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Intelligent Building and Construction Machinery智能建筑与工程机械2023年 8月Aug 2023第5卷 第8期Vol.5 No.80引言近年来，大型建筑通常引入“中庭”的设计概念。由于其迷人的外观和广阔的视野，中庭在全国各地普遍存在并且越来越受欢迎，并广泛地应用于公共建筑。中庭建筑可从建筑层面、环境层面和经济层面 3 个关键方面来评价1。中庭提供了一个阳光照射下的舒适开放空间，增加自然光的利用可以从根本上减少建筑中的能源使用，不仅有助于实现能源的可持续发展，还同时降低了能源成本。建筑师们通常采用大面积的玻璃用于自然光照，但是这种行为在一定程度上会增加室内热量2。目前大部分学者都是仅针对于中庭的光环境或热环境进行研究，对二者结合的研究较少。这样不仅无法实现资源的合理配置，还不能有效地降低能源消耗和提供一个舒适的室内环境3。优化中庭的光环境和热环境，将光热环境结合分析，一方面可提高人们的舒适度，另一方面改善了能源问题。所以，平衡两者的关系，对优化中庭环境具有重要意义。穆迪4等人对办公建筑沪上生态家中庭及其他办公区域的热环境进行了现场测试，针对于夏季空调条件收稿日期：2023-05-23作者简介：李秋颖（1974），女，蒙古族，研究方向：在建筑运行碳体检领域、建筑楼宇环境质量管理、空间能效管理、新能源利用等领域进行研究和应用。北京悠唐购物中心中庭秋冬季光热环境的测试与分析李秋颖1，杨利超1，马 超2，孙天梅3，韩 迪2，高思佳2（1.北京旭曜建筑科技有限公司，北京 100080；2.北京工业大学，北京 100124；3.马来亚大学机械工程学院，吉隆坡 50603）摘 要：中庭作为一种与室外紧密联系的室内中心空间，是室内环境和室外环境进行热传递的媒介，起到过渡的作用。中庭在有效利用自然光源的同时，可改变建筑热环境，实现高舒适和低能耗的中庭空间具有重要意义。大部分购物中心为保障消费者的需求，采用全天开灯的形式，从而造成能源浪费。结合问卷调查、温度和照度分析北京市朝外大街悠唐购物中心的中庭区域。研究表明，中庭可在不影响消费者需求的情况下直接利用天然光进行照明，通过环境照度补偿照明时间表关闭时间段的照明开关。中庭受到太阳辐射的影响，出现“近热远冷”和“上热下冷”现象。通过问卷分析，大部分受试者对自然采光有较为强烈的偏好，在 16：00 16：30 时间段内，中庭平均照度虽高于标准照度值，但人们的主观感受较暗。从目前研究可知，采用光感补偿控制策略可达到节能的目的，但要根据消费者的主观感觉确定照度设定值。关键词：中庭；光环境；热环境；秋冬季中图分类号：TU247文献标识码：A文章编号：2096-6903(2023)08-0121-05下中庭区域垂直温差达 18这一结果，提出了在中庭和办公区域之间加装玻璃隔断来改善冷热不均的现象。余涛5等人对成都某办公具有透明维护结构的中庭建筑自然通风条件下的热环境进行实测，发现中庭垂直方向具有明显的温度分层现象，中庭各层与相邻的走廊存在空气流动，从而影响空间热环境。侯寰宇6等人通过对受气候和能量因素影响的中庭空间要素进行解析，总结冬夏兼顾、光热联动和空间要素协同的低能耗整合策略，给中庭空间低能耗设计提供了指导。锡望7等人对某大型商业综合体的夏、冬两季中庭热环境进行实测与分析，发现中庭热环境与空间布局直接相关。针对于光热环境，大部分学者是通过模拟软件对空间光热能量关系进行分析。董海荣8等人采用模型试验的方法，比较分析不同节能措施下的光热分布规律和不同中庭几何关系情况下的采光分布规律，提出从建筑设计的角度，如优化空间序列设计、提升围护结构热工性能和增加辅助设备的方式改善中庭热环境。刘蕾9通过对哈尔滨地区为代表的严寒地区办公建筑为例，基于光热耦合性能模拟，提出严寒地区办公低能耗设计策略，构建严寒地区低能耗设计研究的理论框架，为不同地区、不同类型低能耗建筑设计及研究提供了依据。张珂欣10等人以夏热冬冷地区的工业厂房为实例，对典型的自然通风工厂进行了热舒适与自然光照模拟，得出了工厂的热舒适性与自然采光率之间的关系，并给出了综合论坛智能建筑与工程机械 122 第5卷该工业建筑在满足室内复杂采光需求下屋顶天窗面积比的推荐值。目前对于中庭空间光热能量关系的分析仅是通过模拟软件的方式进行，本文则以实测的方式将中庭的光热环境进行结合分析。本文以北京市朝外大街的悠唐购物中心中庭为研究对象，在秋冬季晴阴天对其光热环境进行测试与分析，通过客观数据与人们的主观结合分析其中庭结构对其光热环境的影响。1光热环境测试案例示范工程为北京市朝外大街的悠唐购物中心，共 4 层，其中 3 层为挑空层。本研究的测试对象为购物中心的中庭，中庭功能区由于楼梯和上层楼板的遮挡，呈不规则形状，首层中庭区建筑面积为 1 790。对各层走廊的相同位置进行温湿度测量，中庭首层进行照度测量，其测点分布如图 1、图 2 所示。光环境和热环境测试时间为 2022 年 10 月 29 和10 月 30 当日 10：00 17：00，测试日当天天气晴朗，空气质量为良，能见度较好。测试采用的设备仪器为照度计、温度自记仪、卷尺，如表 1 所示。光环境测试依据 GB/T 5699-2017采光测量方法11实施，将首层的中庭功能区按 5 m5 m 矩形网格间距均匀布点，照度测试点离地高度 0.75 m。在中庭周围走廊应急灯开启的情况下进行照度测试。采用 4人手持照度计的形式计数，每隔 30 min 采集一次数据。热环境则对中庭走廊温湿度进行测量，采用青萍空气检测仪在各层测点区域进行测试。同一层在中庭有太阳辐射的测点 1 放置一个青萍空气检测仪，在没有太阳辐射的测点 2 放置一个青萍空气检测仪。测试日当天，对进入商场中庭的消费者进行光环境随机问卷调查，问卷通过纸质方式在购物中心首层发放。通过进行调查问卷，进一步了解不同时间段内中庭的光环境的主观看法。问卷分为两部分：第一部分是调测试仪器图片型号量程精度照度计TES-1300A020000lux1%青萍空气检测仪CGS1-10500.8表 1 测试用仪器图 1 热环境测点分布图图 2 首层光环境测点布置图查人员的基本信息（性别、商场逗留时间）。第二部分是热环境、光环境满意度调查。所有问题都有感受的Likert 量表，包括：非常满意、满意、不满意、很不满意。2数据处理与分析2.1 中庭光环境本 文 以 有 效 自 然 光 照 亮 度 Useful Daylight Illuminance（UDI）12,13为指标，对室内自然光照的使用进行了研究。在此评估中，100 2000 lux 是适2023年 第8期 123 图 3 首层照度平均值随时间分布图 4 光感补偿控制策略流程图图 5 区域照度分布图宜的照度，在自然光亮度小于 100 lux 时，不能满足最低的视觉要求，必须进行人工照明。当自然光照度超过2000 lux 时，就会出现视觉不适。本次测试日为晴天，对于照度的统计采用平均照度和照度均匀系数来评价中庭的自然采光。平均照度式（1）计算。（1）式中：E 为测试某时刻的平均照度，单位为 lux；En为测试该时刻各测点的照度，单位为 lux。照度均匀系数为各时刻照度的最低值与平均值之比，式（2）计算。（2）式中：K 为各时刻照度均匀系数；Emin为某时刻各测点照度最小值，单位为 lux。首层中庭平均照度和均匀系数随时间的分布图如图3 所示，首层中庭平均照度在 10:00 为 1032.98lux，在10:00 12:00 呈线性增加，照度值 14:00 16:00 开始迅速下降，直至 17:00 平均照度降至最低。照度均匀系数在各个时刻变化的比较均匀，都处于 0.5 左右。由图 5 可知，测试的首层中庭平均照度均处于100lux 以上，在 12:00、13：00 和 14:00 时大部分照度甚至突破 2000lux，虽有可能带来视觉不舒适但可满足一般商场的照度标准。由此可见，购物中心中庭在大部分营业时间内可以充分利用自然光进行照明。目前，商场为保障消费者的购物体验感，往往采用中庭走廊全天人工照明的形式，造成大量的资源浪费。晴天首层中庭的照度值在一定时间内可以满足消费者的需求，因此可以选择根据照度值自动控制灯具开闭的控制策略。如图 4 所示，将商场照明中可独立运行区域的照明回路进行单独控制。按照时间控制灯具启闭，购物中心需要将照明配电柜回路及楼宇自控的 DDC 点位进行相应调整，并在商场室内增加光照度传感器，通过环境照度补偿照明时间表关闭时间段的照明开关，使其在室外阴、雨天等特殊情况下可以发挥正常照明作用。2.2 中庭环境温湿度中庭各层温度分布如图 6 所示，在中午 14:30 左右，第四层和第三层室内温度最高，数值接近 24.25；相反，在早上 10:45 左右，室内的最低气温位于第二层，数值接近 22。各个测点的温度随时间的变化具有先升高后降低的趋势，在 14:30 左右趋于最大值。如图 7 所示，各层外温度变化随时间推移走势接近，数值相差较少。受到室内空气温度上升和下午时刻太阳直射的影响，中庭的温度随楼层的升高呈递增趋势。造成该中庭上部有明显温升的原因，具体有以下 2 点。第一，太阳的辐射量是以短波的形式射入室内，而阳光则被室内的物体中吸收，使室内温度上升，在室温上升后形成的长波辐射放射能量。因为玻璃能使短波长李秋颖，杨利超，马 超，等：北京悠唐购物中心中庭秋冬季光热环境的测试与分析智能建筑与工程机械 124 第5卷的辐射透过玻璃，但是长波长的辐射很难通过，使热在房间里积累，称为“温室效应”。此次测试的中庭，顶部是一个巨大的玻璃屋顶，上面未设置遮阳设施。因此大部分的阳光都被吸收到了房间里，不能散发到外面。第二，由于此商场的中庭比较高，造成较大的温差。温度升高，密度降低，在浮升力的作用下空气向上流动，将热量集中到中庭的顶端，使得上层的气温上升。同一层相同测点的湿度波动较温度波动相比较为平稳，整体趋势具有早上和下午湿度高，中午湿度低的变化规律，且楼层越高变化越明显。例如中庭最高层第 4层早上湿度为 45.5%，中午仅为 42.25%。考虑太阳光照影响的因素，越靠近中庭上层，温度越高，空气中水份含量越少，人感觉越干燥。各层湿度分布如图 8 所示。2.3 主观评价在发放的 100 份问卷调查中，排除无效问卷后为94 份，调查的问卷内容主要为受访者的年龄性别、在商场的停留时间、所处的位置采光是否充足、所在位置色温如何、感觉冷还是暖以及所处的商场自然采光是否重要。问卷发放时间分为 3 个时间段，即 10：00 10：30、13：00 13：30 和 16：00 16：30。由于各时间段的购物中心人流量不同，问卷发放情况有所差异，如表 3 所示。受访人群为在购物中心中庭首层逗留的普通购物者。在回收的问卷统计中发现，83.88%的受访者年龄集中在 18 50 岁，87.2%的受访者的商场逗留时间超过 0.5 h，已经适应了由于商场内外光环境差异而导致的不舒适。图 8 为购物中心中庭自然采光重要性、满意度及光感觉的调研情况，“0 5”分别代表“没必要、不重要、一般、重要、非常重要”“非常不满意、不满意、一般、满意、非常满意”“非常暗、暗、适中、亮、耀眼”。根据问卷调查结果，大部分受试者认为自然采光重要或非常重要。在消费者满意程度的角度来看，有 17%的受试者对购物中心中庭的光环境表示不满意，其中 94%的不满意集中在 16：00 16：30 时间段，主要是因为受试者在此阶段感觉光环境较暗。在 16：00 16：30 时间段内，平均照度为 300 488lux，虽高于商场的一般区域的标准照度值（100lux），但是为避免引起消费者图 6 各层温度分布 图 7 各层外温度分布表 2 问卷基本情况统计图 8 各层湿度分布位置时间样本量年龄性别商场逗留时间50男女多于 0.5h少于 0.5h中庭10：0010：30341294201472713：0013：30252212151042116：0016：303503321817134总计943838534112822023年 第8期 125 图 8 光环境问卷调查分析图的不适，需及时补充人工光源，调整照明运行策略。3结束语中庭是大型商业建筑空间的中心，大量自然光由天窗穿过建筑核心，相较于人工光源，人们对自然光有着强烈的偏好。此次测试发现中庭可以直接利用天然光进行照明，对人们冬天光照的需求和冬季采暖有一定的促进作用。中庭照明可采用照度控制策略，在购物中心室内、外增加光照度传感器，通过环境照度补偿照明时间表关闭时间段的照明开关，从而达到节能的效果。此外受到太阳辐射的影响，中庭温度高于同层其他区域位置，垂直上层温度高于下层温度。虽然10：0017：00的照度值均达到 100lux，但根据问卷调查结果仍有 17%的受试者对购物中心中庭的光环境表示不满意，其中94%的不满意集中在 16：00 16：30 时间段，主要是因为受试者在此阶段感觉光环境较暗。由目前研究可知，采用光感补偿控制策略可有效节约能源，但是具体的照度设定值需要研究者结合消费者的主观感受进行判定，在自然光照不足的情况下，及时补充人工照明。参考文献1 Hung W Y,Chow W K.A Review on Architectural Aspects of Atrium BuildingsJ.Architectural Science Review,2001,44(3):285-295.2 Mohsenin M,Hu J.Assessing Daylight Performance in Atrium Buildings by Using Climate Based Daylight ModelingJ.Solar Energy,2015,119:553-560.3 DeKay M.Daylighting and Urban form:An Urban Fabric of LightJ.Journal of Architectural and Planning Research,2010:35-56.4 穆迪.沪上生态家室内热环境的实测和数值模拟研究J.建筑热能通风空调,2019,38(12):68-72.5 余涛,杨玲,雷波,等.办公建筑中庭热环境实测与分析J.制冷与空调(四川),2012,26(6):550-553.6 侯寰宇,张颀,黄琼.寒冷地区中庭空间低能耗设计策略图建构初探J.建筑学报,2016(5):72-76.7 锡望,邹越.复杂中庭空间热环境研究与分析:以北京冬季某大型商业综合体为例J.建筑科学,2016,32(12):135-141.8 董海荣,崔英姿,徐开,等.建筑中庭光热环境与空间几何关系的研究J.扬州大学学报(自然科学版),2015,18(1):57-60.9 刘蕾.基于光热性能模拟的严寒地区办公建筑低能耗设计策略研究D.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2017.10 张珂欣,李文驹.大跨度单层车间平天窗光热环境模拟分析J.建筑与文化,2021(11):35-36.11 GB/T 56992017,采光测量方法S.北京:中国标准出版社,2017.12 Azza Nabil and John Mardaljevic.Useful Daylight Illuminances:A Replacement for Daylight FactorsJ.Energy&Buildings,2006,38(7):905-913.13 F.Cantin.Daylighting Metrics Based on Illuminance,Distribution,Glare and DirectivityJ.Lighting Research&Technology,2011,43(3):291-307.李秋颖，杨利超，马 超，等：北京悠唐购物中心中庭秋冬季光热环境的测试与分析