南昌大學游泳館建筑側窗采光優(yōu)化設計研究

文／陶文茹 南昌大學建筑工程學院 碩士研究生

引言

光是大自然的最重要的元素之一，在人類營建方面有著非常重要的影響。光不僅能塑造建筑空間氛圍，也能改善建筑內部空間的物理環(huán)境，提高人在建筑中的居住感受。光不僅僅是在感觀上給予人類以熱能需求，也在心理上給了人類極大的幫助，太陽光作為取之不盡用之不竭的清潔能源，通過建筑墻面的窗戶進入建筑室內，不僅豐富了室內色彩，同時也給室內提供熱量和舒適的光環(huán)境。因此在建筑設計中合理地利用光是非常重要的。游泳館建筑作為大型的公共體育類建筑，有著大跨度、大進深的建筑限制，對自然采光的要求較為嚴格，需要保證游泳館室內穩(wěn)定、充足的室內自然光照度，才能滿足游泳者使用需求。在大型游泳館建筑中，通常會采用側窗采光和天窗采光這兩種方式來獲得自然采光，《公共建筑節(jié)能設計標準》（GB 50189-2015）中規(guī)定公共建筑的屋頂透光部分面積不應大于屋頂總面積的20%，使得天窗采光的實際面積受到限制，而側窗采光沒有嚴格的面積限制，在設計時則可以布置靈活，并且側窗有利于室內外空間滲透及自然通風等優(yōu)點，常被運用于游泳館建筑中。目前大多數(shù)的游泳場館的外立面窗墻比是滿足規(guī)范需求的，但是很難完全保證泳池區(qū)域的天然光照度能達到白天不開燈或者少開燈的程度，由于各地區(qū)的光照強度不一致，各地的游泳館對于外立面開窗面積比例要求也會有所不同，所以如何在滿足標準要求的足夠光照度的前提下，創(chuàng)建出富有特色的游泳場館是需要經(jīng)過一系列分析計算的。

本文以南昌大學游泳館的室內游泳池區(qū)域為研究對象，在側窗自然采光的情況下，通過分析研究側窗采光是否滿足建筑采光設計標準中的采光系數(shù)和室內天然光照度要求等問題。本文利用采光分析軟件Ecotect 對其進行模擬分析，并通過對比的方式對南昌地區(qū)未來建設游泳館建筑提出合適的建筑采光設計策略。

1 建筑模型建立以及計算參數(shù)

南昌大學游泳館位于南昌大學3 號門東側，兩層白色建筑，建筑方向東偏北15 度，室內面積1.9 萬平方米，一層為健身房和淋浴區(qū)，二層為泳池入口，并設有50×25 米標準游泳池和標準跳水區(qū)域，目前是江西省設施最為先進、完備的室內游泳場所。建筑整體設施恒溫恒控，并設有全自動溫控系統(tǒng)，整體建筑頂部為太陽能集熱，并設有最先進的數(shù)字化監(jiān)控，可以通過網(wǎng)絡監(jiān)控對各種集熱器進行調控，部分屋頂采用可開啟式，用以建筑室內采光，但絕大部分時間處于關閉狀態(tài)。與此同時，建筑側面設有一系列的條形豎窗用于增加側面進光量，造型上更優(yōu)美豐富。

基于實地測量得出本次模擬模型建筑尺度為187×46 米，層高為14.7 米，其中，研究對象室內泳池區(qū)域尺寸為76×46 米，層高9.8 ～13.8米不等。由于南昌市位于中國光氣候分區(qū)中的IV區(qū)，所以室外臨界照度為4500lux（表1）。

2 相關規(guī)范要求

為了在建筑采光設計中，貫徹國家的法律法規(guī)和技術經(jīng)濟政策，充分利用天然光，創(chuàng)造良好光環(huán)境、節(jié)約能源、保護環(huán)境和構建綠色建筑，相關部門于2013 年制定了《建筑采光設計標準》（GB 50033-2013），此標準明確了體育類建筑的采光系數(shù)和室內天然光照度標準值的要求（表2）。本次實驗主要針對側面采光的條件下，游泳館室內天然光照度標準值的量。

表2 體育建筑的采光標準值（《建筑采光設計標準》GB 50033-2013）（表格來源：作者自繪）

其中采光系數(shù)標準值指的是在規(guī)定的室外天然光設計照度下，滿足視覺功能要求時的采光系數(shù)值；室內天然光照度標準值指的是對應于規(guī)定的室外天然光設計照度值和相應的采光系數(shù)標準值的參考平面上的照度值。

3 模擬結果分析

本次采光分析僅把泳池空間區(qū)域作為研究對象，經(jīng)計算可得側窗面積與泳池外立面面積的比值即窗墻比為0.3，經(jīng)過采光分析軟件Ecotect 的分析之后得到數(shù)據(jù)為采光系數(shù)8.28%，室內自然光照度為372.41lux，由圖1、圖2 可知采光系數(shù)在建筑南北側窗邊的數(shù)值較大，這一部分基本上都在10%以上，是建筑采光的主要區(qū)域。而在東西兩側墻和泳池中間部分則稍微弱于標準值，采光系數(shù)大致都在5%左右，但是大體上區(qū)別不太明顯。

不同于采光系數(shù)，由數(shù)據(jù)可知，室內天然光照度是在整個測試區(qū)域的中間，即泳池部分基本上都弱于標準值，并且清楚可知的是室內天然光照度遠低于標準值的范圍，基本上泳池部分全部都沒有到達300lux；而建筑南北側窗邊的數(shù)據(jù)都在400lux 以上，有的甚至高達1000lux，室內天然光照度的數(shù)值區(qū)別較為明顯。由于游泳館進深過大的構造特點，導致了室內天然采光照度在室內不同區(qū)域內有明顯的數(shù)據(jù)偏差，在越接近窗的區(qū)域，采光照度越強，而泳池區(qū)域則明顯變弱，特別是中心區(qū)域，可明顯看出采光照度不足。

在《建筑采光設計標準》（GB 50033-2013）中規(guī)定的標準是采光系數(shù)標準值和室內天然光照度標準值應為參考平面上的平均值。由數(shù)值可知，模型數(shù)據(jù)室內自然光照度為372.41lux是超過了規(guī)范所設置的平均值的，所以在定義上，南昌大學游泳館的游泳池部分是滿足《建筑采光設計標準》中對于采光系數(shù)與室內天然光照度的相關標準的，是可以滿足運動員日常訓練或娛樂活動的。

4 對比分析

由已知資料得知建筑外立面的開窗方式對建筑內部的采光系數(shù)和室內天然光照度的數(shù)值會有一定的影響，所以本次測試只針對于南昌大學游泳館的側面開窗方式為研究對象，即一系列豎向條形窗，對比方案也只是在南昌大學游泳館模型的基礎上加以修改，在數(shù)量模型中，僅改動條形窗的尺寸大小以及增加或減少條形窗的數(shù)目量，做單一變量的數(shù)據(jù)對比，得到大致所需要的窗墻比。

還有其他類似于開窗方式、開窗的角度是如何影響采光系數(shù)和室內天然光照度，均不在本論文中加以討論。

本次對比分析所選取泳池的側窗面積與外立面面積的比值即窗墻比分別為0.19、0.25、0.3、0.34、0.41。其中面積單位為平方米（m2），照度單位為勒克司度（lux），分析數(shù)據(jù)如表3、圖3。

表3 不同窗墻比下的采光系數(shù)以及采光照度（表格來源：作者自繪）

從圖4、圖5 中可以看出，當窗墻比隨著線性增加時，采光系數(shù)和室內天然光照度也基本成線性增長趨勢，而根據(jù)《建筑采光設計標準》（GB 50033-2013）中的要求，體育建筑訓練場所要求的室內天然光照度標準值為300lux，從圖中可以知道，當游泳館泳池空間建筑外立面窗墻比為0.2 以上時，即可以滿足國家規(guī)范對室內天然光照度的要求，也能滿足對采光系數(shù)的要求。然而由于體育建筑空間大，水面會影響光的折射和反射，進而真正要達到游泳池區(qū)域的室內天然光照度應該要使窗墻比在0.35 到0.4 之間，這樣才能使得泳池區(qū)域基本達到300lux 的照度，從而滿足游泳者基本的訓練和娛樂要求。

與此同時，規(guī)范標準要求整個體育建筑采光系數(shù)標準值要達到2%，但不同位置會導致進光量不同，入口區(qū)域及泳池周圍過道進光量會明顯大于泳池，所以要保證泳池區(qū)域天然光強度達到2%時，其窗墻比在0.35 到0.4 之間，比值過大會造成進光量過多而導致反射眩光等問題。

當人的視線感觸到光亮度的分布差距大時，特別是在空間或時間上存在著極端的亮度對比，則會引發(fā)不舒適眩光，降低視覺條件。由圖可知南昌大學游泳館泳池空間室內天然光照度有著較大的亮度對比，泳池區(qū)域與建筑外立面甚至達到了500lux 以上的照度值差距。這必然會產生部分的不舒適眩光，但是這是側窗采光必然會產生的一個現(xiàn)象。其次泳池內部空間巨大，水面也會波動，隨著光線的不穩(wěn)定性，斜射光線打入水面從而導致的眩光也會對人產生影響。

要避免這一情況，可在側立面增加遮光材料來限制光線，而根據(jù)《室內工作系統(tǒng)照明》（GB／T 13379—1992）第4.4.2 條規(guī)定，減小窗戶眩光的措施有：①采用室內外遮擋措施降低窗亮度或減少天空視域；②工作人員的視線不宜面對窗口；③在不降低采光窗數(shù)目的前提下，提高窗戶周圍表面的反射比和亮度。但這在很大程度上失去了側窗采光的意義。

5 采光節(jié)能分析

游泳館若僅采用全天然采光，的確可以節(jié)省能源，但是對于大型公共建筑來說，特別是游泳館建筑這種體量大、進深大的建筑來說，僅靠天然采光恐怕很難維持建筑對光線的要求，所以常用的做法就是將天然采光與人工照明相結合。在不同時間段、不同的區(qū)域內進行合理的安排，保證天然采光與人工照明相配合，既可以節(jié)約能源又可以減少直射光線的影響。

在建筑物采光節(jié)能中，需要充分地考慮各種熱工和采光的影響，應選取符合采光規(guī)范的照明措施，特別是游泳館這種大型、大跨公共建筑，應該考慮頂部照明等與自然光相結合的照明設備。而在考慮側面采光設備時，需要考慮與側面遮陽相調節(jié)的設施。

南昌大學游泳館就是利用這種方式進行采光，游泳池區(qū)域共45 盞照明用燈，每臺功率為240W。

《建筑采光設計標準》GB 50033-2013 中節(jié)能計算公式：

其中A ＝76×46m ＝3496m2，Pn ＝45×240 ＝10800W，Td ＝2789h，t′D ＝235h，F(xiàn)D ＝1，F(xiàn)′D ＝0.5。

經(jīng)計算We ＝31390.2（kWh/年），Ue ＝8.98（kWh/m2·年）即每年可以節(jié)省31390.2 千瓦時的照明用電量，相當于每平方米每年可節(jié)省8.98 千瓦時的照明用電量。現(xiàn)如今國家乃至整個社會都在提倡碳中和，節(jié)省部內電能源在提倡綠色節(jié)約能源的如今是非常值得推崇的。而要進一步增大節(jié)省的年照明用電量We，公式中可以變動的只有tD 和t′D，所以要盡可能地多利用天然光，使得全部利用天然采光的時數(shù)tD 增大，這樣可以節(jié)省更多的照明用電量，為創(chuàng)造更加低碳的社會作出貢獻。

結論

在完成一系列的實驗之后，得到了以下關于南昌地區(qū)的游泳館建筑側窗采光優(yōu)化策略的結論：

（1）南昌地區(qū)未來建設游泳館，應充分考慮場地的特點，就建筑方向東偏北15 度來看，泳池空間部分的窗墻比至少在0.2 以上，才能滿足建筑采光設計標準；而為了滿足泳池部分整體室內天然光照度達到300lux，則泳池空間部分的窗墻比應該在0.35 ～0.4 之間，同時要特別注意對泳池空間的利用。

（2）建筑只采用側窗采光時候，通常容易產生不舒適眩光，視線偏差可視條件差等問題，為消除這些現(xiàn)象，可以采用以下措施：第一，利用室內外遮擋措施，如多重遮陽、降低窗亮度、減少天空視區(qū)域亮度變化窗的光線角度等。第二，工作人員及使用者的視線不直接面對窗口；巧妙設置入口下水等位置，減少直視窗口的可能性。第三，在建筑本身不降低采光窗數(shù)目的前提下，提高窗戶周圍表面的反射比和亮度，從而提高窗戶周圍的對比度，以減少眩光。這些措施都可以有效地減少眩光對運動員造成的干擾。

（3）在前期方案設計時，應根據(jù)不同地區(qū)的光照特點，根據(jù)地形特點，采取相對有效的設計及結構措施，盡可能地充分利用好自然光，在滿足建筑采光設計標準的前提下，盡可能多地利用天然光照明，從而節(jié)約能源。同時在裝修設計時，應該提早考慮到自然光與燈光相配合，考慮延長室內使用時間。

（4）在游泳館建筑采光設備的選擇上，對于大跨度、大進深應考慮頂部采光設備及導光管采光設備，在導光材料的選擇上透射率不應該低于5%，側面采光時，可考慮增加棱鏡改變光線入射角度及增加反光板改善大進深建筑的采光。