采用方案8降低采暖制冷能耗效果最佳，照明能耗增加相對(duì)較低，而在室內(nèi)采光均勻度方面，方案8僅與方案4相差0.012，且由于建筑改造目標(biāo)以室內(nèi)熱環(huán)境為主，綜合權(quán)衡建筑采暖制冷能耗、照明能耗和室內(nèi)采光均勻度，在山東省某高校圖書館中庭玻璃采光頂與遮陽整合設(shè)計(jì)中采用方案8綜合效果最優(yōu)(如圖12所示)。

圖12 組合方案效果圖

3 結(jié)語

玻璃采光頂中庭能夠?yàn)楣步ㄖ峁┥缃缓凸部臻g，有效改善建筑內(nèi)部采光狀況，因此在設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)光熱環(huán)境不舒適和建筑能耗增高等問題。為滿足目前綠色建筑和低碳目標(biāo)的發(fā)展要求，統(tǒng)籌考慮建筑能耗與采光需求，整合設(shè)計(jì)中庭玻璃采光頂與遮陽，對(duì)于降低中庭建筑能耗及建筑碳排放具有重要意義。文章基于寒冷地區(qū)玻璃采光頂中庭建筑空間形態(tài)，選取較為典型的山東省某高校圖書館作為研究對(duì)象，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)提出整合設(shè)計(jì)方案，從遮陽空間位置、采光頂玻璃材質(zhì)、遮陽反射率與透過率、遮陽控制設(shè)定4個(gè)方面設(shè)計(jì)中庭玻璃采光頂與遮陽整合優(yōu)化方案，通過單一因素模擬、多因素線性回歸和室內(nèi)采光均勻度效果等方面的分析，提出節(jié)能和自然采光優(yōu)化的最優(yōu)方案，即盡量提高遮陽的反射率，降低透過率，選擇較低的太陽得熱系數(shù)和熱工系數(shù)的玻璃材質(zhì)，根據(jù)室內(nèi)溫度變化優(yōu)化遮陽開、閉狀態(tài)，從而有效降低照明及采暖制冷能耗，實(shí)現(xiàn)中庭節(jié)能減排目標(biāo)的同時(shí)，保證較好的室內(nèi)自然采光效果。