天窗方位对长春高校教学楼中庭光环境影响的模拟分析

周洪涛，徐阳

（吉林建筑大学建筑与规划学院，长春 130119）

0 引言

随着教育文化事业的不断发展，教育空间越来越丰富。由于中庭内部视觉效果佳、有效组织交通的使用等特点，在公众建筑设计中愈加受到设计师的欢迎，也越来越多的出现于教学建筑中，使用功能上也越来越多元化。但中庭采光也存在着眩光、照度不均匀等问题，文中通过模拟分析，探索天窗方位对中庭光环境的影响，为提高长春地区高校教学建筑中庭光环境设提供一些有益的参考。

1 高校实地调研

据2021 年统计，吉林省长春市共有高校41 所，此次共调研长春41 所高校中的12 所高校共计52 栋教学楼。所调研的教学楼建设年代在1935～2013 年之间，其中设有中庭的教学楼均建设于2000 以后，说明随着时代的发展，技术的不断进步，以及师生对于教学楼建筑的多方面需求，中庭在高校教学楼建筑中的地位不断攀升，成为高校教学楼建筑中一个重要的建筑形式。

调研的52 栋高校教学楼中，层高为3.6m 的教学楼有13 栋，层数为5 层的教学楼有28 栋，占比最高，中庭天窗长宽比分布基本在1:1～1:5 之间。调研中共有5 所学校的8 栋教学楼内存在中庭。中庭的形式及尺寸如表1 所示。

表1 调研长春高校教学楼中庭数据汇总 m

2 模拟过程

2.1 建筑软件的选择及导入

在软件模拟上，选择Ecotect 软件输出到Radiance进行准确的光环境模拟分析，依靠Ecotect 图形界面来控制Radience 进行模拟，免去了命令式的繁琐操作过程。在模型的建立上，选择Sketch up，它使得设计师可以直接在电脑上进行十分直观的构思，是三维建筑设计方案创作的优秀工具。并且Sketch up 可以很好地导入ecotect 进行分析。操作流程如图1 所示。

图1 Ecotect 光环境模拟流程图

建筑的自然采光模拟不仅需要典型中庭建筑的空间模型参数，同时需要选取合理的、符合实际的天空模型，室内空间材质等，才能保证模拟的科学性和可靠性。CSWDEPW（Chinese Standard Weather Data,CSWD）的数据是中国气象信息中心气象资料室与清华大学建筑技术科学系合作开发的《中国建筑热环境分析专用气象数据集》。

2.2 建筑模型设置

调研的7 栋长春高校教学楼中庭天窗尺度如图2、图3（其中1 栋圆形中庭不记录在内），7 栋教学楼有3 栋教学楼中庭东西向长度大于南北向长度，3 栋教学楼中庭南北向长度大于东西向长度。依据调研数据，高校层高为3.6m、层数为5 层的占比最高，且中庭天窗比例大部分在1:1～1:5 之间，因此模拟建筑模型设置为中庭长24m 宽8m，天窗长度宽度为1:3 的中庭，建筑高度为3.6m，建筑环廊宽度为3m 的5 层建筑作为典型建筑模型。

图2 各楼层采光系数对比图

图3 夏至日晴天各楼层水平照度最大值对比图

2.3 参数设置及评价指标

2.3.1 建筑参数的设置

依据调研数据，模拟中庭方位对建筑中庭内部采光的影响，设置东西长24m 南北长8m 的中庭与南北长24m 东西长8m 的平天窗中庭对比。分析夏至日及冬至日8:00、10:00、12:00、14:00、16:00 的采光系数、晴天最大照度值及中间天空照度均匀度三方面在工作面0.1m 交通为主要活动进行评价。建筑室内表面反射比值设置为顶棚及墙面为0.75、地面为0.32、玻璃透射系数为0.62。

2.3.2 评价指标

（1）采光系数，是指室内给定平面上的一点，由直接或间接地接收来自假定和已知亮度分布的天空漫射光而产生的照度与同一时刻该天空半球在室外无遮挡水平面上产生的天空漫射光照度之比。

（2）照度均匀度指规定表面上最小照度与平均照度之比。

（3）最大照度为水平面照度的最大值，由Mardaljevic和Nabil 研究结果表明：“当照度小于100lx时，建筑室内人员很难进行基本的活动，无法满足需求；当照度位于100～2000lx 区间时，天然针对三个区间，当照度小于100lx 时，建筑采光的亮度比、照度分布均满足人体视觉活动水平，能够提供舒适的工作环境，将其视为有效照度区间；当照度大于2000lx，很容易产生眩光等不舒适问题[1]。”

3 模拟结果

3.1 采光系数对比

由图2 可知，在长宽比、层数及层高相同的前提下，南北向较长的中庭内部各层采光效果均要优于东西向较长的中庭。从图2 看出，随着楼层的升高，采光的优势越明显。

3.2 夏至日及冬至日晴天最大照度对比

在夏至日的晴天，太阳照度较高，当水平面照度过高时极易发生眩光现象。但由于地域与太阳角度的关系，南北向较长与东西向较长的两种中庭，在某些时间段的表现会出现差异。在夏季的8:00～16:00 期间，两种形式的中庭，太阳最高照度都达到了40000lx以上，在理论上都极易产生眩光现象。但在1f、2f、3f 的两种中庭的对比来看，南北向较长的中庭在8:00、14:00 以及16:00 三个时间点模拟的数据均有所下降。在1f 的模拟数值中，东西向较长的中庭8:00、14:00、16:00 的水平照度最大值分别为32020、40020lx 以及8120lx，而南北向较长的中庭水平照度的最大值分别为948、1472lx 以及745lx。在2f 的模拟数值中，0.1m水平面上，东西向较长的中庭在8:00 以及16:00 两个时间段的水平照度最大值分别为28000lx 和28050lx，而南北向较长的中庭水平照度最大值为1190lx 和990lx，由图3 可以看出，夏季平天窗采光且不设遮阳设施的前提下，东西向较长的中庭较南北向较长的中庭更易出现眩光现象。

在冬至日的晴天，太阳照度虽然相比于夏至减弱，但眩光问题依然存在。由图4 可知，在冬至日的晴天，南北向较长的中庭在1f、2f 及5f 的水平照度相较于东西向较长的中庭，趋势基本一致。但在3f 处，南北向中庭在12:00 最大的水平照度值为18010lx，易出现眩光现象。在4f 处，东西向中庭在10:00 的时候水平照度最大值为45050lx，极易出现眩光现象。

图4 冬至日晴天各楼层水平照度最大值对比图

3.3 夏至日及冬至日中间天空照度均匀度平均值对比

由图5、图6 可知，夏至日中间天空南北向较长的中庭各层照度均匀度平均值要好于东西向较长的中庭。冬至日中间天空照度均匀度各层平均值东西向较长的中庭要好于南北向较长的中庭。

图5 夏至日中间天空各楼层照度均匀度平均值对比图

图6 冬至日中间天空各楼层照度均匀度各层平均值对比图

4 结语

（1）通过对采光系数的模拟，在中庭长宽比、层数及高度不变的前提下，南北向较长中庭的采光系数高于东西向较长的中庭，所以南北向较长的中庭采光效果要好于东西向较长的中庭。

（2）通过对晴天最大照度的模拟，在中庭长宽比、层数及高度不变的前提下，南北向较长的中庭相较于东西向较长的中庭，在夏至日某些时刻的最大照度有所降低，眩光有所改善，冬至日并无明显区别。

（3）通过对中间天空照度均匀度的模拟，在中庭长宽比、层数及高度不变的前提下，夏至日南北向较长的中庭的照度均匀度要好于东西向较长的中庭，冬至日东西向较长的中庭的照度均匀度要好于南北向较长的中庭。

（4）从建筑采光系数、晴天最大照度以及中间天空照度均匀度平均值三方面分析可知，南北向较长的中庭采光效果好于东西向较长的中庭，在进行长春高校建筑设计时，优先设置南北向较长的中庭。

（5）夏季晴天，长春高校教学建筑中庭空间易产生眩光，同样面积的中庭空间，南北向较长时，在10～14 时宜采用遮阳实施，如设计成东西向长时，全天均应采用遮阳设施。