結合建筑遮陽分析的教室側窗采光中不同窗口數量與尺寸的應用與優化

(山東建筑大學建筑城規學院 山東 濟南 250101)

引言

側窗采光是一種直接在建筑的外墻上開設采光口的采光設計策略[1]。絕大多數的教學樓重于立面的外部造型不是從側窗的采光性能和內部光環境質量出發進行側窗的設計。中小學學生每天至少有8個小時的時間是在學校中度過的，室內光環境的好壞對于學生的身心都有著不可忽視的影響。[2]

在光環境的設計中，影響室內光環境質量的兩個因素尤為重要：“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，根據一定窗地比改變側窗不同的尺寸和排布位置，對于遠窗側室內的采光均勻度、照度均會有所改善，近一步減弱了因光線過強或過弱導致的學生視覺疲勞。本文針對教學建筑的一個9.0m*7.5m的南向普通教室幾種不用窗口數量與尺寸下的室內DF/DA/UDI等數據，分析了側窗采光教室的天然光分布問題，同時利用窗口外遮陽設計進行輔助優化，得出基于遮陽板優化尺寸及采光評價指標共同作用下的窗戶數量與尺寸組合形式作為采光設計指導。

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最適當地校核所使用的自然光，實行照明控制系統和電器照明節約的計算[4]。Ecotect可用于建筑方案的設計建模階段，能夠快速直觀地評估建筑的采光水平[5]。Daysim軟件可以進行動態光環境模擬，在全年的天氣數據基礎上進行模擬，并且可以逐時分析，其模擬計算比靜態采光軟件更靈活，更準確[6]。

(二)教室模型建立

選擇山東地區常見的雙側窗采光教室單元為模擬對象，研究地點選取濟南市，南偏東15°為最佳偏轉角度，夏季南向窗接受太陽輻射強度可高達2000W/m2，西向窗接受太陽輻射強度近4000W/m2，在這種強烈的太陽輻射條件下，陽光直射到室內，將嚴重地影響建筑室內熱環境，增加建筑空調能耗[7]。

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

二、教室側窗采光指標分析與比較

(一)不同窗戶排布數量下室內采光結果與分析

表1 窗戶不同排布數量的采光評價指標分析(來源：筆者自繪)

圖1天然采光評價指標匯總(筆者自繪)

1.DF指標進行方案擇優分析

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

進一步研究窗戶數量及窗間墻寬度如何具體影響室內采光環境，在窗戶總面積及窗戶寬度不變的條件下，由表1的1號方案采光系數(DF)變化曲線可以看出窗間墻數量0到1時，窗間墻寬度增加最大，此時采光系數(DF)衰減速度最快；2號方案窗間墻數量1到2時，采光系數(DF)衰減速度較快；3號方案與4號方案窗間墻總面積相同，僅僅數量不同，此時的采光系數(DF)變化曲線較之前衰減幅度降低。1-4方案采光系數(DF)數值均在可用范圍內，使用DF指標進行方案擇優時4種立面類型采光能力的排序結果為1>2>3>4，該結果說明僅在天空漫射光情況下分析建筑采光問題時采光口面積大且遮擋較少的立面類型占有優勢[8]。

圖2 采光系數(DF)變化趨勢圖(筆者自繪)

2.DA/UDI動態指標進行方案擇優分析

從DA與DAcon來看，這4組不同窗戶排列數量的教室室內和有效采光度較大[9]，空間有效利用天然光的能力都較強。從DAmax來看，隨著窗戶數量的增加，即窗間墻的增加，DAmax的數值在下降，即產生眩光的可能性在下降(圖3)。且窗戶數量由2到3時DAmax衰減顯著；窗戶數量由3到4時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，使用DA指標進行方案擇優時4種立面類型采光能力的排序結果為4>3>2>1，該結果與僅僅使用靜態評價指標DF指標的結果不同，進一步說明建筑側窗的采光設計并非開窗面積越大越好[10]。

圖3 采光量(DA)變化趨勢圖(筆者自繪)

從UDI角度來分析，四組數據相差不大，其中4號有效照度值即UDI在100-2000lux區域的時間百分比最高，為62.87%(圖4b)。1號窗戶排列數量的教室有效照度值UDI>2000lux最高(圖4c)，表明有過量的天然光線透過無窗間墻的整扇窗戶進入該教室室內采光區域，室內易形成眩光，對學生視力有極大影響。將daysim的模擬數據導入ecotect，如圖4b所示，4組窗戶不同排列數量的教室在UDI(100lux-2000lux)的時間百分比模擬情況中的差別并不顯著，在具體采光指標數據分析中應當結合其他采光指標進行結合分析。

綜上所述，當考慮到立面的朝向、南側窗戶遮陽設計、使用者行為等動態因素時，建筑采光設計的評價結果與僅僅使用靜態采光系數DF指標存在巨大的差異。在窗地比一定的情況下，窗間墻面積減少，室內采光系數DF增高，教室室內南側近窗處的照度值會相應的增大，極易形成不利于學生書寫的眩光，需采取必要的遮陽措施。

圖4 有效采光度(UDI)變化趨勢圖(筆者自繪)

(二)不同窗口尺寸組合下室內采光結果與分析

窗戶高度的設置與其內部天然光能夠到達的范圍存在著一定的函數關系[11]。保持窗地比、窗戶數量以及窗臺距地的高度不變，模擬比較窗戶的高度與寬度的關系對于室內采光效果的影響。通過2.1章節的分析，選用3號方案時室內光環境能達到比較理想狀態，因此研究窗戶尺寸對采光影響程度時選取窗戶數量為3進行量化研究。

1.DF/DA/UDI綜合指標進行方案擇優分析

分析數據顯示b方案教室的采光系數最高，為6.39%，隨著窗戶寬度增加，采光系數增大。

從DA與DAcon的數據表明這3組方案教室的采光量和連續采光都較大，空間有效利用天然光的能力都較強。從UDI角度來分析，3組數據相差不大，其中b方案教室的有效照度值即UDI在100-2000lux區域的時間百分比最高，a方案教室的UDI>2000最高(圖4)，表明有過量的天然光線透過無窗間墻的整扇窗戶進入該教室室內采光區域，室內易形成眩光。將daysim的模擬數據導入ecotect，如表2所示，3組不同高寬比窗戶的教室在UDI(100lux-2000lux)的時間百分比模擬情況中的差別并不明顯，在具體采光指標數據分析中應當結合其他采光指標進行結合分析。

圖4 有效采光度(UDI)變化趨勢圖(筆者自繪)

由此可見，使用DF/DA/UDI綜合指標進行方案擇優分析時，3種立面形式采光能力的排序結果為b>c>a。當側窗窗臺距地的高度不變時，選擇窗戶寬度和高度比小于1的采光口即圖4中的b可以形成相對柔和、均勻度較好的自然光環境。

表2 不同窗戶高寬比的照度分析(來源：筆者自繪)

三、遮陽設計輔助選取窗戶組合形式

研究表明，建筑外遮陽在一定程度上能夠合理控制進入室內的太陽光線，減少建筑室內空調與照明系統的能耗，改善室內光環境[12]。因此，在進行室內光環境優化時，使用不同長度的固定遮陽板進行遮陽設計，同時對比分析幾種采光方式下的照明輔助能耗和室內光環境質量，找出遮陽優化下的窗戶組合形式。[13]

遮陽方式選用外遮陽，設置距離窗戶上沿為300mm的遮陽板，遮陽板長度分別設置為0/500/1000/1500/2000mm共5種長度進行室內采光計算。[14]

表3 不同長度固定遮陽板的室內采光質量評價(來源：筆者自繪)

根據室內采光系數模擬圖和有效采光率數值結果表明，遮陽板長度在0-0.5m范圍內室內有效采光面積相差不大。直射太陽光線對近窗側采光質量影響不大，僅在冬季對遠窗采光有一定程度的衰減。遮陽板長度1.5-2m增大時，室內有效采光率下降最明顯，說明遮陽板長度對于室內采光質量有一定程度的影響。此時，選擇遮陽板長度在0-0.5m范圍內較為合理。

教育建筑的普通教室的采光不應低于采光等級Ⅲ級的采光標準值，即側面采光的采光系數不應低于3.0%[15]。圖5遮陽板長度在0-1.5m范圍內室內采光系數均滿足規范要求。當遮陽板尺寸到達2米時，由于尺寸過大直接阻擋部分光線進入室內，采光質量較差。同時，遮陽板長度過長使得太陽得熱程度深，所以內部需要人工進行能源供給，全年冷負荷降低不明顯，熱負荷提高緩慢，全年總能耗提高顯著。因此，選擇南向水平遮陽板尺寸在0.5-1米之間，效果最好。

圖5 采光系數(DF)匯總圖(筆者自繪)

四、結論

經過上述理論研究及數據模擬，選擇南向水平遮陽板尺寸在0.5-1米之間，窗戶數量為3個且窗戶寬度和高度比小于1的采光口即圖4中的b可以形成相對柔和、均勻度較好的自然光環境方案，此時室內光環境效果最好。

在進行地域性的教室采光環境設計時充分考慮地域性光氣候特征、立面朝向、動態遮陽等因素，可以確保室內光環境在更多的時間內可以達到理想效果。