基于采光能效概念的住宅采光窗口設(shè)計研究*

張 濱 李桂文 趙建平

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院，哈爾濱 150006;2.中國建筑科學(xué)研究院，北京 100044)

1 前言

路易斯·康在一次對窗戶的討論中提到:“窗戶是一種自然照明設(shè)備，因為它對光線進(jìn)行分配，這不同于一般的人工設(shè)施，他雖然是一種設(shè)備、一臺小型機(jī)器，但不需要發(fā)動機(jī)。它只是一種經(jīng)過精心思考的形狀。［1］”在天然光環(huán)境設(shè)計的角度，建筑、房間和窗戶的形式都決定了天然光的攝入量，它不僅可以對天然光進(jìn)行分配，影響人工照明，并可以影響熱量攝取或熱量損失及通風(fēng)。窗戶可以為室內(nèi)提供理想的采光條件，室外景觀也盡收眼底，人們都希望能擁有這種宜人的感覺，于是大面積的玻璃窗在住宅中越來越普遍，甚至是在寒冷和嚴(yán)寒地區(qū)。窗戶是節(jié)能設(shè)計的薄弱環(huán)節(jié)，窗戶的熱工性能比外墻差很多，窗越大，溫差傳熱量越多，雖然目前的窗體和玻璃技術(shù)可以有效地降低窗戶的傳熱系數(shù)，但是從減低建筑能耗的角度出發(fā)，我國的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)中作為強(qiáng)制性條文明確地限制了不同朝向住宅建筑的窗墻面積比。在這種情況下，采光與節(jié)能對于窗戶形式的雙重要求就在一定程度上形成了矛盾，對于建筑師來說，應(yīng)該如何在建筑設(shè)計初期通過對建筑和窗戶形式的設(shè)計有效地平衡這種矛盾呢?針對這一問題，本文提出了“采光能效”的概念，其目的是使建筑師了解建筑和窗戶形式的變化對建筑采光和耗熱的影響作用和規(guī)律，以及兩者之間的變化關(guān)系，從而可以有效地從環(huán)境性能和節(jié)能設(shè)計的角度進(jìn)行方案設(shè)計和調(diào)整。

圖1 采光能效的概念圖解

2 采光能效的概念和內(nèi)涵

在建筑設(shè)計中建筑形式的變化可以改變室內(nèi)的采光效果同時也會引起耗熱量指標(biāo)的變化，但是建筑形式變化之于建筑采光和耗熱量指標(biāo)影響的效果應(yīng)該如何比較，如何描述兩者的變化關(guān)系，如何在保證采光效果的前提下對兩者的變化關(guān)系進(jìn)行設(shè)計權(quán)衡和判斷，是本文希望能夠利用“采光能效”這一概念來說明的問題。其概念為:當(dāng)建筑形式發(fā)生變化時，同一變化條件引起的計算點(diǎn)的采光系數(shù)相對于建筑耗熱量指標(biāo)的平均變化率，即在某一變化過程中采光系數(shù)相對于建筑耗熱量指標(biāo)變化的快慢程度。

但是采光系數(shù)和建筑耗熱量指標(biāo)兩者單位不同、級數(shù)不同、物理意義也不相同，在具體的應(yīng)用中，為了使數(shù)據(jù)具有可參照性，消除建筑采光和建筑耗熱量指標(biāo)兩者在單位、量級上的差異，首先應(yīng)用極值處理法對其進(jìn)行指標(biāo)的無量綱化處理。極值處理法的表達(dá)式為［2，3］:

式中，xij表示第i個被評價指標(biāo)在第j個指標(biāo)上的值，即 xj(j=1，2，…，m)的觀測值為{xij|i=1，2，…，m;j= 1，2，…，m}。Mj= max{xij}，mj=min{xij}。該方法在本文的具體應(yīng)用過程可以表示為，在同一種建筑形式的變化過程區(qū)間中，某一點(diǎn)的采光系數(shù)和建筑耗熱量的變化量與整個過程的各自的最大變化量相比，使兩者的計算結(jié)果都在 (0～1)之間，通過這樣的計算使兩者轉(zhuǎn)換成為具有可比性的數(shù)值。根據(jù)采光能效的定義，采光系數(shù)和建筑耗熱量指標(biāo)的關(guān)系可表示為圖1，由圖1可知，采光能效的概念，可由下式表示:

式中，η為采光能效值，該值即為函數(shù) f(q′H)從 q′H1到 q′H2的平均變化率。

圖2 采光能效變化規(guī)律示意圖

當(dāng)如圖1所示的采光能效概念的圖解呈線性關(guān)系變化時，表示整個變化過程中采光能效的值不變，直線的斜率為該條件下的采光能效值;當(dāng)呈非線性關(guān)系變化時A點(diǎn)與B點(diǎn)直線的斜率即是自A點(diǎn)至B點(diǎn)的平均采光能效;而曲線上某點(diǎn)的切線斜率即為該點(diǎn)的采光能效值。

在不同設(shè)計要求下，采光系數(shù)和建筑耗熱量指標(biāo)的變化關(guān)系可以表示為圖2中的四種情況，其中區(qū)域B中的曲線表示隨著采光系數(shù)值的增加，建筑耗熱量指標(biāo)減小，這種情況為最理想的設(shè)計結(jié)果，設(shè)計師在這種情況下不需要對采光和建筑耗熱兩者進(jìn)行權(quán)衡和比較;區(qū)域D中兩者的變化關(guān)系為隨著采光系數(shù)的減小，建筑耗熱量指標(biāo)增加，這種情況是不利于建筑室內(nèi)物理環(huán)境指標(biāo)的變化形式，在設(shè)計中應(yīng)避免這種情況的出現(xiàn)，所以本文關(guān)于“采光能效”討論不包括區(qū)域B和D所描述的兩種情況。

3 住宅不同空間采光能效值的確定

圖2中A和C區(qū)域中采光系數(shù)和建筑耗熱量的變化過程都是一種反作用的作用方式，這時在保持有利于室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的一種因素的變化趨勢下，另一因素則向著不利于室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的一方發(fā)展，當(dāng)這種變化趨勢不可避免時，需要對不利的一方進(jìn)行約束，該約束值的確定取決一定功能的空間中采光質(zhì)量和建筑節(jié)能在環(huán)境整體評價中的權(quán)重，也可以理解為采光質(zhì)量相對于建筑節(jié)能的重要性程度。采光能效值作為判斷采光系數(shù)相對于耗熱量變化的快慢程度的衡量指標(biāo)，是表達(dá)兩者變化量關(guān)系的量值。從變化的角度理解，采光相對于建筑耗熱量的重要性程度，可以理解為當(dāng)采光系數(shù)變化單位物理量時，建筑耗熱量指標(biāo)相應(yīng)所變化的量，也即是采光能效值。

基于此，本文利用專家打分的方法，請15位建筑光學(xué)和建筑熱工方面的專家對住宅不同功能空間中采光與節(jié)能權(quán)重進(jìn)行了打分，分析結(jié)果如表1所示。

表1 不同住宅空間采光能效分析表

以臥室為例，當(dāng)采光能效值呈現(xiàn)區(qū)域A的變化規(guī)律時，變化相同采光系數(shù)時建筑耗熱量指標(biāo)的增加量逐漸加大，當(dāng)采光能效值為0.86時，建筑耗熱量指標(biāo)的變化量為1，等于兩者的權(quán)重比值，當(dāng)采光系數(shù)繼續(xù)增加時，采光能效值的值小于0.86時，這時采光系數(shù)相對于建筑耗熱量指標(biāo)的的變化速度變慢，超出了約束值的范圍，所以在這種情況下0.86是臥室采光能效值的最小值。在住宅臥室的天然光環(huán)境設(shè)計中，當(dāng)采光能效值小于于0.86則認(rèn)為采光系數(shù)與建筑耗熱量的相對增加速度是不利于室內(nèi)物理環(huán)境的綜合效果的，是不經(jīng)濟(jì)的，應(yīng)該在滿足采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的前提下，適當(dāng)?shù)臏p小窗戶面積，或利用適宜的建筑節(jié)能技術(shù)減小建筑的耗熱量指標(biāo)。同理可得當(dāng)兩者呈現(xiàn)區(qū)域C中所示的變化規(guī)律時，0.86為采光能效的最大值。

4 以窗戶面積為條件的采光能效計算與應(yīng)用

至此，采光能效的概念得以比較全面的呈現(xiàn)，而這一概念涉及到了室內(nèi)物理環(huán)境設(shè)計的不同層面，在具體的設(shè)計實踐如何應(yīng)用，還需要從實踐的角度認(rèn)識和說明。

本文利用Daysim軟件對圖3所示戶型中的主臥室進(jìn)行了采光分析，如圖，主臥室朝向為南向，層高2900mm，采光窗的寬度為1800mm，窗高為2000mm，窗臺高度為300mm，窗墻面積比為0.31。設(shè)房間墻面、屋頂和地面的反射比分別為0.75、0.75和0.35，中空玻璃的透射比取0.81，窗結(jié)構(gòu)的擋光折減系數(shù)取0.75，窗玻璃的污染折減系數(shù)取0.9，取A點(diǎn)為計算點(diǎn)，軟件的分析結(jié)果見圖4。由圖中可見，A點(diǎn)的采光系數(shù)為0.71，不滿足采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的要求，需要改變窗戶形式以改善室內(nèi)的采光效果。使用增加窗洞口面積的方法來改變A點(diǎn)的采光系數(shù)時，選擇增加窗戶寬度和減少窗上沿高度兩種方法，對主臥室的采光窗面積進(jìn)行調(diào)整以改善A點(diǎn)的采光系數(shù)值。

(1)增加窗戶寬度

在原有窗戶面積的基礎(chǔ)上，依次增加窗戶的寬度，使窗墻面積比在0.3～0.5之間變化，可得室內(nèi)A點(diǎn)的采光能效的示意圖，如圖5所示，說明隨著窗戶寬度的增加采光能效的值保持不變，與上一節(jié)的分析結(jié)果相同，此時采光能效的值等于直線的斜率，為1.09大于1，即在整個變化過程中采光系數(shù)和建筑耗熱量指標(biāo)的相對變化速度都在合理的范圍之內(nèi)。在采光能效的計算過程中可得當(dāng)窗戶寬度為2400mm時，A點(diǎn)的采光系數(shù)可以達(dá)到1%，窗戶寬度為2400mm時，A點(diǎn)的采光系數(shù)值見圖6，可見此時A點(diǎn)的采光系數(shù)為1.07%，窗墻面積比為0.42，滿足了建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和住宅建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖3 戶型示意圖

圖4 采光系數(shù)分析結(jié)果1

圖5 變化窗戶寬度時采光能效分析結(jié)果

圖6 采光系數(shù)分析結(jié)果2

(2)增加窗戶高度

同樣以原有窗戶為基礎(chǔ)，在窗墻面積比允許的范圍內(nèi)，依次減少窗戶上沿的高度以增加窗戶的高度，可得室內(nèi)A點(diǎn)的采光能效的示意圖，如圖7所示，由圖中可以看出以窗戶上沿高度變化為條件時，采光能效的值隨窗戶面積的變化而變化，當(dāng)采光能效的值0.86時，所對應(yīng)的點(diǎn)為M點(diǎn)，取M點(diǎn)即為變化窗戶上沿高度時的臨界點(diǎn)，此時窗戶高度為2200mm時，窗墻面積比為0.35，A點(diǎn)的采光系數(shù)值見圖8，由圖中可知，此時A點(diǎn)的采光系數(shù)值為0.98%，接近于1%。而當(dāng)采光能效臨界點(diǎn)對應(yīng)的采光系數(shù)不能滿足建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的要求時，應(yīng)另行選擇其它采光能效值較大的變化條件進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到最大程度的節(jié)約建筑能耗的目的。

圖7 變化窗戶高度時采光能效分析結(jié)果

圖8 采光系數(shù)分析結(jié)果3

5 總結(jié)

可見，采用采光能效這一概念，我們可以明確建筑形式變化時采光系數(shù)和耗熱量指標(biāo)兩者的變化的相對情況，從而可以使建筑師根據(jù)設(shè)計需要對設(shè)計方案作出相應(yīng)的判斷和調(diào)整，在保證室內(nèi)采光效果的同時最大限度地實現(xiàn)建筑節(jié)能，是整合了采光和建筑耗熱量要求的一種全新的設(shè)計方法。

［1］［美］瑪麗·古佐夫斯基著.可持續(xù)建筑的自然光運(yùn)用.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2005－12－6第一版:265.

［2］郭亞軍，易平濤.線性無量綱化方法的性質(zhì)研究.統(tǒng)計分析，2008，2:93.

［3］謝銘杰，韓兆洲.線性無量綱化方法的局限性.統(tǒng)計與決策，2005.3:130.