結(jié)合建筑遮陽(yáng)分析的教室側(cè)窗采光中不同窗口數(shù)量與尺寸的應(yīng)用與優(yōu)化

(山東建筑大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院 山東 濟(jì)南 250101)

引言

側(cè)窗采光是一種直接在建筑的外墻上開(kāi)設(shè)采光口的采光設(shè)計(jì)策略[1]。絕大多數(shù)的教學(xué)樓重于立面的外部造型不是從側(cè)窗的采光性能和內(nèi)部光環(huán)境質(zhì)量出發(fā)進(jìn)行側(cè)窗的設(shè)計(jì)。中小學(xué)學(xué)生每天至少有8個(gè)小時(shí)的時(shí)間是在學(xué)校中度過(guò)的，室內(nèi)光環(huán)境的好壞對(duì)于學(xué)生的身心都有著不可忽視的影響。[2]

在光環(huán)境的設(shè)計(jì)中，影響室內(nèi)光環(huán)境質(zhì)量的兩個(gè)因素尤為重要：“采光均勻度”和“防眩光”[3]。因此在一定朝向與房間尺寸確定的條件下，根據(jù)一定窗地比改變側(cè)窗不同的尺寸和排布位置，對(duì)于遠(yuǎn)窗側(cè)室內(nèi)的采光均勻度、照度均會(huì)有所改善，近一步減弱了因光線過(guò)強(qiáng)或過(guò)弱導(dǎo)致的學(xué)生視覺(jué)疲勞。本文針對(duì)教學(xué)建筑的一個(gè)9.0m*7.5m的南向普通教室?guī)追N不用窗口數(shù)量與尺寸下的室內(nèi)DF/DA/UDI等數(shù)據(jù)，分析了側(cè)窗采光教室的天然光分布問(wèn)題，同時(shí)利用窗口外遮陽(yáng)設(shè)計(jì)進(jìn)行輔助優(yōu)化，得出基于遮陽(yáng)板優(yōu)化尺寸及采光評(píng)價(jià)指標(biāo)共同作用下的窗戶數(shù)量與尺寸組合形式作為采光設(shè)計(jì)指導(dǎo)。

一、分析軟件選擇及物理模型建立

(一)分析軟件選擇

采光選用DesignBuilder、Ecotect和Daysim。DesignBuilder最適當(dāng)?shù)匦：怂褂玫淖匀还猓瑢?shí)行照明控制系統(tǒng)和電器照明節(jié)約的計(jì)算[4]。Ecotect可用于建筑方案的設(shè)計(jì)建模階段，能夠快速直觀地評(píng)估建筑的采光水平[5]。Daysim軟件可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)光環(huán)境模擬，在全年的天氣數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行模擬，并且可以逐時(shí)分析，其模擬計(jì)算比靜態(tài)采光軟件更靈活，更準(zhǔn)確[6]。

(二)教室模型建立

選擇山東地區(qū)常見(jiàn)的雙側(cè)窗采光教室單元為模擬對(duì)象，研究地點(diǎn)選取濟(jì)南市，南偏東15°為最佳偏轉(zhuǎn)角度，夏季南向窗接受太陽(yáng)輻射強(qiáng)度可高達(dá)2000W/m2，西向窗接受太陽(yáng)輻射強(qiáng)度近4000W/m2，在這種強(qiáng)烈的太陽(yáng)輻射條件下，陽(yáng)光直射到室內(nèi)，將嚴(yán)重地影響建筑室內(nèi)熱環(huán)境，增加建筑空調(diào)能耗[7]。

教室平面尺寸為9.0M*7.5M，教室的層高尺寸設(shè)定為3.9M，開(kāi)窗面積是一定的，窗地比為0.224，計(jì)算出窗戶總面積為15.12m2，模擬相同窗戶面積不同窗戶的排布數(shù)量及窗戶尺寸對(duì)教室采光的差異。

二、教室側(cè)窗采光指標(biāo)分析與比較

(一)不同窗戶排布數(shù)量下室內(nèi)采光結(jié)果與分析

表1 窗戶不同排布數(shù)量的采光評(píng)價(jià)指標(biāo)分析(來(lái)源：筆者自繪)

圖1天然采光評(píng)價(jià)指標(biāo)匯總(筆者自繪)

1.DF指標(biāo)進(jìn)行方案擇優(yōu)分析

教室的采光系數(shù)(DF)隨著教室窗戶排布數(shù)量的變化相差的不是特別明顯，其中窗戶數(shù)量為1的1號(hào)教室室內(nèi)采光系數(shù)最高，為6.55%。隨著窗戶數(shù)量的增加，窗間墻隨之增加，室內(nèi)采光系數(shù)逐步下降，說(shuō)明窗間墻的數(shù)量及尺寸增加對(duì)于外部進(jìn)入室內(nèi)的光線還是有一定的遮擋。

進(jìn)一步研究窗戶數(shù)量及窗間墻寬度如何具體影響室內(nèi)采光環(huán)境，在窗戶總面積及窗戶寬度不變的條件下，由表1的1號(hào)方案采光系數(shù)(DF)變化曲線可以看出窗間墻數(shù)量0到1時(shí)，窗間墻寬度增加最大，此時(shí)采光系數(shù)(DF)衰減速度最快；2號(hào)方案窗間墻數(shù)量1到2時(shí)，采光系數(shù)(DF)衰減速度較快；3號(hào)方案與4號(hào)方案窗間墻總面積相同，僅僅數(shù)量不同，此時(shí)的采光系數(shù)(DF)變化曲線較之前衰減幅度降低。1-4方案采光系數(shù)(DF)數(shù)值均在可用范圍內(nèi)，使用DF指標(biāo)進(jìn)行方案擇優(yōu)時(shí)4種立面類型采光能力的排序結(jié)果為1>2>3>4，該結(jié)果說(shuō)明僅在天空漫射光情況下分析建筑采光問(wèn)題時(shí)采光口面積大且遮擋較少的立面類型占有優(yōu)勢(shì)[8]。

圖2 采光系數(shù)(DF)變化趨勢(shì)圖(筆者自繪)

2.DA/UDI動(dòng)態(tài)指標(biāo)進(jìn)行方案擇優(yōu)分析

從DA與DAcon來(lái)看，這4組不同窗戶排列數(shù)量的教室室內(nèi)和有效采光度較大[9]，空間有效利用天然光的能力都較強(qiáng)。從DAmax來(lái)看，隨著窗戶數(shù)量的增加，即窗間墻的增加，DAmax的數(shù)值在下降，即產(chǎn)生眩光的可能性在下降(圖3)。且窗戶數(shù)量由2到3時(shí)DAmax衰減顯著；窗戶數(shù)量由3到4時(shí)由于窗間墻總面積不變，較前一方案DAmax變化衰減程度小。由此可見(jiàn)，使用DA指標(biāo)進(jìn)行方案擇優(yōu)時(shí)4種立面類型采光能力的排序結(jié)果為4>3>2>1，該結(jié)果與僅僅使用靜態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)DF指標(biāo)的結(jié)果不同，進(jìn)一步說(shuō)明建筑側(cè)窗的采光設(shè)計(jì)并非開(kāi)窗面積越大越好[10]。

圖3 采光量(DA)變化趨勢(shì)圖(筆者自繪)

從UDI角度來(lái)分析，四組數(shù)據(jù)相差不大，其中4號(hào)有效照度值即UDI在100-2000lux區(qū)域的時(shí)間百分比最高，為62.87%(圖4b)。1號(hào)窗戶排列數(shù)量的教室有效照度值UDI>2000lux最高(圖4c)，表明有過(guò)量的天然光線透過(guò)無(wú)窗間墻的整扇窗戶進(jìn)入該教室室內(nèi)采光區(qū)域，室內(nèi)易形成眩光，對(duì)學(xué)生視力有極大影響。將daysim的模擬數(shù)據(jù)導(dǎo)入ecotect，如圖4b所示，4組窗戶不同排列數(shù)量的教室在UDI(100lux-2000lux)的時(shí)間百分比模擬情況中的差別并不顯著，在具體采光指標(biāo)數(shù)據(jù)分析中應(yīng)當(dāng)結(jié)合其他采光指標(biāo)進(jìn)行結(jié)合分析。

綜上所述，當(dāng)考慮到立面的朝向、南側(cè)窗戶遮陽(yáng)設(shè)計(jì)、使用者行為等動(dòng)態(tài)因素時(shí)，建筑采光設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)結(jié)果與僅僅使用靜態(tài)采光系數(shù)DF指標(biāo)存在巨大的差異。在窗地比一定的情況下，窗間墻面積減少，室內(nèi)采光系數(shù)DF增高，教室室內(nèi)南側(cè)近窗處的照度值會(huì)相應(yīng)的增大，極易形成不利于學(xué)生書(shū)寫(xiě)的眩光，需采取必要的遮陽(yáng)措施。

圖4 有效采光度(UDI)變化趨勢(shì)圖(筆者自繪)

(二)不同窗口尺寸組合下室內(nèi)采光結(jié)果與分析

窗戶高度的設(shè)置與其內(nèi)部天然光能夠到達(dá)的范圍存在著一定的函數(shù)關(guān)系[11]。保持窗地比、窗戶數(shù)量以及窗臺(tái)距地的高度不變，模擬比較窗戶的高度與寬度的關(guān)系對(duì)于室內(nèi)采光效果的影響。通過(guò)2.1章節(jié)的分析，選用3號(hào)方案時(shí)室內(nèi)光環(huán)境能達(dá)到比較理想狀態(tài)，因此研究窗戶尺寸對(duì)采光影響程度時(shí)選取窗戶數(shù)量為3進(jìn)行量化研究。

1.DF/DA/UDI綜合指標(biāo)進(jìn)行方案擇優(yōu)分析

分析數(shù)據(jù)顯示b方案教室的采光系數(shù)最高，為6.39%，隨著窗戶寬度增加，采光系數(shù)增大。

從DA與DAcon的數(shù)據(jù)表明這3組方案教室的采光量和連續(xù)采光都較大，空間有效利用天然光的能力都較強(qiáng)。從UDI角度來(lái)分析，3組數(shù)據(jù)相差不大，其中b方案教室的有效照度值即UDI在100-2000lux區(qū)域的時(shí)間百分比最高，a方案教室的UDI>2000最高(圖4)，表明有過(guò)量的天然光線透過(guò)無(wú)窗間墻的整扇窗戶進(jìn)入該教室室內(nèi)采光區(qū)域，室內(nèi)易形成眩光。將daysim的模擬數(shù)據(jù)導(dǎo)入ecotect，如表2所示，3組不同高寬比窗戶的教室在UDI(100lux-2000lux)的時(shí)間百分比模擬情況中的差別并不明顯，在具體采光指標(biāo)數(shù)據(jù)分析中應(yīng)當(dāng)結(jié)合其他采光指標(biāo)進(jìn)行結(jié)合分析。

圖4 有效采光度(UDI)變化趨勢(shì)圖(筆者自繪)

由此可見(jiàn)，使用DF/DA/UDI綜合指標(biāo)進(jìn)行方案擇優(yōu)分析時(shí)，3種立面形式采光能力的排序結(jié)果為b>c>a。當(dāng)側(cè)窗窗臺(tái)距地的高度不變時(shí)，選擇窗戶寬度和高度比小于1的采光口即圖4中的b可以形成相對(duì)柔和、均勻度較好的自然光環(huán)境。

表2 不同窗戶高寬比的照度分析(來(lái)源：筆者自繪)

三、遮陽(yáng)設(shè)計(jì)輔助選取窗戶組合形式

研究表明，建筑外遮陽(yáng)在一定程度上能夠合理控制進(jìn)入室內(nèi)的太陽(yáng)光線，減少建筑室內(nèi)空調(diào)與照明系統(tǒng)的能耗，改善室內(nèi)光環(huán)境[12]。因此，在進(jìn)行室內(nèi)光環(huán)境優(yōu)化時(shí)，使用不同長(zhǎng)度的固定遮陽(yáng)板進(jìn)行遮陽(yáng)設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)比分析幾種采光方式下的照明輔助能耗和室內(nèi)光環(huán)境質(zhì)量，找出遮陽(yáng)優(yōu)化下的窗戶組合形式。[13]

遮陽(yáng)方式選用外遮陽(yáng)，設(shè)置距離窗戶上沿為300mm的遮陽(yáng)板，遮陽(yáng)板長(zhǎng)度分別設(shè)置為0/500/1000/1500/2000mm共5種長(zhǎng)度進(jìn)行室內(nèi)采光計(jì)算。[14]

表3 不同長(zhǎng)度固定遮陽(yáng)板的室內(nèi)采光質(zhì)量評(píng)價(jià)(來(lái)源：筆者自繪)

根據(jù)室內(nèi)采光系數(shù)模擬圖和有效采光率數(shù)值結(jié)果表明，遮陽(yáng)板長(zhǎng)度在0-0.5m范圍內(nèi)室內(nèi)有效采光面積相差不大。直射太陽(yáng)光線對(duì)近窗側(cè)采光質(zhì)量影響不大，僅在冬季對(duì)遠(yuǎn)窗采光有一定程度的衰減。遮陽(yáng)板長(zhǎng)度1.5-2m增大時(shí)，室內(nèi)有效采光率下降最明顯，說(shuō)明遮陽(yáng)板長(zhǎng)度對(duì)于室內(nèi)采光質(zhì)量有一定程度的影響。此時(shí)，選擇遮陽(yáng)板長(zhǎng)度在0-0.5m范圍內(nèi)較為合理。

教育建筑的普通教室的采光不應(yīng)低于采光等級(jí)Ⅲ級(jí)的采光標(biāo)準(zhǔn)值，即側(cè)面采光的采光系數(shù)不應(yīng)低于3.0%[15]。圖5遮陽(yáng)板長(zhǎng)度在0-1.5m范圍內(nèi)室內(nèi)采光系數(shù)均滿足規(guī)范要求。當(dāng)遮陽(yáng)板尺寸到達(dá)2米時(shí)，由于尺寸過(guò)大直接阻擋部分光線進(jìn)入室內(nèi)，采光質(zhì)量較差。同時(shí)，遮陽(yáng)板長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)使得太陽(yáng)得熱程度深，所以內(nèi)部需要人工進(jìn)行能源供給，全年冷負(fù)荷降低不明顯，熱負(fù)荷提高緩慢，全年總能耗提高顯著。因此，選擇南向水平遮陽(yáng)板尺寸在0.5-1米之間，效果最好。

圖5 采光系數(shù)(DF)匯總圖(筆者自繪)

四、結(jié)論

經(jīng)過(guò)上述理論研究及數(shù)據(jù)模擬，選擇南向水平遮陽(yáng)板尺寸在0.5-1米之間，窗戶數(shù)量為3個(gè)且窗戶寬度和高度比小于1的采光口即圖4中的b可以形成相對(duì)柔和、均勻度較好的自然光環(huán)境方案，此時(shí)室內(nèi)光環(huán)境效果最好。

在進(jìn)行地域性的教室采光環(huán)境設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮地域性光氣候特征、立面朝向、動(dòng)態(tài)遮陽(yáng)等因素，可以確保室內(nèi)光環(huán)境在更多的時(shí)間內(nèi)可以達(dá)到理想效果。