低碳导向下中庭玻璃采光顶与遮阳整合设计——以山东省某高校图书馆为例

崔艳秋赖震洲张爽孔昊辰蔡洪彬

(1.山东建筑大学 建筑城规学院，山东 济南250101；2.山东省建设工程质量安全中心，山东 济南250011；3.山东建大和盛建设项目管理有限公司，山东 济南250100)

0 引言

中国建筑领域的能源消耗与排放是中国节能减排、碳减排双目标工作的重点[1]。随着经济水平的提高，人们越来越注重室内的环境质量，由于玻璃采光顶中庭能够营造开敞、明亮的空间，在公共建筑设计中得到了广泛应用，但其内部眩光、制冷能耗大等问题十分突出，设置遮阳可有效降低其制冷能耗，但遮阳过度则会造成冬季建筑采暖和中庭照明能耗增高，因此中庭玻璃采光顶和遮阳的整合优化设计对实现中庭建筑节能和降低碳排放十分必要。

玻璃采光顶与遮阳整合设计相关优化因素有很多，如采光顶玻璃材质、遮阳空间位置、遮阳材料和遮阳控制设定等。根据文献分析，有学者主要针对采光顶玻璃材质进行研究[2-5]，如LIU等[6]通过模拟分析了采光玻璃夹层带不同厚度相变材料(Phase Change Materials，PCM)对中庭室内光热环境的影响；赵洋等[7]运用流体动力计算软件(Computational Fluid Dynamics，CFD)分析了不同中庭采光玻璃材质对于室内热舒适度、能耗的影响。在遮阳方面，部分研究者探究了不同遮阳材质和遮阳空间位置对于室内光热环境的影响[8-10]，如朱尚斌等[11-12]利用CFD和建筑热环境设计模拟(Designer's Simulation Toolkit，DeST)等软件，研究了采光顶无遮阳及采用深色或浅色遮阳幕帘的中庭建筑能耗变化；孟海迎[13]利用生态建筑大师Ecotect软件模拟研究了遮阳与玻璃采光顶的距离对于建筑能耗和光环境的影响。而遮阳控制方面的研究主要集中于不同的遮阳控制设定、调控方式[14-15]，如MARTIN等[16]通过模拟对比了固定遮阳和动态遮阳对室内能耗、热环境和天然采光的影响，结果表明动态百叶的遮阳效果最佳。

基于以上分析可知，现阶段关于中庭玻璃采光顶与遮阳研究多采用控制变量的方式，以单一变量模拟研究为主，相对缺乏对3个及以上的多因素耦合关系的规律分析与整合优化的研究，因此文章通过调研中庭建筑的形态、平面尺寸、剖面尺寸和采光顶形式等特点，选择较为典型的中庭建筑，并以低碳节能和室内光环境为优化目标，研究造型特征因子、材质构件因子和控制方式因子对于采暖制冷能耗和照明能耗的影响，定量分析其取值与组合最优解，多方案比较最终提出适用于玻璃采光顶与遮阳整合优化方案，以期改善中庭建筑的光热环境和节能效果，为玻璃采光顶与遮阳整合的科学化发展提供有价值的建议。

1 玻璃采光顶中庭设计分析

1.1 玻璃采光顶中庭设计

山东省属于寒冷地区，其气候特征为冬季寒冷干燥，夏季较长且炎热湿润，根据相关数据显示，夏季最高气温＞36℃，甚至有时会＞40℃，因此建筑节能设计要求应兼顾夏季防热[17]。通过对寒冷地区153栋玻璃采光顶中庭建筑的调研统计，发现其中庭面积、中庭平面形状、剖面形态和遮阳技术具有鲜明的地域特征，统计数据如图1所示。

分析图1数据可知，中庭底面积为400 m2时案例数量占比最高，如图1(a)所示；而中庭建筑平面形式多为矩形，平面长宽比为1时案例数量最多，占18%，如图1(b)所示；中庭剖面形式以“H”形为主，占87.6%；调查统计的中庭剖面高宽比也具有明显差异性，数据基本呈现3个正态分布趋势，其中高宽比为1.3～1.5时的案例数最多，占总数的16.2%，如图1(c)所示；采光顶窗地面积比分布相对集中，其中84.7%为0.8～1.0的全天窗形式；采光顶遮阳以内遮阳为主，约占50%，其中内遮阳幕帘最为常见，其涉及的玻璃采光顶类型和建筑类型也最多。外遮阳约29.4%，其中外百叶遮阳最为常见。遮阳控制方式以不可调节遮阳最多，如图1(d)所示，有22.1%的可调节遮阳为手动调节，但对于未来节能和室内环境要求不断提高的大趋势下，采用可自动调节遮阳的玻璃采光顶具有一定意义。

图1 玻璃采光顶中庭建筑数据统计图

1.2 中庭热环境分析

选取较为典型的山东省某高校图书馆作为研究对象(如图2所示)，图书馆位于山东省济南市历城区，建于2008年，整体造型为现代主义风格，简洁美观。图书馆共5层，其1～2层为办公室、咨询室和门厅，3～5层主要为阅览空间，建筑核心部位设置4层为通高中庭，顶部为折线形明框采光顶，采光顶采用普通夹胶玻璃，并通过钢梁支承。

图2 山东省某高校图书馆实景图

1.2.1 测定方案

图书馆中庭夏季室内光热环境变化测定内容主要包含了各层测点室内温度和自然采光照度。测试仪器采用风速计Testo405-V1和分体式光照度计AS823，均为每隔1 h记录一次数据。由于采光中庭各层平面一致，因此选取2、3和5层走廊相同位置共布置7个测点。温度测点距地面高度为1.5 m，而自然采光照度测点高度为离地0.75 m处，各测点均未有空调送风口，各层测试结果取该层测点的平均值，其测点分布如图3所示。

图3 山东省某高校图书馆测点布置图

1.2.2 测定结果与分析

根据济南市气候特征，实测时间为大暑与立秋之间，室内温度与照度实测时间为8月7日9:00和17:00，测试当日天气为晴转多云，采集数据结果如图4、5所示。

图4 室内温度测试数据图

由图4可知，测试期间中庭室内最高温为31.2℃，约出现在13:00的5层测点6；中庭室内最低温为28.4℃，约出现在17:00的2层测点3。5层全天温度变化最为明显，测试期间最大温差为2.2℃，而2层全天温度分布相对平缓，最大温差为1.7℃，中庭各层室内温度总体变化呈抛物线状。此外，对比东西测点可知，上午东侧测点温度明显高于西侧，而下午西侧测点温度上升较快。结果显示各测点温度均偏高，周边房间空调几乎全天运行，能源消耗较大。

由图5可知，测试当天的光照度数值在上午9:00～12:00之间各测点相差较大，过12:00之后，数值较低，且均趋于平缓。各测点存在明显的照度值差异，12:00时，中庭2层测点1的照度值为22 600 lx，其照度值过高；而3层测点5的照度值为120 lx，照度值过低，不能满足学生阅读的光环境要求，并且两者相差22 480 lx，采光均匀度不佳，中庭存在眩光问题。

图5 自然采光照度测试数据图

中庭采光顶设计采用透过率较大及遮阳系数较低的玻璃材料时，会导致夏季中庭产生温室效应，致使室内炎热，且体感温度高于室外温度，将会增加中庭及周边房间制冷能耗，同时大量的直射光进入室内，将会产生照度不均及眩光现象。因此，为改善照度不均匀和建筑能耗过大等问题，应整合设计图书馆采光中庭的玻璃采光顶与遮阳。

2 中庭玻璃采光顶与遮阳整合方案设计与分析

在玻璃采光顶与遮阳整合设计中，遮阳构件位置与系统的选择对于中庭整体美观具有重要影响，并且其选择受建筑采光顶形态影响。由于图书馆中庭顶部采用钢梁支承的折线型玻璃采光顶，整体呈现波浪状，最高点突出建筑屋面约1.2 m(如图6所示)，如选用外遮阳和中间遮阳则存在构造复杂和建造成本较大等问题，因此采光中庭宜优先选用内遮阳技术。内遮阳能够有效提高室内采光均匀度，改善室内热环境，并且还具有成本较低、易安装维护、美观等优点。

图6 图书馆采光顶造型图

常见的内遮阳系统主要有织物型遮阳、片状构件遮阳和其他类型遮阳系统。相较于织物型遮阳系统，片状遮阳会阻挡冬季太阳入射室内，导致冬季采暖能耗增加，而织物型遮阳质感柔软，可根据需求灵活开闭卷帘，控制进入室内的光线，在中庭采光顶与遮阳整合设计中选择织物型遮阳系统更具有优势。

2.1 整合方案设计

采光中庭建筑节能效果除了受遮阳类型因素的影响外，还受造型特征、材料构件和控制方式等条件的影响。基于寒冷地区的气候条件与中庭建筑特征，选取4个与建筑能耗相关的因素:A遮阳空间位置、B采光顶玻璃材质、C遮阳反射率与透过率、D遮阳控制设定，每个因素选择5个水平，即5种不同设计策略[18](见表1)。其中，采光顶玻璃材质种类有:夹胶玻璃、夹胶中空玻璃、单银低辐射Low-E夹胶中空玻璃、双银LOW-E夹胶中空玻璃和三银Low-E夹胶中空玻璃，分别用G1～G5表示。卷帘的遮阳反射率与透过率类型有:低反高透J1、中反中透J2、低反中透J3、高反低透J4、中反低透J5和低反低透J6等。遮阳控制设定方式有:一直开启，用O1表示；室内温度高时开启，用O2表示；采光顶日照强度高时开启，用O3表示；白天制冷及采光顶日照强度高时开启，用O4表示；夜间制热时和白天制冷时开启，用O5表示。

表1 影响因素取值对应表

2.2 基于回归分析的中庭玻璃采光顶与遮阳整合优化

玻璃采光顶形式较多，应根据不同玻璃采光顶造型进行分析，由于各个因素对建筑能耗的影响各不相同，需通过多次实验来验证各因素组合下的建筑节能效果，明确各个因素相关参数的协调机理，最终获取各参数的最佳组合[19]。

2.2.1 模型建立与参数设置

基于能耗模拟软件Design Builder建立模拟分析模型，建模效果图如图7所示。建筑主体围护结构构造及传热系数设定见表2。其中采暖制冷房间为门厅、办公室、阅览室和特藏书库等，而中庭未设置空调，根据相关规范要求[20]，夏季温度设为24～28℃，而冬季设为18～22℃，并根据实际情况设置了1 d内空调的开启时间，中庭相连功能空间的门在开馆时间保持开启状态。建筑换气次数取0.5 ac/h，并对人员、照明和设备的情况进行了相应设置。

图7 Design Builder建模效果图

表2 建筑围护结构构造及热工传热系数表

2.2.2 单一变量模拟分析

将计算模型及所有参数输入Design Builder，研究遮阳空间位置、采光顶玻璃材质、遮阳反射率与透过率、遮阳控制设定4种单一变量下采暖制冷能耗和照明能耗的敏感性，计算结果如图8、9所示。

图8 全年采暖制冷能耗单因素敏感性分析图

由图8可知，在以上4种单一变量作用下，中庭采暖制冷能耗分别呈现不同变化趋势。运用线性回归分析方法，可得出中庭的采暖制冷能耗与遮阳空间位置、采光顶玻璃材质、遮阳反射率与透过率、遮阳控制设定的回归方程，分别由式(1)～(4)表示为

式中y为采暖制冷设备能耗，(kW·h)/m2；R2为判定系数。

二元一次方程中斜率越高，代表其对于采暖制冷能耗影响越大，由各回归方程分析可知，采光顶玻璃材质对于采暖制冷能耗影响最大，其斜率为26 135；增加的遮阳反射率与透过率次之，其斜率为25 495；而遮阳空间位置对于采暖制冷能耗影响最小，其斜率仅为0.2458；因此在玻璃采光顶与遮阳整合设计中，应着重提升玻璃的性能。

分析图9数据可知，中庭建筑照明能耗的变化趋势与采暖制冷能耗的变化趋势相反，增加的遮阳反射率与透过率对于照明能耗影响最大，其斜率为5 158.9；采光顶玻璃材质次之，其斜率为2 406；而遮阳空间位置对于照明能耗影响最小，其斜率仅为0.2083。

图9 全年照明能耗单因素敏感性分析图

由图9分析可知，采光顶玻璃材质、遮阳反射率与透过率、遮阳控制设定对于代表光热环境的采暖制冷能耗和照明能耗敏感性较高，而遮阳空间位置影响相对较小，因此前3个因素也是玻璃采光顶与遮阳整合设计中对于光热环境优化的主要因素，应在设计中着重选择合适的因素组合。

2.2.3 多变量组合模拟分析

基于各单一因素的敏感性分析，各个因素与建筑能耗呈近线性关系，因此在研究多因素的耦合作用时，可采用线性回归分析方法，利用统计产品与服务解决方案(Statistical Product and Service Solutions，SPSS)软件得到L25(54)型正交表，并运用Design Builder对每一组实验进行模拟，采用多因素正交实验法研究各因素水平之间的交互作用对建筑能耗的影响[21]，计算结果见表3。

分析表3数据可知，综合排名结果过于趋近照明能耗或采暖制冷能耗单一目标，为了防止优选方案趋向于无天然采光状况等边缘值情况，因此筛除25组方案中单一目标排名超过20以后的方案，剩余方案分别为方案4、5、8、13、14、17、18、20、21、22、24和25。选取的12种方案均可以在不同程度上降低建筑采暖制冷能耗，但同时在不同程度上增加了照明能耗。考虑到建筑的改造目标以室内热环境改善为主，因此在综合光热效果最优组合选择中以采暖制冷能耗优化率为主进行排名，其中方案8的采暖制冷能耗最低，此时遮阳与采光顶的间距为0.2 m，采光顶玻璃材质为单银Low-E中空玻璃，遮阳反射率为0.8、透过率为0.1，遮阳控制设定为室内温度高时开启，其建筑能耗节能率为6.14%，方案4、25分别次之。

表3 中庭建筑能耗多因素正交组合方式及结果表

拟合方程R＝0.917、R2＝0.841，接近于1，说明预测模型的精确度较高；德宾-沃森Durbin-Watson检验值为2.108∈(1，3)，表明残差具有独立性；标准化残差各点分布于(-2，2)之间，服从正态分布，说明了预测模型的可靠性，如图10、11所示。

图10 回归标准化预测散点图

图11 标准化残差正态分布图

2.2.4 采光模拟分析

多变量组合方案的优化选择不仅需要对比采暖、制冷和照明能耗的降低，同时也需要结合室内光环境综合衡量。因此经筛选后，选择综合效果较优的方案4、5、8、13、14、17、18、20、21、22、24和25进行中庭室内采光顶均匀度分析。选择典型夏季7月22日，采用国际照明委员会(International Commission de l′Eclairage，CIE)全阴天模型，运用Ecotect软件分别对中庭选用的5种玻璃采光顶造型进行天然采光模拟。模拟平面选取距中庭最底面0.75 m处，各方案的采光系数见表4。

表4 中庭室内采光效果模拟分析表

通过分析表4数据可知，筛选后的12种方案经改造后均满足规范[22]对图书馆建筑顶部天然采光照度不低于450 lx、室内采光系数不低于3%的标准限值。12种方案均能够改善室内光环境中眩光问题，提高中庭周围的采光均匀度，其中方案5中庭室内采光均匀度最高，为0.382，而方案25和8次之，分别为0.380和0.370。

基于以上研究可知，筛选后的12种整合设计方案均可以在不同程度上遮挡太阳辐射，在满足中庭采光系数和天然光照度的要求下[23-26]，减少夏季室内太阳辐射得热和建筑总体能耗。其中采用方案8降低采暖制冷能耗效果最佳，照明能耗增加相对较低，而在室内采光均匀度方面，方案8仅与方案4相差0.012，且由于建筑改造目标以室内热环境为主，综合权衡建筑采暖制冷能耗、照明能耗和室内采光均匀度，在山东省某高校图书馆中庭玻璃采光顶与遮阳整合设计中采用方案8综合效果最优(如图12所示)。

图12 组合方案效果图

3 结语

玻璃采光顶中庭能够为公共建筑提供社交和公共空间，有效改善建筑内部采光状况，因此在设计中得到广泛应用，但同时也会导致室内光热环境不舒适和建筑能耗增高等问题。为满足目前绿色建筑和低碳目标的发展要求，统筹考虑建筑能耗与采光需求，整合设计中庭玻璃采光顶与遮阳，对于降低中庭建筑能耗及建筑碳排放具有重要意义。文章基于寒冷地区玻璃采光顶中庭建筑空间形态，选取较为典型的山东省某高校图书馆作为研究对象，通过现场实测提出整合设计方案，从遮阳空间位置、采光顶玻璃材质、遮阳反射率与透过率、遮阳控制设定4个方面设计中庭玻璃采光顶与遮阳整合优化方案，通过单一因素模拟、多因素线性回归和室内采光均匀度效果等方面的分析，提出节能和自然采光优化的最优方案，即尽量提高遮阳的反射率，降低透过率，选择较低的太阳得热系数和热工系数的玻璃材质，根据室内温度变化优化遮阳开、闭状态，从而有效降低照明及采暖制冷能耗，实现中庭节能减排目标的同时，保证较好的室内自然采光效果。