淺談玻璃幕墻設計中的中廳采光方式

　　使用日光的傳統方法是在建筑物的四周或屋頂開孔。近年來流行使用中廳，也就是在內部庭院使用玻璃，這種形式特別是在辦公或商業建筑中使用較多。如果沒有其他相關因素，那么在這種常規條件下的照明效果是可以知道的并且相對較容易預測。圖1示出了一個典型的中庭截面以及在相鄰層的照明分布。

　　不同樓層的平均日照水平和帶中庭的建筑截面

　　采用合適的中庭，能有效地解決多層大體積建筑的天然采光，從而節省照明能耗，給人創造一個舒適的室內空間環境。屋頂采光運用最多的就是中庭的創造。中庭最大的貢獻在于提供優良的光線和射人到平面進深最遠處的可能性，允許進深較大的建筑能夠天然采光。中庭利用太陽光有兩種形式，一種是陽光要能通過頂部的玻璃直射照射到中庭的底層，如果要達到這樣的效果，則中庭本身的比例要適合，也就是說中庭應該寬一些，當然，具體的長寬比例得根據太陽高度角、方位角、建筑中庭功能、玻璃頂部形式等來確定。另外，中庭上部的玻璃構造裝置要能充分吸收太陽光，比如可以做成突出屋面的三角形、圓形等，著名的例子有福斯特的柏林大廈穹頂(圖2)。柏林國會大廈改建后的議會大廳，主要依靠自然采光，通過透明的穹頂和特殊設計的倒錐體的反射將水平光線漫射到下面的議會大廳，議會大廳兩側的天井也可補充部分自然光線，基本上可以保證大廳內部的照明。為了避免眩光和防止輻射，玻璃穹頂內還有一個可以隨日照方向自由調節的遮陽板，并且在錐體的上面有太陽追蹤裝置，它可以在提供充分的、柔和的自然光照明的同時防止太陽輻射熱增加室內的熱負荷。在冬季和夏季的早晨和傍晚，太陽的高度角比較低，遮陽系統可以移動到適當位置，使得太陽光線射入室內。在夜間，室內的照明使得穹頂和主體充分反射到室外，營造出光明燦爛的夜景。

　　中庭的采光除了考慮直射光外，再就是利用光線在中庭內部界面反射形成的第二或第三次漫反射來達到照明效果。不過，需要注意的是不同反射性能的墻，其效果有很大的差異，對于靠中庭采光的各層空間，對面的反射墻就是它的“天空”，若該墻從頂到底的玻是完全敞開的，則只有很少一部分光線會在它面上反射而傳人下面各層，從理論上說，如果該墻沒有完全敞開，卻有一強反射面對著墻，那么光線通過它們反射的損失會少，光線可以按所需量進人每一層樓，而其余的向下傳遞，直到底層都會有比較充足的天然光。由此我們可以得出一個結論：每一層的排列位置應該不同，頂層布置少量的窗，增加反射界面，往下逐漸增加玻璃窗，減少反射界面，直到最后全部開玻璃窗。另外，遮陽裝置對于中庭的采光也是有很大影響的，不同的遮陽裝置可以達到不同的空間效果，遮陽裝置有固定的，也有活動的。

　　需要指出的是，屋頂遮陽裝置應該結合采光及導光系統來一起設計，使其既能遮陽，又不影響采光。

　　1.中庭分類

　　①組合的中庭：在這種組合中，玻璃房不隔開，而是至少與建筑屋的實體部分有一個公共面。因此，與純玻璃房相比，它通常有更多的蓄熱能力。

　　②核心中庭：在這個典型的布置中，玻璃屋頂僅為外輪廓的一部分。在很大程度上，室內溫度由包圍中庭的墻體確定，而這些墻體將周圍空間與核心中庭隔開。

　　③線性中庭：這種形式(圖4)聯系兩排平行的房屋。端部由玻璃山墻組成。正常情況下，它產生溫和的氣候。對純循環區，不需要額外加熱。

　　④嵌入式中庭：在這種情況下，對核心中庭，其一片墻同時也是整個結構的外墻。

　　2.中庭功能

　　①能量作用：經過適當的規劃，溫室不僅不需要HVAV工廠來維持所需要的狀況，相反，他們還能實現HVAC的功能。”

　　②加熱：假定玻璃房的溫度沒有加熱到室溫(20～220C)，它起熱緩沖器的作用，以便獲取被動日光艇，并通過通風將其傳到相鄰的房間。因此，玻璃窗應盡可能設計成豎直、朝南的立面。玻璃窗越好，其緩沖功能就越強。通過以下辦法可以節約加熱能量：

　　a,日光預熱相鄰房間所需要的新鮮空氣。

　　b,限制相鄰房間的傳遞熱損失。

　　③制冷:中庭能加速由于溫差引起的對流。在夏季，利用這種方式可以疏散不需要的g光能。特別是在夜晚當中庭空氣溫度比外部空氣溫度高時，利用空氣溫度分層及適當安排開孔會產生較高的空氣交換率(50～80/h)。

　　通過中庭開孔來冷卻建筑物，使得在夜晚不用關宙也不用擔心遭遇討厭的入侵者進入。

　　④通風:可以利用中庭來分布新鮮空氣或收集廢氣(圖6)。敞開的、流動的水域可作自然空氣的濕潤器。在極限情況下，可用水蒸氣降溫.

　　⑤通光：中庭可為相鄰房間提供光線(圖7)。中庭的熱緩沖器作用使得采用更大的窗戶也不致引起熱能耗的顯著增加。通過這種方式，與立面相比，中庭能將更多光線引入到敞開的庭院中心。相鄰房間光線的規定主要取決于以下參數：中庭的形狀;幾何高/寬比;表面顏色;分隔墻的窗戶比例;中庭及分隔墻內玻璃的質量，能量考慮。

　　⑥熱能消耗;每個中庭都可被看作相鄰房間的熱緩沖器，因為在各種情況下相鄰房間的能耗降低了。如果中庭自身沒有被加熱，實際上它是要獲取能量的。然而，全面使用室沮為20～22℃的中庭實際上是浪費能量的，因為透明的屋頂比絕緣的、不透明的屋頂提供的絕熱量少。圖9繪出了建筑物實體核心的熱損失和玻璃中庭獲取能量的相互關系。

　　可以看到有三種情況：①中庭和主體結構都不能利用中庭獲取的能量的時間段;②主體結構可以利用中庭提供的熱量的時間段(中庭作為熱源);③為了保持所需要的室內氣候，中庭需要加熱的時間段(中庭作為熱消耗器)。

　　中庭供熱時間的長短以及其最終是凈供應者還是凈消費者取決于許多因素，例如：中庭類型、玻璃類型、隔熱標準、外部氣候條件、通風概念、熱能力、室內需要的氣候。

　　3.關鍵影響參數

　　①中庭類型：與主體結構聯系越強，緩沖效果越好，因此節能潛力越大。核心式、嵌入式、線性中庭適用于這種情況。斜屋面玻璃防，由于和主體結構的熱聯系有限，最好使用日光方式來預熱供應的空氣。

　　②玻璃的類型與絕熱;許多不加熱中庭只有單層玻璃窗。然而，只要保持不受熱，它們就是能量源。限制使用是很重要的因為曾有最初不加熱的中庭為了解決空間不足而轉變為其他用途的情況發生。這種高功能的變化需要將該區域加熱到20℃——意味這巨大的能量消耗。因此，當中庭溫度大于15℃時，比較明智的辦法是使用絕緣玻璃作為外層。

　　③通風概念：中庭經常是建筑物通風中的一個重要構件。以下是幾種標準的通風類型：中庭和主體結構的公共機械通風;僅僅通過窗戶通風;不和中庭共同通風;作為收集廢氣的中庭;中庭作為供應氣分布器，從廢氣中回收上游的熱量;中庭分布供應氣并收集廢氣;日光預熱供氣等。

　　④中庭內部溫度：如果需要10℃以上的溫度，期望達到的室內氣候對能量的消耗量起關鍵作用。即使對于低輻射玻璃，當需要的溫度超過15℃時，能源消耗量顯著上升。

　　⑤制冷：據證實，從整體上看，只有在溫帶地區朝北的玻璃中庭可以不需要空調制冷。一旦遇到海洋氣候，玻璃中庭能產生可觀的制冷荷載。在美國對制冷能量的需要遠遠超過了對加熱能量的需要。因此，絕大多數美國玻璃中庭被稱為“能源吞噬者”。

　　在溫帶氣候區玻璃中庭能被用來制冷建筑物，乍一聽來有些荒謬。每一個中庭內在的制冷問題可以用以下方式來緩解：

　　由于空氣溫度的自然分層，不需要安裝機械中庭就能很容易地通風。保證自然通風是限制中庭過熱的最重要的措施。正確布置樓面附近的供氣孔以及屋頂附近的排氣孔，能保證在中庭內每小時3～5次換氣。為了有足夠的制冷，玻璃房的開孔至少應達樓層面積的5%。

　　另外一個重要的措施就是提供遮陽窗簾。不論在什么情況下，它應可移動以便維持在沒有制冷問題的季節光和熱的開放通道。在中庭內，通常造價決定了內部遮陽的使用。

　　如通過對N大學，瑞典的中庭的測量所證實(圖10)，內部遮陽引起屋面附近的溫度增加，相對較高的溫度通常匯集在頂層。因此，在有內部遮陽時，有必要提高屋頂，以便自然排除獲取的日光能。

　　當主體結構上屋頂突起、供氣通道設計正確時，中庭能通過相對冷的外部空氣加強建筑通風。

　　⑥日光：在中間敞開的院子或中庭上加屋頂會降低房屋采光。通常假定照明減少量為20%(假設使用透明而不是日光控制玻璃)。另一方面，中庭的緩沖作用使得內墻上玻璃面積增加，因此使得更多的光線進入主體結構內部。內墻顏色很重要：當窗戶面積占50%時，中庭用白色的墻體比黑色墻體的采光要提高30%。

　　4.與采光相關的其他問題——照明和需要的建筑能量

　　在大多數辦公或商業建筑中，照明所需能量占所消耗總能量的相當大的部分。此外，照明能量和用來加熱/制冷的熱能之間有密切的相關關系。

　　建筑物所需總能量的定量關系。原點是全密封情況。起初，隨著窗戶面積的增加，電耗量降低，這是因為用來照明的電量減少。在冬季加熱情況下，意味著需要的熱量增加。因為照明燈數量少產生的熱量少(圖12)。一般說來，開窗面積增加，建筑物外層平均U值增大，因此會損失更多的熱量。

　　可以看出，在加熱情況下，當確定日光能否節能時，窗戶面積的熱質量起至關重要的作用。在夏季情況剛好相反(圖13)：照明需要的耗電量降低意味著制冷需要也降低。當進一步增大窗戶面積對增加照明水平不起任何作用時，所需的總能量大大降低。從該點開始，隨著入射輻射增加，制冷負荷也需要增加。在夏季，照明效率高的玻璃窗是有利的。可以明顯看出日光對能量平衡有負面影響。在極端氣候區，規劃日光是最為直接的辦法。因為無論是在加熱還是在制冷的情況下，它都起控制作用。另一方面，在有些地區必須對這兩種情況同時考慮。要做到優化比較困難，因為照明的同時還要防止產生眩光以及考慮遮陽的配套等。【完】