浅谈玻璃幕墙设计中的中厅采光方式

　　使用日光的传统方法是在建筑物的四周或屋顶开孔。近年来流行使用中厅，也就是在内部庭院使用玻璃，这种形式特别是在办公或商业建筑中使用较多。如果没有其他相关因素，那么在这种常规条件下的照明效果是可以知道的并且相对较容易预测。图1示出了一个典型的中庭截面以及在相邻层的照明分布。

　　不同楼层的平均日照水平和带中庭的建筑截面

　　采用合适的中庭，能有效地解决多层大体积建筑的天然采光，从而节省照明能耗，给人创造一个舒适的室内空间环境。屋顶采光运用最多的就是中庭的创造。中庭最大的贡献在于提供优良的光线和射人到平面进深最远处的可能性，允许进深较大的建筑能够天然采光。中庭利用太阳光有两种形式，一种是阳光要能通过顶部的玻璃直射照射到中庭的底层，如果要达到这样的效果，则中庭本身的比例要适合，也就是说中庭应该宽一些，当然，具体的长宽比例得根据太阳高度角、方位角、建筑中庭功能、玻璃顶部形式等来确定。另外，中庭上部的玻璃构造装置要能充分吸收太阳光，比如可以做成突出屋面的三角形、圆形等，著名的例子有福斯特的柏林大厦穹顶(图2)。柏林国会大厦改建后的议会大厅，主要依靠自然采光，通过透明的穹顶和特殊设计的倒锥体的反射将水平光线漫射到下面的议会大厅，议会大厅两侧的天井也可补充部分自然光线，基本上可以保证大厅内部的照明。为了避免眩光和防止辐射，玻璃穹顶内还有一个可以随日照方向自由调节的遮阳板，并且在锥体的上面有太阳追踪装置，它可以在提供充分的、柔和的自然光照明的同时防止太阳辐射热增加室内的热负荷。在冬季和夏季的早晨和傍晚，太阳的高度角比较低，遮阳系统可以移动到适当位置，使得太阳光线射入室内。在夜间，室内的照明使得穹顶和主体充分反射到室外，营造出光明灿烂的夜景。

　　中庭的采光除了考虑直射光外，再就是利用光线在中庭内部界面反射形成的第二或第三次漫反射来达到照明效果。不过，需要注意的是不同反射性能的墙，其效果有很大的差异，对于靠中庭采光的各层空间，对面的反射墙就是它的“天空”，若该墙从顶到底的玻是完全敞开的，则只有很少一部分光线会在它面上反射而传人下面各层，从理论上说，如果该墙没有完全敞开，却有一强反射面对着墙，那么光线通过它们反射的损失会少，光线可以按所需量进人每一层楼，而其余的向下传递，直到底层都会有比较充足的天然光。由此我们可以得出一个结论：每一层的排列位置应该不同，顶层布置少量的窗，增加反射界面，往下逐渐增加玻璃窗，减少反射界面，直到最后全部开玻璃窗。另外，遮阳装置对于中庭的采光也是有很大影响的，不同的遮阳装置可以达到不同的空间效果，遮阳装置有固定的，也有活动的。

　　需要指出的是，屋顶遮阳装置应该结合采光及导光系统来一起设计，使其既能遮阳，又不影响采光。

　　1.中庭分类

　　①组合的中庭：在这种组合中，玻璃房不隔开，而是至少与建筑屋的实体部分有一个公共面。因此，与纯玻璃房相比，它通常有更多的蓄热能力。

　　②核心中庭：在这个典型的布置中，玻璃屋顶仅为外轮廓的一部分。在很大程度上，室内温度由包围中庭的墙体确定，而这些墙体将周围空间与核心中庭隔开。

　　③线性中庭：这种形式(图4)联系两排平行的房屋。端部由玻璃山墙组成。正常情况下，它产生温和的气候。对纯循环区，不需要额外加热。

　　④嵌入式中庭：在这种情况下，对核心中庭，其一片墙同时也是整个结构的外墙。

　　2.中庭功能

　　①能量作用：经过适当的规划，温室不仅不需要HVAV工厂来维持所需要的状况，相反，他们还能实现HVAC的功能。”

　　②加热：假定玻璃房的温度没有加热到室温(20～220C)，它起热缓冲器的作用，以便获取被动日光艇，并通过通风将其传到相邻的房间。因此，玻璃窗应尽可能设计成竖直、朝南的立面。玻璃窗越好，其缓冲功能就越强。通过以下办法可以节约加热能量：

　　a,日光预热相邻房间所需要的新鲜空气。

　　b,限制相邻房间的传递热损失。

　　③制冷:中庭能加速由于温差引起的对流。在夏季，利用这种方式可以疏散不需要的g光能。特别是在夜晚当中庭空气温度比外部空气温度高时，利用空气温度分层及适当安排开孔会产生较高的空气交换率(50～80/h)。

　　通过中庭开孔来冷却建筑物，使得在夜晚不用关宙也不用担心遭遇讨厌的入侵者进入。

　　④通风:可以利用中庭来分布新鲜空气或收集废气(图6)。敞开的、流动的水域可作自然空气的湿润器。在极限情况下，可用水蒸气降温.

　　⑤通光：中庭可为相邻房间提供光线(图7)。中庭的热缓冲器作用使得采用更大的窗户也不致引起热能耗的显著增加。通过这种方式，与立面相比，中庭能将更多光线引入到敞开的庭院中心。相邻房间光线的规定主要取决于以下参数：中庭的形状;几何高/宽比;表面颜色;分隔墙的窗户比例;中庭及分隔墙内玻璃的质量，能量考虑。

　　⑥热能消耗;每个中庭都可被看作相邻房间的热缓冲器，因为在各种情况下相邻房间的能耗降低了。如果中庭自身没有被加热，实际上它是要获取能量的。然而，全面使用室沮为20～22℃的中庭实际上是浪费能量的，因为透明的屋顶比绝缘的、不透明的屋顶提供的绝热量少。图9绘出了建筑物实体核心的热损失和玻璃中庭获取能量的相互关系。

　　可以看到有三种情况：①中庭和主体结构都不能利用中庭获取的能量的时间段;②主体结构可以利用中庭提供的热量的时间段(中庭作为热源);③为了保持所需要的室内气候，中庭需要加热的时间段(中庭作为热消耗器)。

　　中庭供热时间的长短以及其最终是净供应者还是净消费者取决于许多因素，例如：中庭类型、玻璃类型、隔热标准、外部气候条件、通风概念、热能力、室内需要的气候。

　　3.关键影响参数

　　①中庭类型：与主体结构联系越强，缓冲效果越好，因此节能潜力越大。核心式、嵌入式、线性中庭适用于这种情况。斜屋面玻璃防，由于和主体结构的热联系有限，最好使用日光方式来预热供应的空气。

　　②玻璃的类型与绝热;许多不加热中庭只有单层玻璃窗。然而，只要保持不受热，它们就是能量源。限制使用是很重要的因为曾有最初不加热的中庭为了解决空间不足而转变为其他用途的情况发生。这种高功能的变化需要将该区域加热到20℃——意味这巨大的能量消耗。因此，当中庭温度大于15℃时，比较明智的办法是使用绝缘玻璃作为外层。

　　③通风概念：中庭经常是建筑物通风中的一个重要构件。以下是几种标准的通风类型：中庭和主体结构的公共机械通风;仅仅通过窗户通风;不和中庭共同通风;作为收集废气的中庭;中庭作为供应气分布器，从废气中回收上游的热量;中庭分布供应气并收集废气;日光预热供气等。

　　④中庭内部温度：如果需要10℃以上的温度，期望达到的室内气候对能量的消耗量起关键作用。即使对于低辐射玻璃，当需要的温度超过15℃时，能源消耗量显著上升。

　　⑤制冷：据证实，从整体上看，只有在温带地区朝北的玻璃中庭可以不需要空调制冷。一旦遇到海洋气候，玻璃中庭能产生可观的制冷荷载。在美国对制冷能量的需要远远超过了对加热能量的需要。因此，绝大多数美国玻璃中庭被称为“能源吞噬者”。

　　在温带气候区玻璃中庭能被用来制冷建筑物，乍一听来有些荒谬。每一个中庭内在的制冷问题可以用以下方式来缓解：

　　由于空气温度的自然分层，不需要安装机械中庭就能很容易地通风。保证自然通风是限制中庭过热的最重要的措施。正确布置楼面附近的供气孔以及屋顶附近的排气孔，能保证在中庭内每小时3～5次换气。为了有足够的制冷，玻璃房的开孔至少应达楼层面积的5%。

　　另外一个重要的措施就是提供遮阳窗帘。不论在什么情况下，它应可移动以便维持在没有制冷问题的季节光和热的开放通道。在中庭内，通常造价决定了内部遮阳的使用。

　　如通过对N大学，瑞典的中庭的测量所证实(图10)，内部遮阳引起屋面附近的温度增加，相对较高的温度通常汇集在顶层。因此，在有内部遮阳时，有必要提高屋顶，以便自然排除获取的日光能。

　　当主体结构上屋顶突起、供气通道设计正确时，中庭能通过相对冷的外部空气加强建筑通风。

　　⑥日光：在中间敞开的院子或中庭上加屋顶会降低房屋采光。通常假定照明减少量为20%(假设使用透明而不是日光控制玻璃)。另一方面，中庭的缓冲作用使得内墙上玻璃面积增加，因此使得更多的光线进入主体结构内部。内墙颜色很重要：当窗户面积占50%时，中庭用白色的墙体比黑色墙体的采光要提高30%。

　　4.与采光相关的其他问题——照明和需要的建筑能量

　　在大多数办公或商业建筑中，照明所需能量占所消耗总能量的相当大的部分。此外，照明能量和用来加热/制冷的热能之间有密切的相关关系。

　　建筑物所需总能量的定量关系。原点是全密封情况。起初，随着窗户面积的增加，电耗量降低，这是因为用来照明的电量减少。在冬季加热情况下，意味着需要的热量增加。因为照明灯数量少产生的热量少(图12)。一般说来，开窗面积增加，建筑物外层平均U值增大，因此会损失更多的热量。

　　可以看出，在加热情况下，当确定日光能否节能时，窗户面积的热质量起至关重要的作用。在夏季情况刚好相反(图13)：照明需要的耗电量降低意味着制冷需要也降低。当进一步增大窗户面积对增加照明水平不起任何作用时，所需的总能量大大降低。从该点开始，随着入射辐射增加，制冷负荷也需要增加。在夏季，照明效率高的玻璃窗是有利的。可以明显看出日光对能量平衡有负面影响。在极端气候区，规划日光是最为直接的办法。因为无论是在加热还是在制冷的情况下，它都起控制作用。另一方面，在有些地区必须对这两种情况同时考虑。要做到优化比较困难，因为照明的同时还要防止产生眩光以及考虑遮阳的配套等。【完】