晉江市東山村傳統民居光環境模擬與優化

何苗薛家薇

(1.廈門理工學院土木工程與建筑學院福建廈門 3610242.華僑大學建筑學院福建廈門 361024)

晉江市東山村傳統民居光環境模擬與優化

何苗1薛家薇2

(1.廈門理工學院土木工程與建筑學院福建廈門 3610242.華僑大學建筑學院福建廈門 361024)

為解決東山村傳統民居室內采光差的問題應用ECOTECT建筑環境分析軟件對室內光環境因素進行模擬實驗.研究發現當地傳統民居的采光系數普遍不滿足國家規定采光設計標準且大部分房間采光均勻度較差.實驗還通過ECOTECT軟件分析出采光系數分布圖和采光系數分布百分比對影響閩南傳統民居室內光環境的因素進行量化分析和對比.最后提出適應性的優化策略為傳統民居保護性改造提供參考.

傳統民居室內光環境采光系數分布晉江市東山村

光環境和人們的生活息息相關直接影響到人們的身心健康它是營造舒適室內物理環境的重要指標.近年來隨著國家新農村政策的逐步實施以及居民對生活品質要求的提高傳統民居的室內光環境越來越受到人們的重視.而閩南地區傳統民居受早期沿襲的居民生活習慣現今高密度的村鎮住宅建設以及住宅自身的構造布局等問題的影響其自然采光現狀急待改善.本研究選取閩南地區晉江市池店鎮東山村傳統民居作為研究對象應用ECOTECT建筑環境分析軟件對其室內天然采光情況進行模擬分析研究可見光環境對居民生活狀態的影響并在此基礎上提出該地區民居營建中的采光設計策略.

1 東山村傳統民居光環境現狀

池店鎮東山村位于福建省晉江市北部屬晉東平原經緯度為北緯24.82°東經118.57°常年日照時數在1 500~2 400 h之間屬于光氣候分區中Ⅳ類地區其中年日照時數超過2 100.0 h光資源十分豐富.然而村中許多保留完好的傳統民居室內采光卻存在著許多問題.

導致閩南地區傳統民居室內光環境差的影響因素主要有:

1)由于地域特點與民俗習慣傳統民居普遍采用“光廳暗房”結構營建大厝正堂既具有起居室的作用也承擔著祭祀拜祖的作用所以大廳朝向內院一側基本上不設墻體完全開敞.為了減少太陽熱輻射房間與廚房盡量減少開窗面積從而導致室內昏暗[1].

2)在自身構造上閩南民居房間的窗地比普遍偏小雖然建筑朝內院的南北向墻面有一直開敞的門可當成窗洞口進行采光但是由于挑檐較深導致門洞間接采光從而未能起到良好的采光作用再加上室內裝飾材料陳舊灰暗造成室內反射比小.

3)在自身布局上當地民居建筑院落的密度過大建筑自身體塊之間的日照間距較小建筑的形體較大有一部分房間的朝向較差等這些也是閩南民居采光環境的影響因素.

2 東山村傳統民居室內采光模擬

2.1 模擬對象

選取東山村典型傳統民居陳宅為研究對象該建筑朝向為北偏東31°建筑布局為兩進三開間紅磚厝高度為一層平面布局呈四合院(見圖1).陳宅具有最典型的特征其主體為磚石木混合結構立面除了正廳一側全開敞其他房間開窗均較少且窗洞面積均不超過0.2 m2為了遮陽隔熱與其他民居相比陳宅屬于屋頂坡度較大出檐較深的民居.

2.2 實驗條件與方法

1)天空照度模型.根據?采光測量方法(GB/T 5699—2008)?[2]將采光設計中天空照度模型設定為全陰天空.在此次模擬計算中選擇全陰天是因為天然光只有擴散光不會形成陰影因此室內采光情況不受窗戶朝向的影響[3].本次研究增加實驗測量環節用于與ECOTECT的模擬值相比較分析兩者的差異以證明軟件模擬的合理性.因此將實驗實測的室外照度值4 903 lx導入到ECOTECT中作為模擬實驗的室外天空照度值進行計算以增加模擬實驗的真實性.

2)模擬時間.此次模擬時間為2014年7月21日正午12:00.由于模擬的是全陰天可選擇全陰天的任意一天[2].為了和實測數據相比較選擇和實測日期同一天即7月21日.全陰天天空只有擴散光沒有太陽直射光隨著太陽高度角變化而變化早晚變化大中午變化小是室外照度相對穩定的時間[3]測試時間選擇正午12點可以減少因室內外兩個讀數時差所造成的采光系數的測量誤差.

3)室內參數.陳宅室內的天花板為淺黃色棕色木構地面為紅磚墻體為水泥砂漿抹灰根據?建筑采光設計標準(GB 50033—2013)?[4]中的飾面材料的反射比ρ值表其反射系數分別設置為0.58、0.33、0.32.從調研中發現窗戶潔凈程度相當低部分為格柵窗戶因此在ECOTECT模擬中選擇窗子潔凈度為“臟”的默認值即為dirty(x＝0.75).

4)模擬區域選擇.在閩南兩進三開間紅磚大厝里大房作為主臥室使用櫸頭作為廚房使用正廳作為起居室使用由于實驗不受窗戶朝向的影響因此此次實驗選取陳宅這三間具有代表性的房間分別簡化成A、B、C三個區域模型進行模擬分析.

5)實驗方法.根據?采光測量方法(GB/T 5699—2008)?[2]本次模擬以網格法均勻布點取工作平面高度0.8 m高處.為了模擬數據更精確每個房間均設置760實驗點對該建筑室內光環境進行分析.

2.3 模擬結果

評價室內光環境質量有兩個指標:室內采光系數和照度均勻度[5]因此模擬實驗采用采光系數和照度均勻度來總結各個區域的照度變化規律和采光情況.

2.3.1 采光系數最小值

根據?建筑采光設計標準(GB 50033—2013)?中的中國光氣候分區表[4]可得當地光氣候分區屬于第Ⅳ區光氣候系數K為1.10.而據居住建筑側面采光規定當地側面采光的采光系數最低值Cmin＝標準值×光氣候系數K(K＝1.10)[4]所得修正值如表1所示.由表1知臥室、起居室(廳)、廚房不應低于1.82%.

表1 住宅建筑側面采光的采光標準值Tab.1 Daylight standard value for sidelighting of residential buildings

經模擬分析得出:A區域(大房)的Cmin＝0.06%B區域(櫸頭)的Cmin＝0.08%C區域(正廳)的Cmin＝0.76%.A區域和B區域不滿足國家規定的采光設計標準而C區域的采光最小值雖然比A、B區域高但仍然低于國家標準的采光要求.此次模擬時間為12:00為一天中室內采光最佳的時間因此其他時間A、B、C三區域更無法滿足標準的采光要求.

2.3.2 采光均勻度

采光系數變化范圍分為十個等級詳見圖2和表2所示.其中圖2(a)為大房A的采光情況采光系數變化值范圍在0%~20%變化幅度為20%.其中0%~2%占80.13%這部分室內空間無法滿足要求.近窗地帶雖然較明亮、變化劇烈但整體室內照度仍然較低且照度分布不均勻.

表2 各測試點原始采光系數分布百分比Tab.2 Percent of the original lighting coefficient of each test point(%)

圖2(b)為櫸頭B的采光情況采光系數變化值范圍也在0%~20%變化幅度為20%.其中0%~2%占82.00%這部分室內空間無法滿足要求.整體室內照度較低采光口照度較高.采光口相距較遠房間整體采光均勻度較差.

圖2(c)為正廳C的采光情況由于通過子孫巷間接采光其采光系數變化范圍相比于A、B較集中在前面四個等級即采光變化值范圍在0%~8%變化幅度為8%.除了僅有10.13%的空間采光系數為0%~ 2%其余的空間均滿足采光要求且房間采光均勻度較高模擬結果反映了閩南民居“光廳暗房”的特性.

2.4 現場實測與驗證

測量時間為2014年7月21日正午12:00使用美能達T－10全數字照度計其測量準確度為(±2%± 1 digit).測量過程采用網格法均勻布點并取工作平面0.8 m高處進行測量.為了便于與模擬數據進行比對同樣選取大房、客廳、櫸頭三個區域分別進行測試每個區域布點間距為1 m每個點各取三次數據并取三次數據的平均值[6].

將模擬條件設置為與室外實測結果條件一致[6]通過測量結果與模擬結果比對(見表3)可以得出大房和櫸頭實測數據均比模擬數據高.其主要原因有:(1)大房在房屋的西面山墻邊當地大厝與大厝之間沿山墻方向并排布置且間隔一條1 m寬的巷子由于另一棟建筑的山墻對模擬建筑的窗洞口進行二次反射使得實測值更高(2)模擬時為了簡化模型數據把室內的家具去掉減少了室內家具對空間的二次反射.而大廳的數據恰好相反這是由于當地居民在房間的北側擺放了半新深棕色的神龕、供奉桌和四方桌相對于去掉家具的紅磚地面和褪色的背面木墻反射比低了許多所以實測值更低.

表3 測量結果與模擬結果數據比對Tab.3 Comparison of measurement results and simulation results(%)

綜上所述雖然模擬結果與實測結果略有誤差但誤差小于10%在允許的范圍內所以ECOTECT軟件模擬方法可行.

3 光環境優化模擬

由于正廳一側沒有墻體大門完全敞開窗地比較高優化空間不大而櫸頭為次要空間主要作為廚房和儲藏間使用左側大房作為主要使用空間相當于現在的主臥所以選取A區域(主臥)作為主要研究對象進行光環境優化模擬對比觀察各變量對室內采光的影響.考慮到傳統民居室內光環境改造難且一些保護價值較高的傳統民居改造應遵循不破壞風貌的原則因此在選擇變量方面采用與當地風貌相協調的變量[7].

3.1 開門遮陽

閩南地區氣候有夏熱冬暖的特點夏季太陽光資源豐富、日照時間長當地民居的設計主要以夏季遮陽防熱為主.為了減少太陽輻射熱尤其是房間與廚房盡量減少開窗面積同時為了有效避免陽光直射并產生良好的通風效果居民在夏季經常將朝向內院一側、屋檐下的門打開.由于窗子處挑檐較高挑檐沒有起到遮陽效果其周邊的照度較高靠近窗戶處采光系數變化比較豐富主要分布在2%~20%之間而門一側處于屋檐下靠近門處采光值在2%~12%之間變化模擬結果如圖3所示.

將A區域(主臥)不開門采光系數分布百分比與開門采光系數分布百分比進行比較詳見表4所示.總體上反映出2%~4%4%~6%6%~8%8%~10%10%~12%采光系數的分布有一定程度增加在0%~2%區間減少了11.06%但是仍占采光面積的69.07%低于國家最小采光標準的采光面積仍然占大部分.因此開門只提高了房間局部的照度對于房間的整體照度和采光均勻度沒有多大幫助.

表4 A區域開門與不開門采光系數分布對比Tab.4 Comparison of region A lighting coefficient distribution between opening the door and not opeing the door(%)

3.2 開門無遮陽

由于A區域遮陽部分主要在大房南面(有門且在朝向院子一側)出挑較大所以將門打開來模擬去掉挑檐沒有遮陽時對采光效果的影響詳見圖4所示.模擬結果發現與僅采取開門措施相比采光均勻度方面略有提高.對比圖3與圖4發現西側采光沒有多大變化而門一側的采光卻有明顯的提高.這是由于西側窗原本上方的挑檐小且離窗口遠所以沒有太大變化而門一側的挑檐較深且檐口相對窗一側的低所以門口地帶照度變化較大.

通過分析A區域(開門遮陽)采光系數變化曲線圖可知開門且無遮陽的情況下對于室內采光均勻度基本上影響不大而對于采光口的照度卻有明顯提高(見表5).

表5 A區域開門遮陽與開門無遮陽的采光系數分布對比Tab.5 Comparison of region A lighting coefficient distribution between openging the door with shading and openging the door without shading(%)

3.3 提高室內反射比

室內裝飾材料陳舊灰暗模擬提高建筑室內材料反射比進行對比研究.假設室內皆采用白石灰粉刷墻面、閣樓板底部與天花板則室內房間的墻體及閣樓板的反射系數改為0.75窗戶潔凈度改成為“干凈”系統設置為clean(x＝0.9).模擬結果如表6所示小于國家采光標準的面積減少了63.46%而2%~4%的采光面積增加了56.40%采光效果明顯提高.由A區域提高室內反射比變化曲線圖(見圖5)可分析出室內采光除了采光口處照度沒有變化、仍然較高以外其余采光分布較為均勻大部分在2%~4%之間.由于大房僅開一側窗且位于西墻的西南角所以房間最暗處(即采光等級最低一級的0%~2%等級的采光面積)主要分布在房間窗的斜對角處僅占據采光面積16.67%(見表6).

表6 A區域提高室內反射比與原始采光系數分布對比Tab.6 Comparison of region A lighting coefficient distribution between improving the indoor reflection ratio and original data(%)

因此提高墻面樓板的反射比能明顯提高室內采光均勻度大幅減小采光系數不達標的空間面積.如果能夠配合以均勻開窗對于提高室內采光均勻度的效果會更好.

3.4 增加亮瓦拆除閣樓

考慮到天窗采光效率高于側窗采光且陳宅屋頂為木構骨架外掛紅磚瓦在改造中可將紅磚瓦置換成亮瓦增加亮瓦的模擬結果如圖6所示.由于木質閣樓遮擋增加亮瓦后照度局部有所提高但在閣樓投影面積下方照度仍然很低室內的照度均勻度較差同時考慮閣樓現多為存儲空間雜物多灰塵大不便打掃且容易拆除所以建議增加亮瓦的同時一并拆除閣樓增加采光效果.增亮瓦拆閣樓后模擬效果如圖7所示室內采光的均勻度與照度都明顯提高.將其與原始數據對比0%~2%的采光系數分布降為02%~4%僅為1.87%4%~6%6%~8%8%~10%分別增加了19.20%38.06%22.53%采光系數分布比有較大的提高采光系數分布主要集中在6%~8%(見表7).可見增加亮瓦同時去除閣樓可以大幅提高室內照度及采光均勻度.

表7 A區域增亮瓦拆閣樓與原始采光系數對比Tab.7 Comparison of region A lighting coefficient distribution percentage between increasement of glass tiles with the removal of attic and original data(%)

4 優化光環境策略

根據模擬結果分析可知開門和去除遮陽可以提高窗口照度但對提高室內采光均勻度效果較差.僅增加亮瓦可提高閣樓陰影面積以外部分的照度和采光均勻度而提高室內反射比和增亮瓦拆閣樓在整體提高室內采光均勻度和減少采光系數不達標空間面積方面表現優越尤其是增亮瓦拆閣樓.根據以上模擬實驗給出幾個優化室內光環境的策略.

1)對于建筑價值較高、保護較好的民居建議如下:①通過采用光學性能較好的建筑材料作為裝飾面比如采用白灰粉刷墻面或者更新已經變色的傳統白底帶花釉面墻磚和地面磚保留原有特色用以增加室內反射比.對于保存較為完整、仍有實際功用的閣樓可將閣樓底部也粉刷白灰或貼上淺色系材料.②對于檐口破壞較嚴重的可以保留框架把局部掛瓦改成玻璃掛瓦減少檐口實體遮擋以提高窗口照度.③建議保留原有木門增設一道玻璃內門在冬季白天只打開外面的木門用以提高室內照度在夏季采用制冷設備時關上玻璃門也可以達到節能效果.

2)為適應人們居住水平的提高和生活習慣的改變對傳統民居作適應性改造建議如下:①房間仍作為以休息為主、生產工作為輔的建議不要拆除閣樓在閣樓下方設置臥床保留睡眠的舒適度而在窗口一側可設置書桌或設備在其上方可增設亮瓦利用其一側有較高照度和采光均勻度的特點進行生產、工作和學習.②房間功能以生產工作或休閑娛樂為主的需要一定的采光均勻度可以改變室內材料提高室內反射比.對于閣樓已經影響到室內活動的空間高度和采光均勻度的可以拆除并在屋面均勻增加亮瓦使室內能同時提高照度和采光均勻度有利于居民的生產工作與休閑娛樂.

5 結語

應用ECOTECT建筑環境分析軟件對閩南傳統民居室內光環境的影響因素進行模擬實驗得出閩南傳統民居的采光系數普遍不滿足國家規定的采光設計標準且大部分房間采光均勻度較差.通過ECOTECT軟件分析出來的采光系數分布圖和采光系數分布百分比對影響閩南傳統民居室內光環境的因素進行量化分析和對比最終提出適應性的優化策略.研究主要側重于提高具有一定價值的傳統民居的室內光環境保護性改造也可為新建民居的采光設計提供一定參考.

致謝:實驗過程得到東山村村民與學生馮治中、趙婉月、羅茜、李斯凡、許敬先等的支持與幫助在此致以衷心感謝!

[1]何苗.閩南磚木結構官式大厝熱環境與節能措施分析:以廈門市新垵村新垵社為例[J].廈門理工學院學報201523 (3):85－90.

[2]中國建筑科學研究院中國標準化研究院中國南玻集團股份有限公司.采光測量方法:GB/T 5699—2008[S].北京:中國建筑工業出版社2008.

[3]林祖銳李恒艷陳舒含.河北省邢臺縣英談村傳統民居室內天然采光模擬與研究[J].華中建筑2013(10):36－40.

[4]中國建筑科學研究院.建筑采光設計標準:GB 50033—2013[S].北京:中國建筑工業出版社2013.

[5]柳孝圖.建筑物理[M].北京:中國建筑工業出版社2010.

[6]朱曉天李婧.建筑物理環境模擬與分析[M].徐州:中國礦業大學出版社2008.

[7]張昕楊光詹慶旋.中國傳統建筑光環境保護的類型域研究[J].照明工程學報200920(4):5－8.

(責任編輯:鄭美鶯)

Light environment’s eimulation and eptimization of DongshanVillage traditional residence in Jinjiang City

HE Miao1XUE Jiawei2
(1.College of Civil Engineering and ArchitectureXiamen University of TechnologyXiamenFujian 361024China2.Architecture CollegeHuaqiao UniversityXiamenFujian 361024China)

In order to solve the problem that poor indoor lighting of traditional residence in Dongshan villageECOTECT which is a kind of software of analysis building environmentis applied to carried out simulation experiment on it.The study is concluded that the lighting coefficient of local traditional houses is generally not meet the lighting design standardsand most of the room lighting is poor.At same timewe get the distribution curve of the lighting coefficient and distribution percentage of the lighting coefficient by ECOTECT.And then we made the influencing factor of local traditional houses to quantitative analysis and comparison.Finallythe optimization strategy is proposed.It provides a refer￣ence for protective reconstruction to traditional residential residence.

traditional residenceindoor lightinglighting coefficient distributionJinjiang CityDongshan Village

TU241.5

A

10.7631/issn.1000－2243.2016.06.0826

1000－2243(2016)06－0826－07

2016－03－27

何苗(1980－)講師主要從事地域建筑與建筑節能研究88407567＠qq.com

國家自然科學基金資助項目(51308231)福建省中青年教師教育科研項目(JA14237)