建筑中庭光热环境与空间几何关系的研究

董海荣，崔英姿，徐 开，王利文

（常州工学院土木建筑工程学院，江苏 常州213002）

建筑中庭光热环境与空间几何关系的研究

董海荣*，崔英姿，徐 开，王利文

（常州工学院土木建筑工程学院，江苏 常州213002）

通过数值模拟与模型试验，对常见建筑中庭的光环境与热环境参数进行研究，得到了中庭空间的采光系数和热环境参数分布特征，及其与中庭空间几何关系的相关性，提出了合理利用太阳光热的生态设计措施，尝试为优化夏热冬冷地区建筑中庭空间尺度及光热环境质量提供参考.

建筑中庭；光环境；热环境；数值模拟；缩尺模型试验

中庭作为室内外空间环境介质的交换场所，是办公、商业、科教等公共建筑中广泛应用的一种空间类型［1］.如何实现光、热等环境介质的利用与平衡一直是学术界探索的问题，处理不当往往会造成大量能源的浪费［2］.Du等人［3］对日光在不同几何形状中庭空间与不同漫反射率界面的照度分布进行了试验研究.Assadi等人［4］以某三层公共建筑的中庭为研究对象，对中庭不同高度位置的温度与通风进行测试，并建立了分析模型.Littlefair［5］和Calcagni等人［6］探讨了日光在不同几何形状、屋顶透射率条件下中庭空间的采光系数分布.Taleghani等人［7］通过分析中庭空间的逐月能耗、舒适性与气候的关系，探讨了如何实现能源使用和舒适性的最佳平衡.Holford等人［8］提出了一个预测中庭空气被太阳能直接加热后状态的理论模型.Walker等人［9］采用缩尺模型测试中庭自然通风的参数，并与数值分析结果比较，预测和测量了气流模式、温度和速度分布特征.井光娥等人［10］模拟在太阳能烟囱的热压作用下，对中庭室内空气流动速度、压强、室温与空间尺度的关系进行了探索.本文针对夏热冬冷地区建筑中庭采光与热环境舒适性所存在的矛盾，通过模型试验比较分析了几种常用的隔热和遮阳技术措施下光热分布规律，数值模拟了中庭空间几何关系变化情况下的采光分布规律，并提出建筑中庭舒适节能的设计优化原则.

1　建筑中庭的空间特征

1.1建筑中庭的剖面形式

建筑中庭的剖面有3种基本形式：①向下敞口.上口开口面积小，接收直射阳光少，须充分考虑建筑采光问题及冬季太阳辐射得热少的供暖问题；②向上敞口.由于上口开口面积大，底层空间进深较大，须注意顶层空间的夏季隔热问题和底层的采光问题；③上下垂直开口（矩形）.构造简单，底层的采光和顶层隔热较易控制.然而单一采用向上敞口或向下敞口的形式，很难满足夏热冬冷地区采光中庭的节能要求，大部分建筑中庭选择较为简洁的上下垂直开口形式.本文数值模拟与试验模型选择矩形剖面形式.

1.2建筑中庭的平面形式

建筑中庭的基本采光形式可分为三面采光、两面采光、单面采光和封闭型.前3种显示直接采光面的个数，而封闭型是指中庭布置在建筑平面的中心，是公共建筑中最为常见的中庭形式，其光热问题最为突出.本文研究对象选取封闭型中庭.

2　建筑中庭高宽比对室内采光影响的计算机模拟

2.1建筑中庭计算机模拟模型

对于封闭型矩形的建筑中庭，其高宽比关系着中庭的采光及隔热性能，随着中庭高度增加，采光中庭到达相邻空间直射光线的进深迅速减少；因此，为保证中庭相邻空间工作面能够获得足够的天然采光，充分利用自然光，应考虑中庭的高宽比例.

模拟中庭高宽比指中庭高度与宽度的比值，与选择模型底面积大小没有直接关系.本模拟模型选择底面积为15 m×15 m，层高为4 m的3层建筑，中庭顶部透明部分按照正方形设置，其边长分别为4，4.8，6，8 m，即模拟中庭高宽比为3∶1，2.5∶1，2∶1，1.5∶1.在实际工程的建筑中庭设计中，中庭开口尺寸应符合GB50189—2005《公共建筑节能设计标准》中相关规定，例如屋顶开口面积不宜超过屋顶面积的20%.

2.2建筑中庭采光模拟分析

建筑中庭采光模拟使用Ecotect软件，不同高宽比中庭一层和三层的采光系数模拟结果如图1～2所示.

图1　不同高宽比中庭一层的采光系数Fig.1 Daylight factor of first floor of atrium with various height-to-width ratio

图2　不同高宽比中庭三层的采光系数Fig.2 Daylight factor of third floor of atrium with various height-to-width ratio

从图1～2可以看出：①随着中庭高宽比的增加（开口面积的减小），采光系数逐渐降低；②4种高宽比的中庭，一层比三层的采光系数低很多；③随着与中庭中心点距离的增加，采光系数迅速降低，尤其对于高宽比为3∶1的中庭，在一层远离中庭的中心处，采光系数只有2.9%，因此中庭高宽比不宜超过3∶1；④对于高宽比为1.5∶1的中庭，远离相邻房间处仍有较大的采光系数，距离中心7 m处一层约为12%，三层约为32%，而且中庭正下方的采光系数很大，约为60%，势必造成眩光，因此占地面积小的建筑不宜采用；对于占地面积大的建筑，可以分散设置几个中庭；⑤中庭正中央附近的采光系数很大，即使对于开口面积只占屋顶面积7.1%（高宽比3∶1）的中庭，其采光系数每层中央处约为36%，这必然会造成眩光，须采取遮阳措施.

3　建筑中庭隔热措施对室内温度影响的模型试验

本文采用模型进行试验，在部分物理环境因子确定状态下，测得不同遮阳及通风措施的中庭对室内热环境和光环境影响的相关性.

3.1试验方案设计

模拟试验以中庭无任何隔热措施作为参照，比较采用遮阳布遮阳、淋水被动蒸发隔热、自然通风措施对中庭内温度和照度的影响.试验假定几种隔热措施建筑中庭的相邻空间环境参数相同，对中庭热和光环境影响一致，因此提取中庭部分制作缩尺模型箱体，顶部放置玻璃用来模拟中庭透光部分，直接接受阳光的照射.箱体放置在屋顶，避免周围物体对其遮挡.为了减少室外气候对箱体内热工方面的影响，在箱体四周以及下部都增设厚度为50 mm的挤塑性聚苯乙烯泡沫塑料板，选择厚度为6 mm的透明玻璃.共制作箱体6个，其中高宽比为2∶1（500 mm×500 mm×1 000 mm）的箱体4个，分别用于采用遮阳、被动蒸发降温、自然通风措施和无隔热措施试验；另外制作高宽比为3∶2（500 mm×500 mm×750 mm）、1∶1（500 mm×500 mm×500 mm）箱体各1个，用于自然通风措施试验.

3.2试验数据分析

2013年9月15—17日进行试验，温度记录采用JT-Ⅱ温度与热流巡检仪，间隔时间设定为15 min，9月16日记录照度值.测试结果见图3～5.

由图3可以看出：①通风隔热措施的室内照度和无隔热措施基本一致，即其不会影响中庭内的照度值和减小眩光影响；②水幕被动蒸发隔热措施模型内的照度比无隔热措施的低，最大值由9 450 lx降低到6 330 lx，因此水幕遮阳可以减小中庭内的眩光影响；③采用半透明遮阳布遮阳时（测试时间为10：15—11：55），中庭内的照度值明显下降，照度值约为1 500 lx.采用不透光遮阳布遮阳时（测试时间为11：55—16：25），相当于没有设计中庭，照度值只有20 lx左右，完全不能满足照度的要求，所以不能采用不透光遮阳布遮阳的方式.

图3　不同隔热措施中庭模型的照度Fig.3 Illuminance of atrium model with different insulation measure

由图4可以明显看出：①由于玻璃温室效应作用，任何一种隔热措施模型内的温度都明显高于室外空气温度（测试期间室外最高温度31℃），无遮阳措施的温度最高达到51.1℃，比室外空气温度高20.1℃.②几种隔热措施中，通风隔热降温幅度较大，与无隔热措施比较，最大降10.8℃，而且降温较稳定，说明采光中庭采用通风降温措施效果较好.③采用不透光遮阳布全遮阳时，虽然模型的温度降低最大，但此时模型内的照度很小，所以不适合采用此方式；半透明遮阳布遮阳的降温与通风降温效果基本相同，该方式既可以防止眩光，又可以降低室内冷负荷，采用半透明遮阳布（膜）遮阳方式较好.④采用水幕被动蒸发遮阳时，由于水幕较薄以及夏热冬冷地区室外空气湿度较大导致水分蒸发减弱，其可以起到一定的降温作用，但效果不明显.考虑到水幕被动蒸发降温的造价及运行费用，在夏热冬冷地区采光中庭不宜采用此方式隔热.

图4　高宽比2∶1的不同隔热措施中庭模型内温度Fig.4 Temperature in an atrium with high to width ratio 2∶1 using different heat insulation

图5　自然通风状态下不同高宽比中庭模型内温度Fig.5 Temperature in an atrium of different ratio of high to width under natural climate

由图5可以明显看出：随着模型高宽比的增加，模型内温度降低幅度亦增加，即在满足其他条件的前提下，要尽量提高中庭上部的出风口位置.

4　结论

1）随着中庭高宽比的增加（开口面积相对减小），采光系数逐渐降低；随着与中庭中心点距离的增加，尤其是底层采光系数迅速降低.为了满足采光的要求，采光中庭的高宽比不宜超过3∶1；对于高宽比不超过1.5∶1的中庭，极易造成眩光，不宜采用；当建筑占地面积大，需要较大面积的中庭天窗时，可以分散设置几个中庭.

2）中庭设置通风口可降低中庭内的温度，中庭高宽比增大，降温较明显；设置半透明遮阳布隔热效果较好.实际工程将可变遮阳措施与可调节通风措施结合，可有效降低中庭空间在夏季强烈日光下的照度、温度，在冬季可利用温室效应，提高中庭内部的温度，创造良好的室内光与热环境.

3）中庭透明部分采用水幕可降低室内照度、减小眩光，但在夏热冬冷地区室外湿度较大的情况下，水幕隔热效果不明显，不宜采用此方式隔热.

［1］雷涛，袁镔.生态建筑中的中庭空间设计探讨［J］.建筑学报，2004（8）：68-69.

［2］陈旻.热缓冲技术在建筑节能方面的应用［J］.建筑技术，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，周艳，李庆领.太阳能烟囱热压强化自然通风对室内热环境的影响［J］.青岛科技大学学报：自然科学版，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

（责任编辑 贾慧鸣）

2014-05-11.*联系人，E-mail：hairongdong@163.com.

住房和城乡建设部资助项目（2013-K1-35）；常州工学院自然科学基金资助项目（YN1306）.

董海荣，崔英姿，徐开，等.建筑中庭光热环境与空间几何关系的研究［J］.扬州大学学报：自然科学版，2015，18（1）：57-60.