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1、双向建筑中庭天然采光与建筑设计的研究彭小云( 华东交通大学土建学院，江西 南昌330013)摘 要: 通过研究双向建筑中庭的形状、高度、面积及中庭的天窗面积、玻璃材料与中庭天然采光之间的关系，为建筑师设计中庭提供理论依据。关键词: 中庭; 天然采光; 玻璃中图分类号: TU22文献标识码: A文章编号: 1008 1933( 2021) 02 226 04Research on daylighting and architectural design of building atrium havingtwo curtain wallPENG Xiaoyun( School of Civil E
2、ngineering and Architecture of East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China)Abstract: Lighting energy consumption can be saved and light environment is improved by using daylighting in buildings space The relation of daylighting and architectural design of atrium shape，atrium height，atrium a
3、rea，skylight area of atrium，glass style was researched These results provide references for architectural design of atrium buildingsKey words: atrium; daylighting; glass表 1 中庭计算模型Table 1 Computing models of atria0引言边长 / m( 半径) 面积 / m2中庭由于具有玻璃幕或玻璃顶棚，采取措施，便能够有效地利用天然光，减少中庭照明的电能消耗， 并且可以减少照明散发的热量，降低夏季空调的
4、制 冷能耗，到达节能的目的。充分利用天然采光技术， 增加中庭内和中庭旁边使用房间的照度，有利于节 约照明能耗，保护生态环境，减少污染。中庭的天然采光受到建筑本身构造、剖面、采光 材料及内部布置，中庭的类型，中庭的采光面积，城 市规划，季节变化，时间变化，天空状况的共同影响， 这些都直接与中庭的建筑设计有关系。正六边形方形矩形圆形20040060014 14220 00024 49510 000 20 00014 142 28 28417 321 34 6418 77412 40815 1977 98111 28713 823 800 28 284 20 000 40 000 17 548 15
5、 962 中庭的形状选择常用的矩形、正方形、正六边形和圆形。中庭的高度分别选择: 12 m，20 m，28 m，36 m，44 m。中庭的顶棚玻璃面积分别选 择: 40% ，60% ，80% ，100% ，假定天窗都在中庭的中间。天窗的玻璃材料分别选择: 透明玻璃、透明中空 玻璃、Low E + 9 + 透明玻璃、单片热反射玻璃、透明玻璃 + 9 + 热 反 射 玻 璃、夹 层 玻 璃，光 学 性 能 见 表 2。计算方法和计算点确实定，参见 GB / T 500332001?建筑采光 设 计 标 准 ?。中庭的天窗假定为平 天窗，天气为 阴 天 ( 即 与 朝 向 无 关) ，其 他 的 一
6、 些 参 数分别选择为: 顶棚反射系数 p 为 0. 75; 玻璃反射 系数 c 见表 2; 墙面反射系数 q 为 0. 70; 洞口反射1研究条件的假定本研究仅限于双向中庭 ( 即中庭居建筑边缘，两周为房间，有两面墙为玻璃幕墙，顶棚的天窗和两面幕墙进行天然采光) 。为了研究中庭的天然采光效果与建筑设计的关 系，本文选择了一系列的中庭进行计算分 析，见 表 1。收稿日期: 2021-08-04作者简介: 彭小云( 1970 ) ，男，江 西 永 新 人，副 教 授，工 学 博 士，主要从事建筑物理环境与建筑节能研究。 基金工程: 江西省教育厅科研课题( GJJ08236) E mail: px
7、iaoyun ecjtu jx cn系数 为 0. 1; 地 面 反 射 系 数 为 0. 66，计 算 面 高d度为 0. 9 m。双 向中庭除了顶棚天窗采光外，还有两侧面玻2272021 No. 2彭小云: 双向建筑中庭天然采光与建筑设计的研究表 2 玻璃材料光学性能( 90)Table 2 Optic performance of some glass( 90)玻璃类型透明玻璃透明中空玻璃单片热反射玻璃Low E + 9 + 透明玻璃透明玻璃 + 9 + 热反射玻璃吸热玻璃厚度 / mm光透射 光反射遮蔽系数690%8%0 996 + 12 + 681%15%0 87635%15%0 4
8、06 + 9 + 645%19%0 346 + 9 + 628 2%22%0 325688%6%0 83璃幕墙采光，中庭的天然采光是二者的总和。因此，与建筑设计的关系相对较复杂。形，在双向中庭中占了总采光系数的主导地位。表 3 透明玻璃天窗 400 m2 中庭采光系数Table 3 Daylight factor of atrium with clear glass ( 400 m2 ) / %2中庭高度对天然采光的影响分析图 1，2，3 为透明玻璃双向方形中庭天然采光系中庭高度 / m顶棚采光面积 / %中庭形状1220283644数随高度变化的情况，随着中庭高度的增加，天然采光系数值呈现不
9、同的增长趋势。当顶棚采光面积为100% 和 80% 时，随着中庭高度的增加，采光系数逐 渐减少，减少速 度 减 缓; 当顶棚采光面积为 60% 和40% 时，随着中庭高度的增加，采光系数逐渐增加， 增加速度减缓( 图 1) ; 这是因为，当顶棚采光面积较 小时，侧面的采光占了中庭的主要局部，而侧面采光 是随着中庭高度的增加而逐渐增大( 表 3) 。中庭的 面积增大时，随着中庭高度的增加，中庭的采光系数 逐渐下降，下降的速度也逐渐减缓( 图 2) ; 图 3 为透 明玻璃天窗 4 种形状中的变化，随着中庭高度的增 加，采光系数逐渐减小，但减小的趋势减缓，下降的 趋势是矩形 方形 圆形 正六边形。
10、406080100侧面采光406080100侧面采光406080100侧面采光406080100侧面采光14 9316 4223 1623 727 0914 3616 4018 0718 695 1313 1215 6321 9024 005 186 008 7917 5519 151 2216 5218 0020 8121 049 3014 7116 4217 8218 688 7614 4316 6817 5819 466 7210 7013 3915 1516 553 3017 0618 0820 1020 8311 3415 4216 5517 6818 5410 8814 2215
11、6416 7817 647 4210 4512 1413 8814 354 3817 1618 1919 6820 1412 3215 8016 6517 5018 3312 1113 3015 0015 9516 718 019 6411 3012 4113 244 6517 4818 4219 3220 0513 3016 3517 0617 4718 2313 2313 2514 2715 4115 988 619 3410 4411 8312 385 18方形矩形圆形正六边形图 2 不同中庭面积中庭天然采光系数随中庭高度的变化( 透明玻璃，80% 顶棚采光面积)Fig 2 The re
12、lation of daylight factor and atrium heightof different plan area ( clear glass，80% glazing area)12 m 高时，40% 和 60% 的顶棚采光面积很小， 这主要是天然光线难以到达计算点的区域。图 1 不同顶棚采光面积中庭天然采光系数 随 中 庭 高 度的变化( 透明玻璃，400 m2 )Fig 1 The relation of daylight factor and atrium heightof different skylight area ( clear glass，400 m2 )随着中
13、庭高度的增大，中庭的顶部采光系数逐 渐减小，侧面玻璃幕墙的采光系数却逐渐增加。因此，当顶棚采光面积为 60% 和 40% 时，不 同 的 中 庭形状呈现不同的增长特点; 方形和矩形随着中庭高 度的增大，采光系数也增大，但圆形和正六边形却随 着中庭高度的增大，采光系数减小 ( 表 3) 。这 主 要 是圆形和正六边形顶棚的采 光效率高于方形和矩 3中庭面积对天然采光的影响分析无论什么形状，双向中庭的侧面采光系数都随着中庭面积的增大而减小，中庭高度越高，减小的速度越缓慢( 表 4) 。如图 4 所示，随着中庭面 积 的 增 大，中庭的天然采光系数逐渐增加，增加的趋势越来228四川建筑科学研究第 3
14、7 卷越缓慢，中庭高度高的比中庭高度低的增加速度要慢，即增 长 速 度 是 12 m 20 m 28 m 36 m 44 m; 但不同形状的中庭增长趋势，却是圆形 正六边 形 方形，而矩形却随着面积的增大，采光系数减小 ( 图 5) 。这是由于，矩形的侧面采光系数占了 中 庭 总采光系数的主要局部。图 3 不同形状中庭天然采光系数随中庭高度的变化( 透明玻璃，400 m2 ，80% 顶棚采光面积)Fig 3 The relation of daylight factor and atrium heightof different plan shape ( clear glass，80% gla
15、zing area，400 m2 )表 4 透明玻璃天窗不同面积双向中庭侧面采光系数 ( 80% 天窗采光面积)Table 4Daylight factor of atrium via glass curtain wall( clear glass，80% glazing area of shylight)/ %图 5 不同形状中庭天然采光数随中庭面积的变化( 28 m，80% ，透明玻璃)Fig 5The relation of daylight factor and atrium planarea of different plan shape ( clear glass，80%glazi
16、ng area，28 m in height)中庭面积/ m2中庭高度 / m中庭形状1220283644对于玻璃材料，是玻璃透射系数大的比透射系数小的增长得快。在双向中庭中，不同的顶棚采光 面积，侧面的采光系数变化是一致的，所以，双向中庭仍然 遵循顶棚采光 面 积 越 大，采光系数越大的 趋势。方形2004006008002004006008002004006008002004006008 847 094 043 277 495 134 353 336 305 184 724 202 781 220 8511 209 306 645 4110 248 767 536 697 426 726
17、375 674 343 302 2312 6011 349 809 0012 5910 889 789 018 267 427 076 794 914 383 8714 0012 3211 2010 0113 7212 1111 2410 538 688 017 497 285 484 654 4114 7013 3012 7411 6214 6913 2312 2611 458 968 617 707 495 735 184 65矩形4顶棚采光面积对天然 采 光 的 影 响圆形分析双向中庭顶棚采光面积的增大，中庭的天然采 光系数增大。中庭面积大的，随着中庭顶棚采光面 积的增大，中庭天然采光系
18、数的增大趋势略大于中 庭面积小的( 图 6) 。正六边形 800 0 56 1 79 3 20 4 00 4 54 图 6 不同面积中庭天然采光随顶棚采光面积的变化( 透明玻璃，28 m，方形)Fig 6 The relation of daylight factor and skylight areaof atrium of different plan area ( clear glass，square，28 m in height)图 4 透明玻璃中庭天然采光随面积的变化( 方形，28 m 高)Fig 4 The relation of daylight factor and plan
19、area ofatria with clear glass ( square，28 m in height)2292021 No. 2彭小云: 双向建筑中庭天然采光与建筑设计的研究形。图 5 显示，当 中 庭 面 积 600 m2 时，方 形 矩形 圆 形 正 六 边 形; 当 中 庭 面 积 600 m2 时，方 形 圆形 矩形 正六边形。图 7 说明，方形 矩 形 圆形 正六边形。即方形采光效率高，而正六 边形的采光效率低。从表 3 中还可看出，侧面采光 是方形 矩形 圆形 正六边形。另外，从表 3 中 还得到，当中庭高度 28 m 时，采光系数是方形 矩形 圆形 正六边形; 当中庭高度为
20、 20 m、采光 面积为 40% 时，采光系数是方形 矩形 圆形 正 六边形，采光面积为 60% 100% 时，采光系数是方 形 圆形 矩形 正六边形; 当中庭高度为 12 m、 采光面积为 40% 和 60% 时，采光系数是方形 矩形 圆形 正六 边 形，当 采 光 面 积 为 80% 时，采 光 系 数是方形 圆形 矩形 正六边形; 当采光系数为100% 时，那么为圆形 方形 正六边形 矩形。由此 可知，当中庭 高度 28 m 时，侧面采光占据主导地位，所以呈现侧面采光的规律，即方形 矩形 圆形 正六边形，当中庭高度 28 m 时，由于顶棚和侧 面采光 占据的地位不 能 稳 定，所以呈现出
21、不同的 规律。总之，不同平面形状的双向中庭天然采光最正确 的为方形，最差的为正六边形 ( 12 m 高，100% 顶 棚 采光面积除 外) ; 圆形和矩形之间没有一种有序的 规律可循，具体设计时，应加以计算分析。随着中庭顶 棚 采 光 面 积 的 增 大，4 种 形 状 中 庭的天然采光系数增大的趋势是: 在 40% 60% 段， 正六边形 圆形 矩形 方形; 60% 100% 段，方 形 正六边形 圆形 矩形( 图 7) 。图 7 不同形状中庭天然采光随采光面积的变化( 透明玻璃，28 m，400 m2 )Fig 7 The relation of daylight factor and s
22、kylight areaof atrium of different plan shape( clear glass，400m2 ，28 m in height)随着中庭的高度增大，中庭顶棚采光的面积增 大时，中 庭的天然采光 系数增大的趋势反而减缓 ( 图 8) 。并且，当中庭采光面积较小( 40% 和 60% )时，高的中庭采光效果 好; 当中庭采光面积较大 ( 80% 和 100% ) 时，低的中庭采光效果好。6玻璃材料对中庭天然 采 光 效 率 的影响分析由表 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 单片热反射玻璃 透
23、明玻璃 + 单片热反射玻璃 夹层 玻 璃，符合透射系数越 大，采光效率越高的 规律。表 5 圆形中庭天窗不同玻璃材料 400 m2 ，80% 顶棚采光面积双向中庭采光系数Table 5 Daylight factor in round atria by different glass( 400 m2 ，80% of glaze area in skylight)/ %中庭高度 / m玻璃材料1220283644图 8 不同高度中庭天然采光随顶棚采光面积的变化( 透明玻璃，方形，400 m2 )Fig 8 The relation of daylight factor and skylight
24、areaof atrium of different height ( clear glass，square，400 m2 )透明玻璃透明中空玻璃 单片热反射玻璃 Low E + 透明玻璃透明玻璃 + 单片热反射玻璃 夹层玻璃21 9018 858 5110 466 555 7618 5815 016 978 375 254 6916 8813 866 537 694 824 3615 8512 946 177 184 504 1015 4112 436 006 904 323 975中庭形状对天然采光 效 率 的 影 响参 考 文 献:分析在相同的玻璃材料、相同的中庭高度、相同的中 庭和采光面积的条件下的采光系数，图 3 显示，当中 庭高度20 m 时，方形 圆形 矩形 正六边形; 当中庭高度 20 m 时，方形 矩形 圆形 正六边1 彭小云 中庭的热环境与节能研究D 南京: 东南大学，20032 GB / T 500332001 建筑采光设计标准S3 英里查萨克 森 中 庭 建 筑开 发 与 设 计M 戴 复 东，吴 庐生，译 北京: 中国建筑工业出版社，1990