严寒地区建筑采光中庭光环境模拟初探

周洪涛 魏雪彤

(吉林建筑大学 130000)

0 引言

近年来，大型公共建筑如办公建筑、教学建筑、商业建筑都采用带有玻璃采光顶的中庭来引入自然光线，在增加自然采光的同时节约了能源，自然光线相对于人工光源更能带动人们的积极性，使人身心愉悦。影响采光中庭的光环境因素有很多，平面形式、采光顶样式、玻璃形式、室内装饰材料等都对中庭的光环境有很大影响。本文采用基于Ecotect下的Radiance软件进行模拟，研究平面形式、平屋顶与斜坡顶不同采光顶形式对于中庭内光环境以及各层光环境分布的影响。

1 参数设定

建筑中庭按照建筑边界单项中庭、双向中庭、三项中庭和内置中庭。文中选用严寒地区常用的内置中庭作为研究对象，并将中庭内部进行简化，忽略掉玻璃的划分方式与镶嵌方式及中庭内部的栏杆、栏板绿化等同时对中庭内部的饰面材料进行简化。

1-1饰面光反射比ρ

中庭的层高统一设定6层，一层为5.1m, 二至六层为4.5m，计算走道范围统一为4m。平面形式分为圆形、六边形、方形、矩形。采光顶形式为平屋顶和斜屋顶。

2 评价指标

由采光系数和采光均匀度作为评价指标。采光系数是在室内参考平面上的一点，由直接或间接地接收来自既定和已知天空亮度分布的天空漫反射光而产生的照度与同一时刻该天空半球在室外无遮挡水平上产生的天空漫反射光照度之比。采光均匀度是室内照度分布不均匀，使人视功能下降，影响工作效率，需要房间内照度有一定均匀度，通常以室内照度最低值与室内照度平均值之比。

3 模拟过程及结果

3.1 平面形式

在采光面积一定的情况下，设定中庭的形状分别是圆形半径 13.54m、正六边形边长14.88m正方形边长为24m*24m、矩形边长分别为20m*28.8m、16m*36m、12m*48m、9m*64m，屋顶形式为平屋顶。

图3-1 不同形式中庭采光系数分布图

图3-2 采光系数变化曲线图

由图3-1和 3-2得出，在采光顶采光面积、饰面材料一样状态下：（1）采光系数最大值是圆形＞六边形＞正方形＞20m*28m〉16m*36m＞12m*48m＞9m*64m。长宽比越小，采光系数最大值越低，长宽比为1时，越接近圆采光系数值越大。（2）采光系数平均值随着长宽比的加大而减小，长宽比为 1时，越接近圆形采光系数平均值越大。（3）采光系数均匀在长宽比为1的情况下，越接近圆形均匀度越好；长宽比不等于 1的情况下，长宽比越大，采光系数均匀度越好。（4）在同等状态下，越接近圆形，采光系数对比值越大，越容易产生眩光。

图3-3 各层走廊采光系数变化曲线图图

3-4各层走廊采光系数均匀度变化曲线图

由图3-3和图3-4可知，在采光顶采光面积、饰面材料一样的状态下：（1）长宽比越接近 1的时候，一层的采光均匀度越来好。（2）采光均匀度变化成抛物线形状，变化特点是中间层采光均匀度越低，由中间层逐渐向两边递增。（3）顶部采光照度分布是水平面比墙面照度高，水平面照度在房间中间比两旁高。照度分布是：（1）各层照度值随着层高的加深而加大。（2）在同样范围内，中庭形式虽有不同，但二层高范围内照度值均最小。（3）在冬至日全阴天最不利的状态下，一层～三层在距离中庭3m的范围内照度均小于300lux，需要进行人工照明辅助；四层～六层距中庭4m范围内照度值均小于300lux，需要进行人工照明辅助。（5）五层和六层在最不利状态小照度值达到1500lux，在正常天气下容易产生眩光，需要针对这两层进行单独的遮阳处理。

4 屋顶形式

为对比不同采光顶形式对于中庭内光环境的影响，建立模型中庭尺寸为24m*24m，走到宽度为6m，层高5.1m ，二至六层为3.9m 。

4.1.1 平屋顶

屋顶形式分别为平屋顶、高分别为1m、2m、3m的矩形屋顶，其各层采光系数平均值为：4.78、6.23、8.18左右。平屋顶在采光系数方面各层中庭影响不大。在剖面上，采光系数平均值为3.64%、3.97%、4.22%、4.46%。

图4-1 不同采光顶下中庭采光系数分布图

由图 4-1可得出，在其他条件都一致的情况下，只改变矩形中庭采光顶的高度，在剖面上随着中庭高度的加深采光系数平均值在加大；底层中庭采光系数变化较小，顶层采光系数平均值逐渐加大。随着采光顶高度加大，采光顶辐射的范围越大，尤其对顶层的中庭空间影响较大，高3m的矩形采光顶的照度辐射范围高于平采光顶的照度。

图4-2 不同采光顶六层采光系数曲线图

由图4-2可知，随着采光顶高度的不同，对顶层空间影响较大，顶层采光系数平均值随着采光顶高度的增加而增加，采光均匀度也随着高度增加而加大。经软件模拟测试采光顶的高度增加对与底层空间影响不大，照度变化值也较小。顶层的照度值从平屋顶到高3m的矩形屋顶其最大照度分别为1494.87lux、

1510.16 lux、1578.42lux、1589.44lux，此时是在冬至日全阴天最不利状态下的测试值，故在夏天晴天状态下高3m的矩形中庭会比平屋顶产生更大照度值，更易产生眩光。4.1.2斜坡顶

斜坡顶的角度选择为18°、30°、45°。为单坡、双坡和四坡。在单坡屋顶中分别设置了单坡屋顶的朝向。

表4-1 单坡采光顶角度与朝向采光照度平均值

由表4-1可知长春地区单坡采光顶照度平均值随着角度的增加照度平均值在减小即18°＞30°＞45°。单坡顶坡度的朝向不同，也影响着室内的采光，无论角度多大，其内部照度平均值是南向坡＞东向坡＞西向坡＞北向坡。双坡顶随着角度的增大照度值逐渐减小，东西向坡度照度值低于南北向，在四坡顶的采光顶中，照度平均值随着坡度的升高而减小。

通过分析得出：（1）中庭的平面形式上长宽比接近 1的采光效果越好，圆形的采光效果最好，但中庭的中心处照度容易偏大，在夏天的时候需要进行一定的遮阳处理。（2）在采光顶的形式上，平屋顶与矩形屋顶虽然对采光系数均匀度影响不大，矩形采光顶中庭的立面上的照度会随着矩形采光口的高度的增加而升高，矩形天窗随着天窗高度的加深其采光均匀度加大，对中庭顶层的空间影响较大，采光顶的高度越高，顶层越容易产生强烈的眩光，此时可以选用透射比较小的玻璃，以弱化采光顶的眩光作用。（3）坡屋顶下的中庭采光照度会收到坡屋顶坡度的影响，即南向坡＞东向坡＞西向坡＞北向，同时随着坡度的增加，中庭的照度在逐渐减小，可以根据不同的朝向选择不同透光率的玻璃。（4）中庭各层采光系数不一样，顶层＞底层＞中间层。顶层和底层避免使用高反射的材料，以免造成眩光，中间层多使用些浅颜色，高反射的材料增加室内照度。