基于動態采光評價的綠色住宅自然采光設計研究

劉 宇，祝 捷，閆靜靜，程嗣閑，沈晶晶（天津大學建筑設計研究院， 天津 300073）

隨著社會經濟的發展與生活水平的提高，人們對于居住環境的要求日益增加。其中，住宅的自然采光是否良好是居住者關心的重要內容之一。自然采光直接影響了居住環境的品質，良好的自然采光可以提供充足的照明，節約能源。同時，自然采光營造的光環境采光均勻、照度適宜，對居住者的生理健康、心理健康有積極影響。在綠色建筑蓬勃發展的今天，自然采光的好壞已經成為判斷住宅綠色建筑性能的重要指標，伴隨著模擬技術的發展，住宅自然采光設計要求變得更為合理與精確。如何更好地對住宅自然光環境進行設計，成為設計師關注的問題。

1 采光標準要求

1.1 采光評價標準的發展

2001 年 11 月 1 日，GB/T 50033—2001《建筑采光設計標準》開始實施。該標準是在 GB 50033—1991《工業企業采光設計標準》的基礎上，總結居住和公共建筑采光的經驗，并參考國內外采光標準制定的。2013 年 5 月 1 日，GB 50033—2013《建筑采光設計標準》正式執行，由推薦性標準轉變為強制性標準, 其中，對于臥室、起居室的采光要求規定為強制性條文。在綠色建筑評價方面，早在 2006 年，我國第一版 GB/T 50378—2006《綠色建筑評價標準》中，已經把臥室、起居室等住宅使用空間的采光系數作為控制項要求進行評價。在后續 2014 版中將這些空間的自然采光評價要求進行了簡化，通過規定窗地面積比來保證居住空間的采光性能。至 2019 版評價標準，在評分項中提出了住宅建筑室內主要功能空間≥60 % 面積比例區域 ，其采光照度值≥ 300 lx 的小時數，平均采光時間≥8 h/ d。相比較之前的標準，新版評價標準對滿足照度要求的時長做了規定。這種將全年中建筑空間各位置滿足采光照度要求的時長來進行采光效果的評價，稱為動態采光評價。

1.2 不同采光評價指標的對比

在國外其他評價體系中，如 LEED、WELL 采用年陽光照射度（ASE）與空間日照自足指數（sDA）動態采光分析指標來評價自然采光的效果。國內 T/ASC 02—2016《健康建筑評價標準》中對公共建筑自然采光評價也基于動態采光評價做出了要求，如表 1 所示。隨著標準的發展，使用動態采光評價作為自然采光評價指標逐漸被采用，并成為一種趨勢。

1.3 動態采光評價的優點

傳統的靜態采光評價方法是考慮最不利的全陰天條件下，通過設定室外臨界照度，對室內采光系數進行計算，其結果與建筑空間形態、開窗尺寸及建筑材料光學性能有關，無法體現太陽輻射照度、建筑朝向等因素對于建筑采光的影響。實際上，室外光環境的情況是不斷變化的。動態采光評價以建筑室外年度太陽輻射照度數據為基礎，計算建筑內部連續時間段內照度值并進行統計。動態采光評價除體現了空間形態、開窗尺寸及材料光學性能外，還可以有效地反映出建筑的朝向、不同時間、地點以及當地的天氣情況等影響因素對室內光環境的影響，可以更加真實地對自然采光的效果進行評價。

表 1 不同標準住宅自然采光評價指標

2 自然采光影響因素模擬分析

2.1 模型的建立與模擬條件

目前城市住宅以多層、高層為主，其中面寬小、進深大的單開間、雙開間戶型整體自然采光效果較差，且建設量大。因此，模型選擇典型的雙開間 H 戶型為研究對象，如圖 1 所示。選用綠建斯維爾軟件 Dali 2020 進行采光分析。為突出使用動態采光評價對住宅自然采光影響因素的變化，在動態采光評價的同時，對比模擬相同情況下靜態采光評價的情況。

圖 1 模擬選用戶型

由于動態采光分析受地點影響較大，即使相同的光氣候分區，在氣象數據、緯度等條件影響下結果也有不同。為了減少變量，選擇天津為模擬地點。計算參數按照 JGJ/T 449—2018《民用建筑綠色性能計算標準》執行，反射比取值地面 0.3，墻面 0.6，頂棚 0.75，外表面 0.5，窗體選用雙層塑鋼窗，結構擋光系數 0.55，選用高透 Low-E 玻璃，玻璃透射比 0.76。

2.2 戶型空間影響因素分析

在不考慮周邊遮擋情況下對選用戶型進行靜態采光分析與動態采光分析，分別見圖 2 及圖 3。總體來看，較大進深的空間，自然采光效果不佳。在靜態采光分析情況下，起居室、臥室、書房的大部分空間滿足采光系數＞2.0 的要求，整體達標面積比例為 70%。在動態采光分析情況下，起居室、臥室等主要居住空間照度值≥300 lx，且時長＞8 h 的空間面積較少，對多個房間統計時利用面積加權進行統計。在天津地區氣象數據下，3～9 月的自然采光情況較好，全年平均時數 6.0 h/d。通過比較可知，靜態采光評價達標區域采用動態采光評價不一定滿足，動態采光評價下，選用戶型的自然采光有效時長較難滿足要求。

圖 2 選用戶型靜態采光分析

圖 3 選用戶型動態采光分析

如圖 4 所示，為了分析居住空間的面寬、進深及凸出遮擋對自然采光效果的影響，對選用戶型進行空間優化。保持戶型開窗面積不變，適當增加戶型面寬，減少進深，同時縮小陽臺尺寸，橫向設置空調機位，減少南側起居室凸出陽臺對兩側臥室的遮擋。如圖 5 所示，優化后的戶型，全年平均時數 6.3 h/d，自然采光情況得到改善。南向兩側臥室，在降低南側起居室陽臺遮擋后，采光效果改善明顯。

圖 4 戶型空間優化

圖 5 優化戶型動態采光分析

2.3 規劃布局影響因素分析

為研究動態采光評價下不同規劃布局的影響，選取對采光遮擋較大的行列式布局為研究對象，對選用戶型進行組合，模型層高 2.8 m，層數 11 層，高度 30.8 m。按日照系數 1.5 確定建筑間距，模擬地點選擇天津。由于目前規劃布局主要受到日照時數的限制，首先模擬行列式布局中并列式、錯列式、斜列式下日照時數的情況，在滿足大寒日 2 h的日照標準的前提下，其中錯列式、斜列式（南偏東 15°）的方式可以減少住宅間的遮擋，增加日照時數。

在此規劃布局的基礎上，繼續分析不同規劃布局、不同位置的選用戶型室內自然采光情況，如表 2 所示。由于靜態采光分析反映的是全陰天條件下天空漫反射的室內照度，規劃布局對于靜態采光分析的影響多表現在周邊遮擋上。因此靜態采光分析下，除并列式 2，由于西側遮擋較多造成室內采光情況較差外，其余情況室內采光情況受規劃布局影響不大。動態采光分析以室外年度太陽輻射照度為基礎，在不同的規劃布局下，除受周邊遮擋影響外，室內采光情況受朝向影響變化很大。對比日照時數分析，較并列式，錯列式與斜列式獲得的日照時數更多。但是在動態采光模擬中，斜列式并沒有改善室內自然采光情況，年平均時數甚至低于并列式。這是由于在斜列式布局雖然增加了日照時數，但是有效的太陽輻射照度并沒有增加，因此對于規劃布局來講，合理提高室內太陽輻射照度，是改善室內采光環境的關鍵。

表 2 規劃布局對于室內采光的影響

2.4 窗體及裝修材料影響因素分析

除受戶型空間、規劃布局影響外，窗的選擇是影響室內自然采光的關鍵。影響因素包括窗的面積、窗結構的擋光折減系數、玻璃的透射比、污染折減系數等。由于住宅設計需權衡考慮節能、隔聲、采光等多方面的要求，窗的面積往往受到限制，因此提高窗的采光性能對于提高自然采光意義重大。在影響窗采光性能的參數中，由于節能要求，多選中空玻璃，透射比變化幅度較小，所以相比而言窗結構的擋光折減系數影響較大，如圖 6 所示。將窗體選為雙層鋼窗，結構擋光系數 0.65，對比模擬結果全年平均時數由 6.0 h/d 提高為6.8 h/d，自然采光效果明顯提高。

圖 6 窗結構的擋光折減系數優化

GB/T 50378—2019 中對星級綠色住宅要求全裝修交付，因此不同裝修材料反射比對于室內采光效果的影響應該納入設計思考范疇。根據裝修材料重新定義選用戶型室內反射比，地面選用淺色木質地板（反射比 0.58），墻面白色乳膠漆（反射比 0.84），頂棚選用石膏板吊頂（反射比0.91），如圖 7 所示。對比模擬結果全年平均時數由 6.0 h/d提高為 7.2 h/d。

圖 7 裝修材料反射比優化

3 結 語

通過上述分析可以看出，動態采光評價受到影響因素較多，較靜態采光評價，有效采光時長的要求對住宅自然采光設計提出了更高的要求。在住宅自然采光設計中應充分考慮各種影響因素，進行自然采光設計的優化，主要途徑有以下幾點。

（1）戶型設計注意面寬與進深的比例。進深較大處自然采光效果不理想，適當的增加面寬有助于提高室內自然采光效果。

（2）注意控制立面造型的凸凹變化，突出的陽臺、空調機位部分有可能對室內空間造成遮擋，影響室內自然采光效果。

（3）建筑朝向對于自然采光影響較大，在規劃布局中，增加日照時數未必可以提高室內自然采光效果，需綜合考慮不同時間段內太陽輻射照度的影響，選擇有利于室內自然采光的朝向。

（4）在窗戶面積、玻璃種類較固定的情況下，可以通過選用窗結構的擋光折減系數較大的產品改善室內自然采光效果。

（5）室內裝修材料反射比對于自然采光的影響明顯，選用顏色較淺、反射比較大的裝修材料，有利于住宅的自然采光。