北京悠唐購物中心中庭秋冬季光熱環境的測試與分析

摘 要：中庭作為一種與室外緊密聯系的室內中心空間，是室內環境和室外環境進行熱傳遞的媒介，起到過渡的作用。中庭在有效利用自然光源的同時，可改變建筑熱環境，實現高舒適和低能耗的中庭空間具有重要意義。大部分購物中心為保障消費者的需求，采用全天開燈的形式，從而造成能源浪費。結合問卷調查、溫度和照度分析北京市朝外大街悠唐購物中心的中庭區域。研究表明，中庭可在不影響消費者需求的情況下直接利用天然光進行照明，通過環境照度補償照明時間表關閉時間段的照明開關。中庭受到太陽輻射的影響，出現“近熱遠冷”和“上熱下冷”現象。通過問卷分析，大部分受試者對自然采光有較為強烈的偏好，在16：00～16：30時間段內，中庭平均照度雖高于標準照度值，但人們的主觀感受較暗。從目前研究可知，采用光感補償控制策略可達到節能的目的，但要根據消費者的主觀感覺確定照度設定值。

關鍵詞：中庭；光環境；熱環境；秋冬季

中圖分類號：TU247" " " " " " " " " " " " " " " " "文獻標識碼：A" " " " " " " " " " " " " " " " 文章編號：2096-6903（2023）08-0121-05

0 引言

近年來，大型建筑通常引入“中庭”的設計概念。由于其迷人的外觀和廣闊的視野，中庭在全國各地普遍存在并且越來越受歡迎，并廣泛地應用于公共建筑。中庭建筑可從建筑層面、環境層面和經濟層面3個關鍵方面來評價[1]。

中庭提供了一個陽光照射下的舒適開放空間，增加自然光的利用可以從根本上減少建筑中的能源使用，不僅有助于實現能源的可持續發展，還同時降低了能源成本。建筑師們通常采用大面積的玻璃用于自然光照，但是這種行為在一定程度上會增加室內熱量[2]。

目前大部分學者都是僅針對于中庭的光環境或熱環境進行研究，對二者結合的研究較少。這樣不僅無法實現資源的合理配置，還不能有效地降低能源消耗和提供一個舒適的室內環境[3]。優化中庭的光環境和熱環境，將光熱環境結合分析，一方面可提高人們的舒適度，另一方面改善了能源問題。所以，平衡兩者的關系，對優化中庭環境具有重要意義。

穆迪[4]等人對辦公建筑滬上生態家中庭及其他辦公區域的熱環境進行了現場測試，針對于夏季空調條件下中庭區域垂直溫差達18℃這一結果，提出了在中庭和辦公區域之間加裝玻璃隔斷來改善冷熱不均的現象。余濤[5]等人對成都某辦公具有透明維護結構的中庭建筑自然通風條件下的熱環境進行實測，發現中庭垂直方向具有明顯的溫度分層現象，中庭各層與相鄰的走廊存在空氣流動，從而影響空間熱環境。侯寰宇[6]等人通過對受氣候和能量因素影響的中庭空間要素進行解析，總結冬夏兼顧、光熱聯動和空間要素協同的低能耗整合策略，給中庭空間低能耗設計提供了指導。錫望[7]等人對某大型商業綜合體的夏、冬兩季中庭熱環境進行實測與分析，發現中庭熱環境與空間布局直接相關。

針對于光熱環境，大部分學者是通過模擬軟件對空間光熱能量關系進行分析。董海榮[8]等人采用模型試驗的方法，比較分析不同節能措施下的光熱分布規律和不同中庭幾何關系情況下的采光分布規律，提出從建筑設計的角度，如優化空間序列設計、提升圍護結構熱工性能和增加輔助設備的方式改善中庭熱環境。劉蕾[9]通過對哈爾濱地區為代表的嚴寒地區辦公建筑為例，基于光熱耦合性能模擬，提出嚴寒地區辦公低能耗設計策略，構建嚴寒地區低能耗設計研究的理論框架，為不同地區、不同類型低能耗建筑設計及研究提供了依據。張珂欣[10]等人以夏熱冬冷地區的工業廠房為實例，對典型的自然通風工廠進行了熱舒適與自然光照模擬，得出了工廠的熱舒適性與自然采光率之間的關系，并給出了該工業建筑在滿足室內復雜采光需求下屋頂天窗面積比的推薦值。

目前對于中庭空間光熱能量關系的分析僅是通過模擬軟件的方式進行，本文則以實測的方式將中庭的光熱環境進行結合分析。本文以北京市朝外大街的悠唐購物中心中庭為研究對象，在秋冬季晴陰天對其光熱環境進行測試與分析，通過客觀數據與人們的主觀結合分析其中庭結構對其光熱環境的影響。

1 光熱環境測試

案例示范工程為北京市朝外大街的悠唐購物中心，共4層，其中3層為挑空層。本研究的測試對象為購物中心的中庭，中庭功能區由于樓梯和上層樓板的遮擋，呈不規則形狀，首層中庭區建筑面積為1 790㎡。對各層走廊的相同位置進行溫濕度測量，中庭首層進行照度測量，其測點分布如圖1、圖2所示。

光環境和熱環境測試時間為2022年10月29和10月30當日10：00～17：00，測試日當天天氣晴朗，空氣質量為良，能見度較好。測試采用的設備儀器為照度計、溫度自記儀、卷尺，如表1所示。

光環境測試依據 GB /T 5699-2017《采光測量方法》[11]實施，將首層的中庭功能區按5 m×5 m矩形網格間距均勻布點，照度測試點離地高度0.75 m。在中庭周圍走廊應急燈開啟的情況下進行照度測試。采用4人手持照度計的形式計數，每隔30 min采集一次數據。

熱環境則對中庭走廊溫濕度進行測量，采用青萍空氣檢測儀在各層測點區域進行測試。同一層在中庭有太陽輻射的測點1放置一個青萍空氣檢測儀，在沒有太陽輻射的測點2放置一個青萍空氣檢測儀。

測試日當天，對進入商場中庭的消費者進行光環境隨機問卷調查，問卷通過紙質方式在購物中心首層發放。通過進行調查問卷，進一步了解不同時間段內中庭的光環境的主觀看法。問卷分為兩部分：第一部分是調查人員的基本信息（性別、商場逗留時間）。第二部分是熱環境、光環境滿意度調查。所有問題都有感受的Likert量表，包括：非常滿意、滿意、不滿意、很不滿意。

2 數據處理與分析

2.1 中庭光環境

本文以有效自然光照亮度 Useful Daylight Illuminance（UDI）[12，13]為指標，對室內自然光照的使用進行了研究。在此評估中，100～2000 lux是適宜的照度，在自然光亮度小于100 lux時，不能滿足最低的視覺要求，必須進行人工照明。當自然光照度超過2000 lux時，就會出現視覺不適。本次測試日為晴天，對于照度的統計采用平均照度和照度均勻系數來評價中庭的自然采光。平均照度式（1）計算。

式中：E為測試某時刻的平均照度，單位為lux；En為測試該時刻各測點的照度，單位為lux。

照度均勻系數為各時刻照度的最低值與平均值之比，式（2）計算。

式中：K為各時刻照度均勻系數；Emin為某時刻各測點照度最小值，單位為lux。

首層中庭平均照度和均勻系數隨時間的分布圖如圖3所示，首層中庭平均照度在10：00為1032.98lux，在10：00～12：00呈線性增加，照度值14：00～16：00開始迅速下降，直至17：00平均照度降至最低。照度均勻系數在各個時刻變化的比較均勻，都處于0.5左右。

由圖5可知，測試的首層中庭平均照度均處于100lux以上，在12：00、13：00和14：00時大部分照度甚至突破2000lux，雖有可能帶來視覺不舒適但可滿足一般商場的照度標準。由此可見，購物中心中庭在大部分營業時間內可以充分利用自然光進行照明。

目前，商場為保障消費者的購物體驗感，往往采用中庭走廊全天人工照明的形式，造成大量的資源浪費。晴天首層中庭的照度值在一定時間內可以滿足消費者的需求，因此可以選擇根據照度值自動控制燈具開閉的控制策略。

如圖4所示，將商場照明中可獨立運行區域的照明回路進行單獨控制。按照時間控制燈具啟閉，購物中心需要將照明配電柜回路及樓宇自控的DDC點位進行相應調整，并在商場室內增加光照度傳感器，通過環境照度補償照明時間表關閉時間段的照明開關，使其在室外陰、雨天等特殊情況下可以發揮正常照明作用。

2.2 中庭環境溫濕度

中庭各層溫度分布如圖6所示，在中午14：30左右，第四層和第三層室內溫度最高，數值接近24.25℃；相反，在早上10：45左右，室內的最低氣溫位于第二層，數值接近22℃。各個測點的溫度隨時間的變化具有先升高后降低的趨勢，在14：30左右趨于最大值。如圖7所示，各層外溫度變化隨時間推移走勢接近，數值相差較少。

受到室內空氣溫度上升和下午時刻太陽直射的影響，中庭的溫度隨樓層的升高呈遞增趨勢。造成該中庭上部有明顯溫升的原因，具體有以下2點。

第一，太陽的輻射量是以短波的形式射入室內，而陽光則被室內的物體中吸收，使室內溫度上升，在室溫上升后形成的長波輻射放射能量。因為玻璃能使短波長的輻射透過玻璃，但是長波長的輻射很難通過，使熱在房間里積累，稱為“溫室效應”。此次測試的中庭，頂部是一個巨大的玻璃屋頂，上面未設置遮陽設施。因此大部分的陽光都被吸收到了房間里，不能散發到外面。

第二，由于此商場的中庭比較高，造成較大的溫差。溫度升高，密度降低，在浮升力的作用下空氣向上流動，將熱量集中到中庭的頂端，使得上層的氣溫上升。

同一層相同測點的濕度波動較溫度波動相比較為平穩，整體趨勢具有早上和下午濕度高，中午濕度低的變化規律，且樓層越高變化越明顯。例如中庭最高層第4層早上濕度為45.5%，中午僅為42.25%?？紤]太陽光照影響的因素，越靠近中庭上層，溫度越高，空氣中水份含量越少，人感覺越干燥。各層濕度分布如圖8所示。

2.3 主觀評價

在發放的100份問卷調查中，排除無效問卷后為94份，調查的問卷內容主要為受訪者的年齡性別、在商場的停留時間、所處的位置采光是否充足、所在位置色溫如何、感覺冷還是暖以及所處的商場自然采光是否重要。問卷發放時間分為3個時間段，即10：00～10：30、13：00～13：30和16：00～16：30。由于各時間段的購物中心人流量不同，問卷發放情況有所差異，如表3所示。受訪人群為在購物中心中庭首層逗留的普通購物者。在回收的問卷統計中發現，83.88%的受訪者年齡集中在18～50歲，87.2%的受訪者的商場逗留時間超過0.5 h，已經適應了由于商場內外光環境差異而導致的不舒適。

圖8為購物中心中庭自然采光重要性、滿意度及光感覺的調研情況，“0～5”分別代表“沒必要、不重要、一般、重要、非常重要”“非常不滿意、不滿意、一般、滿意、非常滿意”“非常暗、暗、適中、亮、耀眼”。根據問卷調查結果，大部分受試者認為自然采光重要或非常重要。在消費者滿意程度的角度來看，有17%的受試者對購物中心中庭的光環境表示不滿意，其中94%的不滿意集中在16：00～16：30時間段，主要是因為受試者在此階段感覺光環境較暗。在16：00～16：30時間段內，平均照度為300～488lux，雖高于商場的一般區域的標準照度值（100lux），但是為避免引起消費者的不適，需及時補充人工光源，調整照明運行策略。

3 結束語

中庭是大型商業建筑空間的中心，大量自然光由天窗穿過建筑核心，相較于人工光源，人們對自然光有著強烈的偏好。此次測試發現中庭可以直接利用天然光進行照明，對人們冬天光照的需求和冬季采暖有一定的促進作用。

中庭照明可采用照度控制策略，在購物中心室內、外增加光照度傳感器，通過環境照度補償照明時間表關閉時間段的照明開關，從而達到節能的效果。

此外受到太陽輻射的影響，中庭溫度高于同層其他區域位置，垂直上層溫度高于下層溫度。雖然10：00～17：00的照度值均達到100lux，但根據問卷調查結果仍有17%的受試者對購物中心中庭的光環境表示不滿意，其中94%的不滿意集中在16：00～16：30時間段，主要是因為受試者在此階段感覺光環境較暗。

由目前研究可知，采用光感補償控制策略可有效節約能源，但是具體的照度設定值需要研究者結合消費者的主觀感受進行判定，在自然光照不足的情況下，及時補充人工照明。

參考文獻

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