简易遮阳网对夏季教学楼中庭光热环境影响的实验研究

王若琦，李 伟，齐冬晨，姚舜云

（天津城建大学 建筑学院，天津300384）

建筑中庭由于其在增强视觉美观、改善室内光热环境等方面具有优势，近年来被广泛应用在教学楼、办公楼、图书馆等公共建筑中[1].为了将更多的天然采光带入到建筑内部空间，从而减少人工照明负荷，很多中庭顶部使用了大面积的玻璃天窗.但由于玻璃的传热系数较大，太阳辐射以及室外空气的热量很容易传入到室内，产生温室效应，使建筑物室内温度升高；同时由于开放式中庭空间与其邻近空间的热环境之间存在相互影响，因此，天窗设计不合理的中庭，会降低夏季建筑物室内的热舒适性[2-5].

本文以天津城建大学建筑学院教学楼中庭空间作为研究对象，采用HOBO UX100-003温湿度记录器、FLIR F30W红外热像仪、照度计等专业的设备进行测试实验，分析放置天窗外遮阳前后的温度、照度数据，来探究教学楼中庭天窗外遮阳对夏季室内光、热环境的影响，为中庭的天窗设计提供参考依据.

1 中庭天然光照度与温度测试

该教学楼位于校园内西北侧，共四层，高18.3 m，平面为长方形，东西向长93.5 m，南北向宽27.2 m.建筑一层主要功能为展览空间及教室，二至四层为教师办公室及教室.中庭位于整个建筑中部，东西长向布置，长31.3 m，宽3.8 m，各层平台间由直线单跑公共楼梯连接（见图1），顶部采用了两坡式玻璃天窗，未设置遮阳构件，天窗顶部及侧向玻璃均不可开启（见图2）.由于顶部天窗的设计，整个中庭空间三四层采光良好，但一二层采光较差，需要人工照明；经使用人员反馈，夏季中庭空间存在温度过高的问题，热舒适性较低，通过红外热像仪拍摄的图像也可看出，整个中庭越靠近天窗部位的温度越高，天窗附近的构件甚至达到60℃（见图3-6）.

图1 建筑学院教学楼四层平面图

图2 中庭天窗

图3 二层走廊红外热像图

图4 二层楼梯红外热像图

图5 三层楼梯红外热像图

图6 天窗顶部红外热像图

2 实验方案

2.1 测试方法

为了解决夏季室内过热问题，进一步探究该建筑中庭空间遮阳与未遮阳情况下照度和室内温度的变化，以及遮阳构件对室内热环境的降温效果，本次实验选取太阳辐射较强且气候炎热的夏季进行[6]，共分为两个阶段.

第一阶段，于2019年7月31日至8月27日，对该中庭空间每层的室内热环境进行了连续监测：用HOBO UX100-003记录了每层中庭及非中庭区域室内空气温度，记录间隔5 min，为避免太阳直射导致实验仪器的数据误差，在仪器上方加盖遮阳装置（见图7）.其中8月7日20：00至8月21日20：00，在顶部天窗外侧放置了具有一定透光性的遮阳网（见图8），来测试在遮阳后室内热环境的变化.

图7 HOBO设置实况

图8 遮阳网

第二阶段，于2019年8月28日15：00，使用照度计对全楼测点进行了有无遮阳网的照度对比测试.

2.2 测点布置

为了监测室内温度情况，对每层平面进行水平布点并放置HOBO，全楼共设置实验点16个，其中各层点2至点4为中庭区域测试点，沿中庭走廊均布，点1为非中庭区域对照点（见图9）.此外，在室外避光处设置了测试点，来记录室外温度状况.室内照度测试点与温度测试点相同.

图9 实验布点

3 实验结果分析

3.1 室外温度测试结果

根据室外测试点得到的7月31日至8月27日温度曲线图，8月17日（有遮阳网）与8月23日（无遮阳网）两天的室外温度曲线相近（见图10）；通过记录的室外天气情况表（见表1）可得知，该两日均为晴朗天气，中午太阳辐射强度大，且前一日的天气稳定，比较有代表性，故筛取这两天5：00—21：00时段的数据进行分析.通过温度对比曲线（见图11）可得知，在所选时段内，8月17日及8月23日的温度高峰值均为33℃，8月17日的温度高峰值出现在15：00并持续至17：30；而8月23日的温度高峰值出现在14：00—15：00之间；8月17日的温度低谷为22.7℃，出现在5：00—7：00之间；8月23日的温度低谷为22.2℃，出现在6：00—7：00之间；两日最大温差为2.5℃，出现在18：00左右.

表1 8月16、17、22、23日天气情况 ℃

图10 7月31日至8月19日室外温度情况

图11 8月17日与8月23日室外温度

3.2 室内温度测试结果分析

图12为教学楼一层至四层（以下分别简称为1F、2F、3F、4F）各个测点在有无遮阳情况下所测得的温度曲线.其中，点1为非中庭区域，点2、3、4为中庭区域，8月17日为有遮阳情况，8月23日为无遮阳情况.

3.2.1 空间维度温度曲线分析

从图12中各点曲线的大概趋势可以看出，1F各点在8月17日（有遮阳）/8月23日（无遮阳）两天的温度曲线均较为相近，相同点两日最大温差在0.5℃之内.由测试数据可知1F全天受中庭天窗太阳辐射热的作用较小，有无遮阳网对1F室内气温的影响不大.且一天内同位置温度变化曲线的斜率较为平缓，对比室外温度曲线可得知建筑构件蓄热能力良好，室内气温波动相较室外有一定衰减.

图12 8月17日(有遮阳)/8月23日（无遮阳）1F-4F各点实测温度曲线

而在2F至4F，除2F-1、2F-4点外，其余各点在有无遮阳情况下的温度曲线开始出现差异，且8月23日（无遮阳）大部分时段的温度高于8月17日（有遮阳）.在横向空间上，比较相同层不同点在有无遮阳情况下的最大温差值，各层规律相同，均为点3＞点2＞点4＞点1；而在纵向空间上比较相同点不同层两日的最大温差值，也出现了相同规律，即4F＞3F＞2F＞1F.其中全楼各点中，两日温差的最大值出现在点4F-3的13：10左右，即8月23日（无遮阳）比8月17日（有遮阳）温度高出3.1℃.

在8月23日无遮阳情况下，4F与1F全天的最大温差达到了8.5℃左右，且4F全天温度峰值比室外高出1.5℃度，而在8月17日有遮阳情况下，4F与1F全天最大温差为6℃，4F全天温度高峰值比室外低1℃.

通过上述分析可知，在中庭天窗放置遮阳网，在夏季对室内中庭区域的降温效果显著大于非中庭区域，且楼层越高效果越显著，其中4F中庭区域的降温效果最明显.

3.2.2 时间维度温度曲线分析

在5：00—8：00时间段内，除4F-1点有遮阳的情况外，1F至4F各点在8月17日（有遮阳）/8月23日（无遮阳）均出现全天温度低谷值，出现低谷值的时间点相较室外未见明显延迟；室内各点两日的温度低谷值均高于室外低谷值，且随层数增高呈升高趋势，分析可能为清晨时段天窗进入的太阳辐射热或室内热空气上升导致.但同时段内，对比1F至4F各层相同点在有遮阳/无遮阳情况下的曲线差异较小，温度差值均在0.8℃之内；且在无遮阳情况下，除点3F-3，各层中庭区域的点2，3，4在5：00—8：00的温度均低于非中庭区域点1，由此可排除太阳辐射热对各层气温的影响.因此分析得出结论：在清晨太阳刚刚升起时，天窗加盖遮阳网对建筑物各层室内热环境的降温效果不明显.

在8：00—18：00时间段，各点两日的温度曲线均出现全天高峰值，1F点1至点4在8月17日（有遮阳）/8月23日（无遮阳）同位置的温度曲线在15：00左右达到高峰值（27℃左右），并持续至17：00.而在2F至4F，除点2F-1外，其余各点8月23日（无遮阳）温度曲线的高峰值均出现在13：00左右，持续至15：00，比同日室外出现温度高峰值的时间16：00有所提前，可见太阳辐射在中午至下午对室内温度的影响最大.对比1F至4F各层相同点在有遮阳/无遮阳的温度曲线，可发现1F各点与2F-1点在该时段内曲线差异仍较小，而从2F-2开始，2F至4F各点同位置两日温度曲线开始出现差异，且在12：00—15：00之间两日温差达到最大.由此可见，在太阳升起之后至日落之前，天窗遮阳网对1F室内空间热环境的降温效果不显著，但在2F-4F有降温效果，且在中午12：00—15：00效果最显著.

而在18：00—21：00时间段，对比1F及2F各点在两日的温度曲线，未见明显差异，温差均在0.3度之内.3F非中庭区域点1及楼梯下的点4也未见明显差异，但3F-2、3F-3与4F各点无遮阳温度曲线均大致低于有遮阳的曲线（个别时间温度波动除外），这与室外同时段温度曲线8月17日（无遮阳）高于8月23日（有遮阳）不同，从而得知在傍晚时段至晚间，天窗遮阳网对3F及4F的室内热环境仍有一定的降温效果.

3.2.3 室内照度测试结果分析

由于天窗外遮阳的设置在降低室内温度的同时，也会影响室内照度[7]，为了进一步探究其对室内照度的影响，对教学楼各个测点进行了照度数据测试.

根据8月28日15：00测得的有无遮阳网照度数据对比表（见表2）可知，在天窗无遮阳且室内无人工照明的情况下，1F各点最高照度仅有37.3 lx，平均值为23.74 lx，远低于《建筑采光设计标准》（GB 50033—2013）规定的教学建筑走道室内天然光照度标准值150 lx[8].2F非中庭区域点1照度仅为7.17 lx，中庭区域照度虽有所提高，但整层照度平均值为82.93 lx，仍低于标准值.由此数据可知该教学楼天窗与中庭的设计对1F及2F的采光虽有一些改善，但仍需人工照明进行补充.而在3F、4F，非中庭区域点1照度也不满足标准值，但3F、4F的照度平均值分别为323.6、1461.9 lx，分别是标准值的2.1、9.7倍，且中庭区域的点2，3，4照度均高于该层平均值，甚至在点4F-3达到2 102 lx，对室内人员具有一定的眩光影响.而在天窗放置遮阳网后，各层的照度平均值从1F至4F依次为11.46，25.48，105.23，510.57 lx，除4F外其余三层均未达到标准值.遮阳网的放置虽对室内热环境有降温作用，却使3F从满足采光照度标准变为不满足，分析原因可能是其对太阳光的遮挡过多.

表2 室内各点有无遮阳网照度实测对比 （lx）

4结论

通过对教学楼中庭空间的数据测试，可得到以下结论：

①天窗外遮阳对降低建筑中庭室内温度具有显著效果，其效果随着楼层增高而变大；

②天窗外遮阳对夏季中庭室内热环境的降温效果在中午12：00—15：00最显著，且在傍晚时段至晚间仍有一定的降温效果；

③遮阳构件对太阳光遮挡过多可导致室内照度降低，因此在进行天窗遮阳设计时，需兼顾室内降温效果与室内照度.