双向建筑中庭天然采光与建筑设计的研究

    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，降低夏季空调的制冷能耗，达到节能的目的。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。

    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。

    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: 12m，20m，28m，36m，44m。

    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。

    计算方法和计算点的确定，参见GB/T 50033—2001《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) ，其他的一些参数分别选择为: 顶棚反射系数ρp为0.75; 玻璃反射系数ρc见表2; 墙面反射系数ρq为0.70; 洞口反射系数ρ 为0.1; 地面反射系数ρd为0.66，计算面高度为0. 9m。

    双向中庭除了顶棚天窗采光外，还有两侧面玻璃幕墙采光，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。

    图1，2，3为透明玻璃双向方形中庭天然采光系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部分，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。

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，400m2 )

    随着中庭高度的增大，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形，在双向中庭中占了总采光系数的主导地位。

    12m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。

    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 ＞ 44m; 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部分。

    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。

    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，中庭天然采光系数的增大趋势略大于中庭面积小的( 图6) 。

    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) 。

    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。

    5. 中庭形状对天然采光效率的影响分析

    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 表明，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≥28m 时，采光系数是方形＞矩形＞ 圆形＞ 正六边形; 当中庭高度为20m、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12m、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，则为圆形＞方形＞正六边形＞矩形。由此可知，当中庭高度≥28m 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＜28m时，由于顶棚和侧面采光占据的地位不能稳定，所以呈现出不同的规律。

    总之，不同平面形状的双向中庭天然采光最佳的为方形，最差的为正六边形(12m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。

    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