四向建筑中庭天然采光与建筑设计的研究

四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摘要天然采光有利于节省照明能耗,改善建筑空间的光环境质量。通过研究四向建筑中庭的形状、中庭高度、中庭面积、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了理论依据。关键词中庭天然采光玻璃中图分类号TU113154文献标识码A文章编号1008193320090625405RESEARCHONDAYLIGHTINGANDARCHITECTURALDESIGNOFBUILDINGATRIUMHAVINGNOWALLCURTAINPENGXIAOYUNSCHOOLOFCIVILENGINEERINGANDARCHITECTURE,EASTCHINAJIAOTONGUNIVERSITY,NANCHANG330013,CHINAABSTRACTLIGHTINGENERGYCONSUMPTIONCANBESAVEDANDLIGHTENVIRONMENTISIMPROVEDBYUSINGDAYLIGHTINGINBUILDINGSSPACETHERELATIONOFDAYLIGHTINGANDARCHITECTURALDESIGNOFATRIUMSHAPE,ATRIUMHEIGHT,ATRIUMAREA,SKYLIGHTAREAOFATRIUM,GLASSSTYLEWASRESEARCHEDTHESERESULTSPROVIDEREFERENCESFORARCHITECTURALDESIGNOFATRIUMBUILDINGSKEYWORDSATRIUMDAYLIGHTINGGLASS并且,可以减少照明散发的热量,降低夏季空调的制冷耗能,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。中庭的建筑设计直接影响其天然采光。0前言人类的大部分活动都在建筑中进行,希望在建筑空间内亦能享受到太阳光提供的照明。“哪怕窗户小一点,也比没有窗的好”,说明人类对天然光的渴望。直射阳光能够杀灭细菌,促进人的新陈代谢,还能够带来生气,给室内增添情趣,使人有接触大自然的感受。建筑的中庭或大厅采用巨大的玻璃顶棚,模拟四季如春的大自然,在阳光的照耀下,使人感受到大自然的勃勃生机。天然光具有照度均匀、眩光的可能性小、光色好、持久性好的特点,对于表现建筑艺术造型、展示材料的质感、真实反映物体的外观特征、渲染室内环境气氛、美化环境和实施构图技法等有重要作用。天然光是无污染、可再生的能源,利用天然光创造光环境,可以降低照明电能,具有节能潜力,符合国家的节能政策。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。1研究条件的假定本研究仅限于四向中庭,即中庭居建筑中部,四周都为房间,只有顶棚的天窗进行天然采光,没有侧面采光。其平面形状选择矩形、正方形、正六边形和圆形。为了研究不同形状、面积、高度、玻璃顶棚面积的中庭的采光系数,选择了一系列的中庭进行计算分析,见表1。表1中庭计算模型TABLE1COMPUTINGMODELSOFATRIUM边长/M半径方形矩形正六边形圆形面积/M22004006001414220000244951000020000141422828417321346418774124081519779811128713823收稿日期2007211212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节能研究。基金项目南昌市科技局科研课题华东交通大学科学基金课题EMAILPXIAOYUNECJTUJXCN8002828420000400001754815962中庭的高度分别为12M,20M,28M,36M,2552009NO16彭小云四向建筑中庭天然采光与建筑设计的研究44M。中庭的顶棚玻璃面积比分别为40,60,80,100,且假定天窗都在中庭的中部。表2玻璃材料光学性能90TABLE2OPTICPERFORMANCEOFSOMEGLASS90天窗的玻璃材料分别为透明玻璃、透明中空玻璃、LOW2E9FL玻璃、单片热反射玻璃、FL9热反射玻璃、夹层玻璃,其光学性能见表2。LOWE9FL玻璃FL9热反射玻璃玻璃类型透明玻璃透明中空玻璃单片热反射玻璃吸热玻璃厚度/MM光透射光反射遮蔽系数6908099612681150876351504069645190346962822203256886083计算方法和计算点的确定参见GB/T500332001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,其他的一些系数分别为顶棚反射系数P0175玻璃反射系数C见表2墙面反射系数Q0170洞口反射系数011地面反射系数D0166计算面高度019M。中庭天然采光系数随高度的变化趋势,中庭高度的增加,采光系数逐渐减小,但减小的趋势减缓。从图上看出,4种形状中庭的采光系数随高度衰减的斜率基本相似,即衰减的速度相同。2中庭高度变化对采光系数的影响图14为四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,天然采光系数值逐渐下降,并且下降的趋势越来越缓慢。但是,从图1可看出,当采光面积为40和60时,从12M升到20M的采光系数增加很小,这是由于中庭高度较小12M时,较小的顶棚采光面积使得光线很难进入到中庭边缘,因而照度很低。不同采光面积总的下降趋势是100806040不同中庭面积的下降趋势是800M2600M2400M2200M2不同玻璃材料的下降趋势是透明玻璃透明中空玻璃LOW2EFL玻璃单片热反射玻璃FL热反射玻璃夹层玻璃,即采光面积越大、中庭面积越大、材料透射系数越高,随着高度的增高,采光系数衰减得越快。图4为透明玻璃天窗4种形状图2透明玻璃不同面积中庭天然采光随高度的变化80采光面积FIG2THERELATIONOFDAYLIGHTFACTORANDATRIUMHEIGHTOFDIFFERENTPLANAREAWITHCLEARGLASS80GLAZ2INGAREA图3不同材料中庭天然采光随高度的变化80采光面积,400M2FIG3THERELATIONOFDAYLIGHTFACTORANDATRIUMHEIGHTWITHDIFFERENTGLASS80GLAZINGAREA,400M2图1透明玻璃中庭天然采光随高度的变化400M2FIG1THERELATIONOFDAYLIGHTFACTORANDATRIUMHEIGHTWITHCLEARGLASS400M219942013CHINAACADEMICJOURNALELECTRONICPUBLISHINGHOUSEALLRIGHTSRESERVEDHTTP/WWWCNKINET256四川建筑科学研究第35卷图6不同形状中庭天然采光随面积的变化透明玻璃、28M高,80采光面积图4不同形状中庭天然采光随高度的变化透明玻璃,80采光面积,400M2FIG4THERELATIONOFDAYLIGHTFACTORANDATRIUMHEIGHTOFDIFFERENTPLANSHAPECLEARGLASS,80GLAZINGAREA,400M2FIG6THERELATIONOFDAYLIGHTFACTORANDATRIUMPLANAREAOFDIFFERENTPLANSHAPECLEARGLASS,80GLAZINGAREA,28MINHEIGHT3中庭面积变化对采光系数的影响从图58可看出随着中庭面积的增大,无论何种形状、何种玻璃材料、中庭高度多高,采光系数都增大。但是,中庭的面积越大,采光系数增加越来越缓慢。不同的顶棚采光面积相比较,是中庭的采光面积越大,随面积的增大,采光系数增加得越快图5。不同形状的中庭随中庭面积的增大,采光系数增长的基本趋势是矩形方形正六边形圆形图6。不同高度的中庭随着中庭面积的增大,采光系数增长的基本趋势是中庭越高,采光系数增加得越慢图7。不同的玻璃材料的增大总趋势是透明玻璃透明中空玻璃LOW2EFL玻璃单片热反射玻璃FL热反射玻璃夹层玻璃图8。图7不同高度中庭天然采光随面积的变化透明玻璃、80采光面积FIG7THERELATIONOFDAYLIGHTFACTORANDATRIUMPLANAREAOFDIFFERENTHEIGHTCLEARGLASS,80GLAZINGAREA图8不同材料中庭天然采光随面积的变化28M高,80采光面积图5透明玻璃中庭天然采光随面积的变化28M高FIG5THERELATIONOFDAYLIGHTFACTORANDPLANAREAOFATRIUMWITHCLEARGLASS28MINHEIGHTFIG8THERELATIONOFDAYLIGHTFACTORANDATRIUMPLANAREAWITHDIFFERENTGLASS80GLAZINGAREA,28MINHEIGHT19942013CHINAACADEMICJOURNALELECTRONICPUBLISHINGHOUSEALLRIGHTSRESERVEDHTTP/WWWCNKINET2572009NO16彭小云四向建筑中庭天然采光与建筑设计的研究值得注意的是,当中庭的采光面积较小、中庭高度较低时,随着中庭面积的增大,采光系数反而下降。例如40面积的透明玻璃顶棚、中庭高为12M时,200M2,400M2,600M2,800M2中庭的采光系数分别为8102,7184,4158和411560面积的透明玻璃顶棚、中庭高为12M时,200M2,400M2,600M2,800M2中庭的采光系数分别为9155,9123,5139和5106。这是由于中庭面积越大、采光面积较小时,采光口边缘距离计算点的尺寸较大,即屋面的尺寸越大,天然光很难达到这区域,所以采光系数较小。图10不同高度中庭天然采光随采光面积的变化透明玻璃、方形、400M2FIG10THERELATIONOFDAYLIGHTFACTORANDSKYLIGHTAREAOFATRIUMOFDIFFERENTHEIGHTCLEARGLASS,SQUARE,400M24中庭天窗面积变化对采光系数的影响四向中庭顶棚采光面积的改变,必然引起中庭天然采光系数的改变。从图912可以看出,随着中庭顶棚采光面积的增大,中庭的天然采光系数也增大,并且,基本呈现线性增长。中庭面积大的,随着中庭顶棚采光面积的增大,中庭的天然采光系数增大的趋势略大于中庭面积小的图9。随着中庭的高度增大,中庭顶棚采光面积增大时,中庭的天然采光系数增大的趋势反而减缓图10。随着中庭顶棚采光面积的增大,中庭天然采光系数增大的趋势是圆形正六边形方形矩形图11。随着中庭顶棚采光面积的增大,不同玻璃材料的中庭天然采光系数增大的趋势是透明玻璃透明中空玻璃LOW2EFL玻璃单片热反射玻璃FL单片热反射玻璃夹层玻璃图12。图9中的12M高的中庭采光曲线出现大的起伏,是由于中庭高度很小,较小的采光面积40和60,使得光线很难进入到中庭边缘,因而照度很低。图11不同形状中庭天然采光随顶棚采光面积的变化2透明玻璃、28M高、400MFIG11THERELATIONOFDAYLIGHTFACTORANDSKYLIGHTAREAOFATRIUMOFDIFFERENTPLANSHAPECLEARGLASS,28MINHEIGHT,400M2图9不同面积中庭天然采光随顶棚采光面积的变化28M高、透明玻璃、方形FIG9THERELATIONOFDAYLIGHTFACTORANDSKYLIGHTAREAOFATRIUMOFDIFFERENTPLANAREA28MINHEIGHT,CLEARGLASS,SQUARE图12不同材料中庭天然采光随采光面积的变化方形、28M高、400M2FIG12THERELATIONOFDAYLIGHTFACTORANDSKYLIGHTAREAOFATRIUMWITHDIFFERENTGLASSSQUARE,28MINHEIGHT,400M219942013CHINAACADEMICJOURNALELECTRONICPUBLISHINGHOUSEALLRIGHTSRESERVEDHTTP/WWWCNKINET258四川建筑科学研究第35卷下,不同玻璃材料的采光系数是透明玻璃透明中空玻璃LOW2EFL玻璃单片热反射玻璃FL单片热反射玻璃夹层玻璃。表4也表明采光效率是透明玻璃透明中空玻璃LOW2EFL玻璃单片热反射玻璃FL单片热反射玻璃夹层玻璃。表4圆形中庭天窗不同玻璃材料400M2,80顶棚采光面积中庭采光系数TABLE4DAYLIGHTFACTORINROUNDATRIUMBYDIFFERENTGLASS5中庭的形状与天然采光效率从图4,6和图11中可以看出,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条件下,采光系数是圆形正六边形方形矩形,即圆形的采光效率高,而矩形的采光效率低。表3表明,除了中庭高度12M、采光面积为40和60外,其他的采光系数也符合这个规律而中庭高度12M、采光面积为40和60时,则是矩形圆形方形正六边形。由于中庭高度很小12M,较小的采光面积40和60使得光线很难进入到中庭边缘,而不同形状采光计算点距离天窗边缘的尺寸一样,矩形的尺寸相对要小一点,在这种情况下,采光效率高。表3透明玻璃天窗不同形状400M2中庭采光系数TABLE3DAYLIGHTFACTORINATRIUMWITHDIFFERENTSKYLIGHT2400M,80OFGLAZEAREAINSKYLIGHT/中庭高度/M玻璃材料1220283644透明玻璃透明中空玻璃单片热反射玻璃1672150665083652344611851010436564354301965843364468257250794715309397222212670613265340178182LOW2EF玻璃LF单片热反射玻璃L夹层玻璃SHAPEBYCLEARGLASS400M2/表2表明,不同玻璃的透光系数是透明玻璃透明中空玻璃LOW2EFL玻璃单片热反射玻璃FL单片热反射玻璃夹层玻璃。所以,计算的采光系数结果符合这个规律,即透光系数大的采光效率高,透光系数低的采光效率差。并且,采光系数与透光系数呈正