基于Ecotect的小學(xué)教室不同開窗形式采光模擬分析

劉士鵬，王 薇

（河南工業(yè)大學(xué)，河南 鄭州450000）

1 研究目的

在當(dāng)今社會(huì)，隨著人們生活水平的提高，人們對(duì)生活空間舒適度的要求越來越高，并且發(fā)現(xiàn)自然光不僅可以帶來良好的視覺效果，而且對(duì)人們的身心健康也起積極作用。在教育類建筑設(shè)計(jì)時(shí)，自然采光對(duì)它具有更加重要的意義，由于教育類建筑使用功能的特殊性，教室內(nèi)部的光環(huán)境質(zhì)量要求更高，在滿足足夠照度的同時(shí)，還要避免學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中出現(xiàn)眩光的情況。目前我國教育水平不斷提高，學(xué)校的建設(shè)也在不斷增加，但是形式卻太過單一，忽視建筑本身的節(jié)能和建筑使用過程中的舒適度；而且隨著施工技術(shù)的提高，開窗面積也不斷增大，但是建筑門窗的保溫隔熱效果并不好，使用者為提高室內(nèi)的舒適度，大量使用機(jī)械照明，人工采暖等方式改善生活空間的舒適度，致使建筑能耗增加；而且在學(xué)生使用過程中，大面積開窗容易導(dǎo)致在工作面產(chǎn)生直射光，影響學(xué)生的使用。本文以鄭州地區(qū)普通教室標(biāo)準(zhǔn)化模型為例，通過分析鄭州地區(qū)的氣候特點(diǎn)，研究普通教室不同開窗形式，并經(jīng)過Ecotect模擬分析不同開窗形式的模擬對(duì)室內(nèi)空間自然采光系數(shù)和照度的影響，選擇合適的開窗形式以及高度，高效利用自然光，減少建筑的能耗。

2 模擬軟件介紹

Ecotect是英國Square One公司開發(fā)的生態(tài)建筑設(shè)計(jì)軟件，它可以更加直觀地模擬出一些數(shù)據(jù)，在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行全面的輔助，便于設(shè)計(jì)師對(duì)自己的設(shè)計(jì)有更加深入的分析。它是方便快捷而且清晰直觀的設(shè)計(jì)輔助軟件，將模型導(dǎo)入軟件當(dāng)中，就可以通過計(jì)算得出一個(gè)數(shù)字化的可視化分析圖，可以更加直觀地看出來設(shè)計(jì)的效果，在設(shè)計(jì)逐漸深入過程中，該軟件對(duì)模型的分析結(jié)果也更加詳細(xì)準(zhǔn)確。當(dāng)然也是更加便捷和清晰，顯示結(jié)果也變得更加一目了然。

本文主要采用Ecotect對(duì)小學(xué)普通教室的室內(nèi)光環(huán)境進(jìn)行模擬，并分析判斷其開窗形式對(duì)室內(nèi)空間的自然采光的影響。

3 鄭州地區(qū)氣候分析

本文以鄭州為研究對(duì)象，使用Weather Tool軟件對(duì)鄭州地區(qū)進(jìn)行氣象數(shù)據(jù)的分析。鄭州位于河南的中部偏北，鄭州市年平均氣溫為14.3℃，夏熱冬冷，秋日晴和。夏季最熱月7月平均氣溫為27.4℃，最高氣溫為39.6℃；冬季最冷月1月平均氣溫為0.4℃，最低氣溫為-10℃，平均年降水量約為640.9mm。

利用Weather Tool軟件模擬得出鄭州地區(qū)建筑的最佳朝向分析圖（見圖1）和全年鄭州地區(qū)太陽的運(yùn)行軌跡分析圖（見圖2），從圖1中可以看出，鄭州地區(qū)建筑的較好朝向?yàn)槟掀?0°至南偏東30°，最佳朝向?yàn)槟掀?°，不易朝向西方或西北方向，在教育類建筑設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該充分考慮該因素，確定最佳朝向，改善室內(nèi)的光環(huán)境，有效利用自然光，減少建筑運(yùn)行過程中的能耗。

圖1 鄭州地區(qū)建筑最佳朝向

圖2 鄭州地區(qū)太陽運(yùn)行軌跡

4 建立普通教室基本模型進(jìn)行自然采光分析

4.1 仿真教室模型的基本概況

通過對(duì)鄭州市小學(xué)的調(diào)研，并且根據(jù)對(duì)鄭州市小學(xué)教室的調(diào)研和相關(guān)規(guī)范的規(guī)定，普通教學(xué)教室的尺度一般為6.6m×9m或6.9m×9m，層高為3.6m。本文建立一個(gè)東西長為9m，南北縱深為6.9m，高度為3.6m；前后各一個(gè)寬0.9m，高2m的門，外窗面積15m2的仿真建筑模型。從Ecotect內(nèi)部材質(zhì)庫中設(shè)置墻體為鋼筋混泥土墻，門設(shè)置成木材質(zhì)，玻璃選擇LOW-E中空雙層玻璃。保持其他參數(shù)不變，采用不同的開窗形式用Ecotect模擬分析，探究出普通小學(xué)教師最適合的開窗形式。

4.2 用Ecotect對(duì)模型不同開窗形式進(jìn)行模擬

合理利用自然采光對(duì)于建筑在建設(shè)和使用過程中起著十分重要的作用。一個(gè)好的建筑設(shè)計(jì)在滿足節(jié)能的同時(shí)，更重要的是讓使用者得到更加舒適的使用體驗(yàn)。合理的開窗形式以及開窗高度都會(huì)影響到室內(nèi)工作面的照度和采光系數(shù)，對(duì)教育類建筑而言，這顯得更加重要，過強(qiáng)的自然光會(huì)出現(xiàn)眩光現(xiàn)象，而自然光不足則會(huì)使教室內(nèi)部過于昏暗，影響學(xué)生的學(xué)習(xí)。我們通過改變教室開窗形式以及開窗的高度，用Ecotect對(duì)仿真模型進(jìn)行模擬，對(duì)采光系數(shù)和照度圖像進(jìn)行分析，探究合適的開窗形式。

4.2.1 窗戶形狀對(duì)室內(nèi)光照的影響

在保證窗洞口面積相同時(shí)，改變仿真模型窗洞口的形狀，分別設(shè)置正方形洞口，橫向長窗洞口和豎向長窗洞口進(jìn)行模擬（見圖3），從圖3中可以看出正方形開窗的采光系數(shù)為18.77%，橫向長窗的采光系數(shù)為18.16%，豎向長窗的采光系數(shù)為17.87%，所以正方形窗戶的采光系數(shù)最好。從采光照度來看，三種開窗形式并沒有太大區(qū)別，所以對(duì)小學(xué)普通教室這種不是長寬適宜的房間易使用偏向正方形的窗戶來保證教室內(nèi)部的自然采光。

4.2.2 窗戶布置方式對(duì)室內(nèi)光照的影響

在保證相同的開窗面積時(shí)，改變仿真模型窗洞的布置形式，對(duì)仿真模型集中開窗和分散布置窗洞進(jìn)行模擬，在開窗面積都為15m2，窗臺(tái)高度都是900mm，工作面高度為800mm時(shí)，當(dāng)集中布置窗戶時(shí)平均采光系數(shù)為9%，平均照度為720.38lux，并且光線分布不均勻，容易出現(xiàn)眩光和室內(nèi)昏暗的情況；當(dāng)分散布置開窗是平均采光系數(shù)為9.31%，平均照度為744.6lux，采光效果明顯優(yōu)于集中布置窗戶，所以在小學(xué)普通教室設(shè)計(jì)時(shí)，盡量選擇分散布置開窗來保證室內(nèi)更加舒適的自然。

圖3 不同形狀窗戶模擬圖像

4.2.3 窗臺(tái)的高度對(duì)室內(nèi)采光的影響

對(duì)室內(nèi)進(jìn)深的采光，最重要的影響因素就是窗臺(tái)的高度。在開窗面積與開窗形式相同時(shí)，改變窗臺(tái)的高度，將900mm的窗臺(tái)改變?yōu)?200mm，使用仿真模型進(jìn)行模擬，當(dāng)改變窗臺(tái)高度時(shí)，室內(nèi)的采光系數(shù)分布也有所改變，從圖3中可以看出，當(dāng)窗臺(tái)較低時(shí)，在窗戶附近的采光系數(shù)比較高，而且向內(nèi)部下降速度極快，當(dāng)增加窗臺(tái)高度時(shí)，雖然接近窗口的地方采光系數(shù)并沒有原來高，但是較遠(yuǎn)處缺有了明顯的改善，室內(nèi)采光的均勻性也得到了提升。

通過上述幾種開窗形式的對(duì)比模擬分析，在不考慮其他因素的影響情況下，綜合室內(nèi)平均自然采光照度和平均采光系數(shù)來看，在小學(xué)普通教室設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該避免集中大量布置窗戶，另外通過調(diào)節(jié)窗臺(tái)的高度，來使室內(nèi)的自然光更加均勻舒適，既能達(dá)到自然采光的要求，也能讓使用者得到更加好的使用體驗(yàn)。所以通過選擇合理的開窗方式，達(dá)到改善室內(nèi)的光環(huán)境，降低建筑的能耗目的。

5 結(jié)論

本文從鄭州地區(qū)的氣候特點(diǎn)，以及教育類建筑的特殊性著手，對(duì)小學(xué)普通教室的開窗形式進(jìn)行一定的模擬分析，基于Ecotect對(duì)開窗形式，高度等方面入手，進(jìn)行自然光整體分析，針對(duì)于設(shè)計(jì)小學(xué)普通教室的自然采光給出一定的理論依據(jù)。但是在實(shí)際的運(yùn)用過程中，有很多其他因素對(duì)室內(nèi)采光情況也起著很大的影響作用，例如室內(nèi)空間的大小、形狀、高度等因素，所以我們還需要更多的實(shí)踐和檢驗(yàn)，選擇更加合適的開窗形式及位置，設(shè)計(jì)出更加環(huán)保節(jié)能的建筑作品。