多媒體教室天然采光眩光累積計量與比較

袁景玉，張志濤，任 全，崔苗苗

(河北工業大學建筑與藝術設計學院，天津 300401)

引言

隨著我國教育事業投入的加大，教學建筑的照明用電能耗問題成為關注點。住建部提出利用清潔能源減少教學建筑能耗，充分利用天然采光來降低能耗[1]。 天然采光不僅可以提高能源利用效率，改善使用者舒適度與健康[2]，還會對生理和心理產生顯著影響，成為影響學生行為、性格和情緒的重要因素[3]。但是在天然采光過程中往往會造成室內出現大面積的眩光，從而影響采光質量[4]。而采用外遮陽的設置可能會導致室內照度過低反而會增強室內天然采光眩光[5]。同時較高的窗戶、朝向窗戶的座位方向、與窗戶相鄰等都會導致更多的眩光[6]。天然采光眩光指數(Daylight Glare Index，DGI)，適用于窗戶一類的大面積天然采光眩光源，大量的研究和實驗證明，DGI具有理想的眩光預測的評價精度[7]。羅濤[8]在選擇天然采光眩光的計算和評價方法時，分析天然采光眩光，利用計算機模擬計算，通過現場實測的數據驗證了DGI對天然采光眩光評價的適用性。喬正珺和季亮[9]利用Radiance模擬分析的方法，對室內DGI進行分析，研究得出DGI受建筑地理位置、太陽位置和建筑朝向的影響。Piderit Moreno[10]考慮光的動態性和可變性，使用動態模擬方法，結合天氣數據，考慮日照的日變化量和季節變化量，通過Radiance模擬繪制在時間和空間地圖中，評價全年的日光和視覺舒適度。關高慶[11]通過DGI對大量教學建筑的采光設計進行研究，得到多媒體教室不同區域的采光分布規律，模擬得出多媒體教室在最不利采光條件和最不利時段下的采光具體方案。鐘碧蓉等[12]通過DIALUX軟件數據分析出教室照明現狀的各作業區照度達標情況和能源利用效率。Mangkuto等[13]利用高動態范圍(HDR)成像技術和入住后評估，確定印尼不舒適眩光的適當標準，是找出各種物理變量與眩光指數之間的相關性，并獲得日光眩光的舒適性標準。邊宇[14]基于Daysim 動態采光模擬結果，使用DF/DA/UDI 指標針對不同立面類型進行了采光效果排序并與基于采光系數的排序結果進行比較，論證了動態采光指標的優勢。而在天然采光眩光評價方面，特別是針對多媒體教室的采光質量評價，尚缺少反映采光效果動態變化的指標。本文針對高校多媒體教室，采用DGI指標達標率隨時間和空間變化的評估方法進行探討，從而為教學建筑優化設計及多媒體教室天然采光眩光研究提供指導。

1 研究方法

1.1 多媒體教室天然采光眩光現狀調研

調研選取天津地區多媒體教室作為調研對象，通過實地考察發現，多數多媒體教室的窗口沒有設置遮陽措施，多媒體教室內天然采光眩光對于教學活動影響較大，使得教室內的采光情況并不理想，使得多媒體教室內光環境較暗。一般的避免眩光的方式是拉窗簾打開人工照明的方法，這種方法造成了大量的浪費能源，所以多媒體教室內的天然采光眩光是急需解決的問題。

調研同時配合問卷調查，對象為在校的大學生，運用問卷星進行問卷調查，內容主要包括四個部分：學生對多媒體教室采光的主觀感受、多媒體教室的采光質量、學生在多媒體教室上課習慣以及多媒體教室的采光建議。

1.2 多媒體教室天然采光眩光模擬

通過天然采光眩光對多媒體教室的影響程度進行模擬計算量化分析，利用模擬軟件對多媒體教室天然采光眩光進行模擬計算，根據針對天津地區學校的調研觀察，提出多媒體教室的研究樣本，通過對樣本多媒體教室天然采光眩光進行DGI數值模擬計算，模擬春分日、夏至日、秋分日、冬至日四個典型日，將模擬計算數據整理分析成天然采光眩光達標面積百分比和達標時間百分比兩個量化指標，對多媒體教室學生座位區域內受到天然采光眩光影響程度做出一定評價。

1)模擬軟件驗證。使用EnergyPlus軟件對多媒體教室天然采光眩光進行模擬計算，最終模擬計算求得DGI數值。通過將模擬數據與實測數據對比分析得到，實測數據與模擬數據的變化趨勢一致，DGI數值均沒有超過22，均未達到人眼忍受天然采光眩光的最大值，下午DGI數值比上午高，在13：00—15：00范圍內DGI數值達到最大值，在教室測點各個時刻的模擬數據與實測數據DGI數值誤差基本上在5%以內。因此，通過對比分析DGI數值曲線得出可以采用EnergyPlus軟件對DGI數值的模擬計算來對多媒體教室天然采光眩光進行研究。

2)多媒體教室樣本設定。結合調研結果，天津地區一般多媒體教室普遍進深7～11 m，開間9～15 m，層高3.6～4 m，窗臺高0～1 m，內廊式布局，單側采光，窗口一般為3個。 對于多媒體教室進行樣本的設定，設定教室的平面尺寸9 m×12 m(進深×開間)，層高3.9 m，窗口尺寸2.4 m×3 m(高度×寬度)，窗臺高為0.8 m，平面如圖1所示。

圖1 多媒體教室樣本平面圖Fig.1 Sample plan of multimedia classroom

3)多媒體教室DGI達標時間和面積百分比。將多媒體教室的樣本中的學生座位區域劃分為30個模擬計算測點，如圖2所示，利用EnergyPlus軟件進行模擬計算，模擬春分日、夏至日、秋分日、冬至日四個典型日，分別選取一天中9：00、10：00、11：00、12：00、13：00、14：00、15：00、16：00、17：00，9個工作整點時刻的進行天然采光眩光指數(DGI)模擬計算。根據英國采光標準，多媒體教室的DGI數值不能超過22，進行模擬計算數據處理分析。

圖2 多媒體教室樣本測試點的布置Fig.2 Layout of sample test points in multimedia classroom

為了量化天然采光眩光對多媒體教室的影響程度，更全面地對多媒體教室天然采光眩光進行模擬分析，提出了多媒體教室天然采光眩光達標面積百分比和達標時間百分比兩個量化指標。

(a)多媒體教室DGI達標面積百分比η

(1)

式中，X為DGI數值不超過22的測點個數，N為全部測點個數。

多媒體教室DGI達標面積百分比可以定義為在多媒體教室內某一時刻滿足DGI數值要求(DGI<22)的測點個數占全部測點個數的百分比。

(b)多媒體教室DGI達標時間百分比ε

(2)

式中，X為DGI數值不超過22的測點個數，M為全部測點個數。

多媒體教室DGI達標時間百分比可以定義為在多媒體教室內某一測點位置滿足DGI數值要求(DGI<22)的時刻個數占全部模擬時刻個數的百分比。

為了能夠清楚地量化天然采光眩光對于學生座位區域各測點的影響程度，通過在學生座位區域 30 個測點的天然采光眩光達標時間百分比分布，更能夠直觀地了解天然采光眩光對其影響，學生座位區域30個測點分布，如圖3所示。

圖3 多媒體教室學生座位區域30個測點分布Fig.3 The distribution of 30 measuring points in the seating area of multimedia classroom

2 數據分析

2.1 教室天然采光眩光的調研結果討論

天然光環境在多媒體教室中起著至關重要的作用，多媒體教室側窗天然采光過程中會產生眩光，包括來自室外直射光、書本或桌面以及黑板產生的反射眩光，以及天然光在教室內分布不均勻。通過問卷統計，有54.29%的學生選擇坐在教室內的中間位置，說明學生在多媒體教室的上課選座習慣與天然采光有一定的聯系，而且在多媒體教室的上課過程中，大部分都會拉上窗簾遮擋天然采光，再打開室內的人工照明，這樣的上課習慣會帶來大量的用電能耗浪費，如何改善教室內的天然采光眩光避免人工照明帶來的能源浪費成為急需解決的問題。

2.2 教室室內DGI模擬結果分析

1) 春分日。春分日多媒體教室各測點DGI數值模擬分布曲線如圖3所示，模擬出了在多媒體教室春分日9個整點工作時刻學生座位區域內各測點受天然采光眩光影響的DGI數值。DGI數值超過22的情況多集中在下午時刻，尤其是測點1到測點6在14：00—17：00時間段DGI數值較大，測點7到測點30 DGI數值呈起伏曲線變化。

(a)春分日達標面積百分比：從圖4中可以得出，DGI數值超過22的情況多集中在下午時刻，11：00—17：00范圍內達標面積百分比開始降低，即開始受到天然采光眩光的影響，15：00時達標面積百分比為30%受到天然采光眩光影響程度最大。

(b)春分日達標時間百分比：從圖5中可以得出，在春分日多媒體教室學生座位區域內顏色越深，受到天然采光眩光影響越大，測點2到測點8、測點13到測點17以及測點25和測點26的DGI達標時間百分比數值相對較小，約為40%；而位于教室遠窗處靠近前門的測點達標時間百分比為100%，幾乎不受眩光影響，說明在春分日學生座位區域內近窗位置和教室后面的位置受到天然采光眩光影響程度比較嚴重。

圖4 春分日多媒體教室各測點DGI數值模擬分布曲線與眩光達標面積百分比Fig.4 The numerical simulation of DGI distribution curve and the percentage of the target position of glare at each measuring point in multimedia classroom on vernal equinox day

圖5 春分日多媒體教室學生座位區域內天然采光眩光達標時間百分比Fig.5 The percentage of time for reaching the standard of natural lighting glare in the seating area of multimedia classroom on vernal equinox day

2)其他三個典型日分析。圖6、圖8、圖10分別為夏至、秋分、冬至日多媒體教室各測點DGI數值模擬分布曲線及眩光達標面積百分比，圖7、圖9、圖11分別為三個典型日多媒體教室學生座位區域內天然采光眩光達標時間百分比。由圖6～圖11可見，三個典型日DGI數值超過22多集中在下午時刻，冬至日測點1到測點16在14：00—16：00時間段DGI數值較大。夏至日，秋分日均從11：00—17：00范圍內達標面積百分比開始變化即開始受到天然采光眩光的影響，而且受影響的時間比較長，夏至日受影響更早一點，且15：00時受到天然采光眩光影響程度最大，秋分日當13：00時受到天然采光眩光影響程度最大，冬至日14：00受到天然采光眩光影響程度最大。夏至日，秋分日學生座位區域內受到天然采光眩光的影響集中在在教室后面近窗處的位置，冬至日基本上在多媒體教室學生座位區域近窗處位置和教室后面位置受眩光影響較為嚴重。

圖6 夏至日多媒體教室各測點DGI數值模擬分布曲線與眩光達標面積百分比Fig.6 The numerical simulation of DGI distribution curve and the percentage of the target position of glare at each measuring point in multimedia classroom on summer solstice day

圖7 夏至日多媒體教室學生座位區域內天然采光眩光達標時間百分比Fig.7 The percentage of time for reaching the standard of natural lighting glare in the seating area of multimedia classroom on summer solstice day

圖8 秋分日多媒體教室各測點DGI數值模擬分布曲線與眩光達標面積百分比Fig.8 The numerical simulation of DGI distribution curve and the percentage of the target position of glare at each measuring point in multimedia classroom on the autumnal equinox

圖9 秋分日多媒體教室學生座位區域內天然采光眩光達標時間百分比Fig.9 The percentage of time for reaching the standard of natural lighting glare in the seating area of multimedia classroom on the autumnal equinox

3) 四個典型日對比。使用天然光眩光達標時間百分比和天然光眩光達標面積百分比這兩個量化指標，能夠更全面的對多媒體教室天然采光眩光進行定量分析，對不同時間中多媒體教室學生座位區域內受到天然光眩光的影響做出具體評價。將四個典型日模擬計算的數據整理在一起，分析一年四季天然采光眩光對于多媒體教室的影響程度。

(a)四個典型日達標面積百分比。四個典型日多媒體教室DGI達標面積百分比曲線圖的繪制，如圖12所示，DGI達標面積百分比最低值主要集中在13：00—16：00范圍內，此個時段受到的天然采光眩光影響最嚴重。從曲線變化來看，夏至日在全時段均受到天然采光眩光的影響，且達標面積百分比較低，受影響程度較大；冬至日受眩光影響時間較短主要集中在下午時段，但受影響程度最為嚴重；春分日和秋分日達標面積百分比介于二者之間，但秋分日受到眩光影響程度比春分日要大，受影響時間比春分日要長。

(b)四個典型日達標時間百分比。四個典型日多媒體教室DGI達標時間百分比分布圖的繪制，如圖13所示，在多媒體教室學生座位區域內測點3到測點8、測點13到測點17以及測點25和測點26的DGI達標時間百分比都沒有超過50%，受到眩光影響最為嚴重，而位于教室遠窗處靠近前門的測點達標時間百分比為100%，幾乎不受眩光影響。可以得出多媒體教室學生座位區域受眩光影響程度呈漸變的規律，越是近窗處位置和教室后面位置受到天然采光眩光的影響越嚴重，而越是遠窗處靠近前門位置受到天然采光眩光的影響越小。

圖10 冬至日多媒體教室各測點DGI數值模擬分布曲線與眩光達標面積百分比Fig.10 The numerical simulation of DGI distribution curve and the percentage of the target position of glare at each measuring point in multimedia classroom on winter solstice

圖11 冬至日多媒體教室學生座位區域內天然采光眩光達標時間百分比Fig.11 The time percentage of reaching the standard of natural lighting glare in the seating area of multimedia classroom on winter solstice

圖12 四個日照標準日多媒體教室天然光眩光達標面積百分比Fig.12 The percentage of the target position of natural light glare of multimedia classroom on four sunshine standard days

圖13 四個典型日多媒體教室學生座位區域內天然采光眩光達標時間百分比Fig.13 The percentage of time for reaching the standard of natural lighting glare in the seating area of the multimedia classroom on four typical days

3 結論

通過對多媒體教室天然采光眩光進行DGI數值模擬計算，將模擬計算數據整理分析成DGI達標面積百分比和達標時間百分比兩個量化指標，對多媒體教室學生座位區域內受到天然采光眩光影響程度做出評價，得出以下結論：

1)使用多媒體教室四個典型日中的DGI達標面積百分比以及達標時間百分比兩個量化指標，為研究多媒體教室天然采光眩光提供了直觀有效的具體指標評價方法，分析思路，充分利用天然光進行采光，更大程度上降低人工照明，降低能耗達到節能目的。

2)多媒體教室學生座位區域內DGI達標面積百分比最低值主要集中在13：00—16：00范圍內，說明在這個時段內受到的天然采光眩光影響程度最嚴重。

3)根據四個典型日模擬計算得出的天然采光眩光影響程度可知，夏季多媒體教室受到天然采光眩光的影響時間更長，且達標面積百分比較低，受影響程度較大，冬季受眩光影響時間較短且主要集中在下午時段，但受影響程度最為嚴重；春季和秋季達標時間百分比介于二者之間，其中秋季受到眩光影響程度比春季要大，受影響時間比春季要長。

4)多媒體教室學生座位區域受眩光影響程度呈漸變的規律，越是近窗處位置和教室后排位置受到天然采光眩光的影響越嚴重，而越是教室遠窗處靠近前門位置受到天然采光眩光的影響越小。

5)采用四個典型日進行評價，在一定程度上可以反映全年的采光效果動態變化情況，但對于精確計算和全面評估，還應在考慮教室使用頻率基礎上，以實際使用天數為準，同時有賴于模擬計算更加便利的軟件的選擇。