低碳導向下中庭玻璃采光頂與遮陽整合設計
——以山東省某高校圖書館為例

崔艷秋賴震洲張爽孔昊辰蔡洪彬

(1.山東建筑大學 建筑城規學院，山東 濟南250101；2.山東省建設工程質量安全中心，山東 濟南250011；3.山東建大和盛建設項目管理有限公司，山東 濟南250100)

0 引言

中國建筑領域的能源消耗與排放是中國節能減排、碳減排雙目標工作的重點[1]。隨著經濟水平的提高，人們越來越注重室內的環境質量，由于玻璃采光頂中庭能夠營造開敞、明亮的空間，在公共建筑設計中得到了廣泛應用，但其內部眩光、制冷能耗大等問題十分突出，設置遮陽可有效降低其制冷能耗，但遮陽過度則會造成冬季建筑采暖和中庭照明能耗增高，因此中庭玻璃采光頂和遮陽的整合優化設計對實現中庭建筑節能和降低碳排放十分必要。

玻璃采光頂與遮陽整合設計相關優化因素有很多，如采光頂玻璃材質、遮陽空間位置、遮陽材料和遮陽控制設定等。根據文獻分析，有學者主要針對采光頂玻璃材質進行研究[2-5]，如LIU等[6]通過模擬分析了采光玻璃夾層帶不同厚度相變材料(Phase Change Materials，PCM)對中庭室內光熱環境的影響；趙洋等[7]運用流體動力計算軟件(Computational Fluid Dynamics，CFD)分析了不同中庭采光玻璃材質對于室內熱舒適度、能耗的影響。在遮陽方面，部分研究者探究了不同遮陽材質和遮陽空間位置對于室內光熱環境的影響[8-10]，如朱尚斌等[11-12]利用CFD和建筑熱環境設計模擬(Designer's Simulation Toolkit，DeST)等軟件，研究了采光頂無遮陽及采用深色或淺色遮陽幕簾的中庭建筑能耗變化；孟海迎[13]利用生態建筑大師Ecotect軟件模擬研究了遮陽與玻璃采光頂的距離對于建筑能耗和光環境的影響。而遮陽控制方面的研究主要集中于不同的遮陽控制設定、調控方式[14-15]，如MARTIN等[16]通過模擬對比了固定遮陽和動態遮陽對室內能耗、熱環境和天然采光的影響，結果表明動態百葉的遮陽效果最佳。

基于以上分析可知，現階段關于中庭玻璃采光頂與遮陽研究多采用控制變量的方式，以單一變量模擬研究為主，相對缺乏對3個及以上的多因素耦合關系的規律分析與整合優化的研究，因此文章通過調研中庭建筑的形態、平面尺寸、剖面尺寸和采光頂形式等特點，選擇較為典型的中庭建筑，并以低碳節能和室內光環境為優化目標，研究造型特征因子、材質構件因子和控制方式因子對于采暖制冷能耗和照明能耗的影響，定量分析其取值與組合最優解，多方案比較最終提出適用于玻璃采光頂與遮陽整合優化方案，以期改善中庭建筑的光熱環境和節能效果，為玻璃采光頂與遮陽整合的科學化發展提供有價值的建議。

1 玻璃采光頂中庭設計分析

1.1 玻璃采光頂中庭設計

山東省屬于寒冷地區，其氣候特征為冬季寒冷干燥，夏季較長且炎熱濕潤，根據相關數據顯示，夏季最高氣溫＞36℃，甚至有時會＞40℃，因此建筑節能設計要求應兼顧夏季防熱[17]。通過對寒冷地區153棟玻璃采光頂中庭建筑的調研統計，發現其中庭面積、中庭平面形狀、剖面形態和遮陽技術具有鮮明的地域特征，統計數據如圖1所示。

分析圖1數據可知，中庭底面積為400 m2時案例數量占比最高，如圖1(a)所示；而中庭建筑平面形式多為矩形，平面長寬比為1時案例數量最多，占18%，如圖1(b)所示；中庭剖面形式以“H”形為主，占87.6%；調查統計的中庭剖面高寬比也具有明顯差異性，數據基本呈現3個正態分布趨勢，其中高寬比為1.3～1.5時的案例數最多，占總數的16.2%，如圖1(c)所示；采光頂窗地面積比分布相對集中，其中84.7%為0.8～1.0的全天窗形式；采光頂遮陽以內遮陽為主，約占50%，其中內遮陽幕簾最為常見，其涉及的玻璃采光頂類型和建筑類型也最多。外遮陽約29.4%，其中外百葉遮陽最為常見。遮陽控制方式以不可調節遮陽最多，如圖1(d)所示，有22.1%的可調節遮陽為手動調節，但對于未來節能和室內環境要求不斷提高的大趨勢下，采用可自動調節遮陽的玻璃采光頂具有一定意義。

圖1 玻璃采光頂中庭建筑數據統計圖

1.2 中庭熱環境分析

選取較為典型的山東省某高校圖書館作為研究對象(如圖2所示)，圖書館位于山東省濟南市歷城區，建于2008年，整體造型為現代主義風格，簡潔美觀。圖書館共5層，其1～2層為辦公室、咨詢室和門廳，3～5層主要為閱覽空間，建筑核心部位設置4層為通高中庭，頂部為折線形明框采光頂，采光頂采用普通夾膠玻璃，并通過鋼梁支承。

圖2 山東省某高校圖書館實景圖

1.2.1 測定方案

圖書館中庭夏季室內光熱環境變化測定內容主要包含了各層測點室內溫度和自然采光照度。測試儀器采用風速計Testo405-V1和分體式光照度計AS823，均為每隔1 h記錄一次數據。由于采光中庭各層平面一致，因此選取2、3和5層走廊相同位置共布置7個測點。溫度測點距地面高度為1.5 m，而自然采光照度測點高度為離地0.75 m處，各測點均未有空調送風口，各層測試結果取該層測點的平均值，其測點分布如圖3所示。

圖3 山東省某高校圖書館測點布置圖

1.2.2 測定結果與分析

根據濟南市氣候特征，實測時間為大暑與立秋之間，室內溫度與照度實測時間為8月7日9:00和17:00，測試當日天氣為晴轉多云，采集數據結果如圖4、5所示。

圖4 室內溫度測試數據圖

由圖4可知，測試期間中庭室內最高溫為31.2℃，約出現在13:00的5層測點6；中庭室內最低溫為28.4℃，約出現在17:00的2層測點3。5層全天溫度變化最為明顯，測試期間最大溫差為2.2℃，而2層全天溫度分布相對平緩，最大溫差為1.7℃，中庭各層室內溫度總體變化呈拋物線狀。此外，對比東西測點可知，上午東側測點溫度明顯高于西側，而下午西側測點溫度上升較快。結果顯示各測點溫度均偏高，周邊房間空調幾乎全天運行，能源消耗較大。

由圖5可知，測試當天的光照度數值在上午9:00～12:00之間各測點相差較大，過12:00之后，數值較低，且均趨于平緩。各測點存在明顯的照度值差異，12:00時，中庭2層測點1的照度值為22 600 lx，其照度值過高；而3層測點5的照度值為120 lx，照度值過低，不能滿足學生閱讀的光環境要求，并且兩者相差22 480 lx，采光均勻度不佳，中庭存在眩光問題。

圖5 自然采光照度測試數據圖

中庭采光頂設計采用透過率較大及遮陽系數較低的玻璃材料時，會導致夏季中庭產生溫室效應，致使室內炎熱，且體感溫度高于室外溫度，將會增加中庭及周邊房間制冷能耗，同時大量的直射光進入室內，將會產生照度不均及眩光現象。因此，為改善照度不均勻和建筑能耗過大等問題，應整合設計圖書館采光中庭的玻璃采光頂與遮陽。

2 中庭玻璃采光頂與遮陽整合方案設計與分析

在玻璃采光頂與遮陽整合設計中，遮陽構件位置與系統的選擇對于中庭整體美觀具有重要影響，并且其選擇受建筑采光頂形態影響。由于圖書館中庭頂部采用鋼梁支承的折線型玻璃采光頂，整體呈現波浪狀，最高點突出建筑屋面約1.2 m(如圖6所示)，如選用外遮陽和中間遮陽則存在構造復雜和建造成本較大等問題，因此采光中庭宜優先選用內遮陽技術。內遮陽能夠有效提高室內采光均勻度，改善室內熱環境，并且還具有成本較低、易安裝維護、美觀等優點。

圖6 圖書館采光頂造型圖

常見的內遮陽系統主要有織物型遮陽、片狀構件遮陽和其他類型遮陽系統。相較于織物型遮陽系統，片狀遮陽會阻擋冬季太陽入射室內，導致冬季采暖能耗增加，而織物型遮陽質感柔軟，可根據需求靈活開閉卷簾，控制進入室內的光線，在中庭采光頂與遮陽整合設計中選擇織物型遮陽系統更具有優勢。

2.1 整合方案設計

采光中庭建筑節能效果除了受遮陽類型因素的影響外，還受造型特征、材料構件和控制方式等條件的影響。基于寒冷地區的氣候條件與中庭建筑特征，選取4個與建筑能耗相關的因素:A遮陽空間位置、B采光頂玻璃材質、C遮陽反射率與透過率、D遮陽控制設定，每個因素選擇5個水平，即5種不同設計策略[18](見表1)。其中，采光頂玻璃材質種類有:夾膠玻璃、夾膠中空玻璃、單銀低輻射Low-E夾膠中空玻璃、雙銀LOW-E夾膠中空玻璃和三銀Low-E夾膠中空玻璃，分別用G1～G5表示。卷簾的遮陽反射率與透過率類型有: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。遮陽控制設定方式有:一直開啟，用O1表示；室內溫度高時開啟，用O2表示；采光頂日照強度高時開啟，用O3表示；白天制冷及采光頂日照強度高時開啟，用O4表示；夜間制熱時和白天制冷時開啟，用O5表示。

表1 影響因素取值對應表

2.2 基于回歸分析的中庭玻璃采光頂與遮陽整合優化

玻璃采光頂形式較多，應根據不同玻璃采光頂造型進行分析，由于各個因素對建筑能耗的影響各不相同，需通過多次實驗來驗證各因素組合下的建筑節能效果，明確各個因素相關參數的協調機理，最終獲取各參數的最佳組合[19]。

2.2.1 模型建立與參數設置

基于能耗模擬軟件Design Builder建立模擬分析模型，建模效果圖如圖7所示。建筑主體圍護結構構造及傳熱系數設定見表2。其中采暖制冷房間為門廳、辦公室、閱覽室和特藏書庫等，而中庭未設置空調，根據相關規范要求[20]，夏季溫度設為24～28℃，而冬季設為18～22℃，并根據實際情況設置了1 d內空調的開啟時間，中庭相連功能空間的門在開館時間保持開啟狀態。建筑換氣次數取0.5 ac/h，并對人員、照明和設備的情況進行了相應設置。

圖7 Design Builder建模效果圖

表2 建筑圍護結構構造及熱工傳熱系數表

2.2.2 單一變量模擬分析

將計算模型及所有參數輸入Design Builder，研究遮陽空間位置、采光頂玻璃材質、遮陽反射率與透過率、遮陽控制設定4種單一變量下采暖制冷能耗和照明能耗的敏感性，計算結果如圖8、9所示。

圖8 全年采暖制冷能耗單因素敏感性分析圖

由圖8可知，在以上4種單一變量作用下，中庭采暖制冷能耗分別呈現不同變化趨勢。運用線性回歸分析方法，可得出中庭的采暖制冷能耗與遮陽空間位置、采光頂玻璃材質、遮陽反射率與透過率、遮陽控制設定的回歸方程，分別由式(1)～(4)表示為

式中y為采暖制冷設備能耗，(kW·h)/m2；R2為判定系數。

二元一次方程中斜率越高，代表其對于采暖制冷能耗影響越大，由各回歸方程分析可知，采光頂玻璃材質對于采暖制冷能耗影響最大，其斜率為26 135；增加的遮陽反射率與透過率次之，其斜率為25 495；而遮陽空間位置對于采暖制冷能耗影響最小，其斜率僅為0.2458；因此在玻璃采光頂與遮陽整合設計中，應著重提升玻璃的性能。

分析圖9數據可知，中庭建筑照明能耗的變化趨勢與采暖制冷能耗的變化趨勢相反，增加的遮陽反射率與透過率對于照明能耗影響最大，其斜率為5 158.9；采光頂玻璃材質次之，其斜率為2 406；而遮陽空間位置對于照明能耗影響最小，其斜率僅為0.2083。

圖9 全年照明能耗單因素敏感性分析圖

由圖9分析可知，采光頂玻璃材質、遮陽反射率與透過率、遮陽控制設定對于代表光熱環境的采暖制冷能耗和照明能耗敏感性較高，而遮陽空間位置影響相對較小，因此前3個因素也是玻璃采光頂與遮陽整合設計中對于光熱環境優化的主要因素，應在設計中著重選擇合適的因素組合。

2.2.3 多變量組合模擬分析

基于各單一因素的敏感性分析，各個因素與建筑能耗呈近線性關系，因此在研究多因素的耦合作用時，可采用線性回歸分析方法，利用統計產品與服務解決方案(Statistical Product and Service Solutions，SPSS)軟件得到L25(54)型正交表，并運用Design Builder對每一組實驗進行模擬，采用多因素正交實驗法研究各因素水平之間的交互作用對建筑能耗的影響[21]，計算結果見表3。

分析表3數據可知，綜合排名結果過于趨近照明能耗或采暖制冷能耗單一目標，為了防止優選方案趨向于無天然采光狀況等邊緣值情況，因此篩除25組方案中單一目標排名超過20以后的方案，剩余方案分別為方案4、5、8、13、14、17、18、20、21、22、24和25。選取的12種方案均可以在不同程度上降低建筑采暖制冷能耗，但同時在不同程度上增加了照明能耗。考慮到建筑的改造目標以室內熱環境改善為主，因此在綜合光熱效果最優組合選擇中以采暖制冷能耗優化率為主進行排名，其中方案8的采暖制冷能耗最低，此時遮陽與采光頂的間距為0.2 m，采光頂玻璃材質為單銀Low-E中空玻璃，遮陽反射率為0.8、透過率為0.1，遮陽控制設定為室內溫度高時開啟，其建筑能耗節能率為6.14%，方案4、25分別次之。

表3 中庭建筑能耗多因素正交組合方式及結果表

擬合方程R＝0.917、R2＝0.841，接近于1，說明預測模型的精確度較高；德賓-沃森Durbin-Watson檢驗值為2.108∈(1，3)，表明殘差具有獨立性；標準化殘差各點分布于(-2，2)之間，服從正態分布，說明了預測模型的可靠性，如圖10、11所示。

圖10 回歸標準化預測散點圖

圖11 標準化殘差正態分布圖

2.2.4 采光模擬分析

多變量組合方案的優化選擇不僅需要對比采暖、制冷和照明能耗的降低，同時也需要結合室內光環境綜合衡量。因此經篩選后，選擇綜合效果較優的方案4、5、8、13、14、17、18、20、21、22、24和25進行中庭室內采光頂均勻度分析。選擇典型夏季7月22日，采用國際照明委員會(International Commission de l′Eclairage，CIE)全陰天模型，運用Ecotect軟件分別對中庭選用的5種玻璃采光頂造型進行天然采光模擬。模擬平面選取距中庭最底面0.75 m處，各方案的采光系數見表4。

表4 中庭室內采光效果模擬分析表

通過分析表4數據可知，篩選后的12種方案經改造后均滿足規范[22]對圖書館建筑頂部天然采光照度不低于450 lx、室內采光系數不低于3%的標準限值。12種方案均能夠改善室內光環境中眩光問題，提高中庭周圍的采光均勻度，其中方案5中庭室內采光均勻度最高，為0.382，而方案25和8次之，分別為0.380和0.370。

基于以上研究可知，篩選后的12種整合設計方案均可以在不同程度上遮擋太陽輻射，在滿足中庭采光系數和天然光照度的要求下[23-26]，減少夏季室內太陽輻射得熱和建筑總體能耗。其中采用方案8降低采暖制冷能耗效果最佳，照明能耗增加相對較低，而在室內采光均勻度方面，方案8僅與方案4相差0.012，且由于建筑改造目標以室內熱環境為主，綜合權衡建筑采暖制冷能耗、照明能耗和室內采光均勻度，在山東省某高校圖書館中庭玻璃采光頂與遮陽整合設計中采用方案8綜合效果最優(如圖12所示)。

圖12 組合方案效果圖

3 結語

玻璃采光頂中庭能夠為公共建筑提供社交和公共空間，有效改善建筑內部采光狀況，因此在設計中得到廣泛應用，但同時也會導致室內光熱環境不舒適和建筑能耗增高等問題。為滿足目前綠色建筑和低碳目標的發展要求，統籌考慮建筑能耗與采光需求，整合設計中庭玻璃采光頂與遮陽，對于降低中庭建筑能耗及建筑碳排放具有重要意義。文章基于寒冷地區玻璃采光頂中庭建筑空間形態，選取較為典型的山東省某高校圖書館作為研究對象，通過現場實測提出整合設計方案，從遮陽空間位置、采光頂玻璃材質、遮陽反射率與透過率、遮陽控制設定4個方面設計中庭玻璃采光頂與遮陽整合優化方案，通過單一因素模擬、多因素線性回歸和室內采光均勻度效果等方面的分析，提出節能和自然采光優化的最優方案，即盡量提高遮陽的反射率，降低透過率，選擇較低的太陽得熱系數和熱工系數的玻璃材質，根據室內溫度變化優化遮陽開、閉狀態，從而有效降低照明及采暖制冷能耗，實現中庭節能減排目標的同時，保證較好的室內自然采光效果。