不同使用時段對中小學教育建筑室內采光及窗墻比模式的影響

杜詩祺，王銘豪，王軼鍇，朱 煒，于文波

(1.浙江大學城市學院,浙江 杭州 310015；2.浙江工業大學建筑工程學院,浙江 杭州 310014)

學校作為學生學習和進行各種活動的主要場所,擁有舒適的光環境可以提高學生的學習效率和教師的工作效率,同時對降低照明所需的能耗也有幫助。在設計過程中,優化中小學建筑的采光環境是必然的趨勢。

目前,大量的研究發現中國許多中小學教室都存在著采光不合理的現象。袁景玉等[1]對教學建筑自然采光問題的現狀進行了總結與分析,提出了教學建筑自然采光需要注意采光均勻、避免眩光等要求；賀棟等[2]從建筑形式、開窗設計和遮陽設施等方面對教學建筑的自然采光進行了優化設計；陳小琴[3-4]、孟超[5]、李春會[6]、王化玲[7]等分別對重慶市、北京市、廣州市和鄭州市的教學建筑進行實地調研后,發現大多數教室窗地面積比不達標,其中：孟超提出了使用自然光控制裝置來調節教室采光；黃子銘[8]針對廣州地區中小學校側窗采光系統進行影響因子的模擬分析,得出了窗高系數對采光效果的影響；衡濤等[9]在天然采光模型的探索實驗中得到當窗墻比為1∶2.5 和 1∶3.0 時,教室內的采光系數較大；當窗墻比為1∶5、1∶4.5、1∶4、1∶3.5 時,教室內采光均勻度較好。

在當前的研究中,缺少針對區分中小學建筑使用功能與使用時間的不同產生對自然采光不同要求的深入研究。本研究在對長江三角洲地區的教學建筑展開的調查中發現：中小學的放學時間存在時間差,多數小學通常在下午15：00—15：30的時間段放學,而中學放學時間則一般是在下午17：00左右。

尋找合適的建筑窗墻形態能為中小學建筑在前期設計中提供更為科學的設計方案,以獲得更好的自然采光環境。

本課題對研究變量結合統計學知識進行高密度的數據分析,針對中小學使用時間段的差異,結合建筑模型模擬,分析窗墻形態組合的優化解。

1 光環境模型的建立及模擬分析

1.1 模型與分析網格

本次研究的模擬對象為一單側開窗的10 m×8 m×3.6 m的標準教室模型。實驗模型類型主要為窗墻比1∶5、1∶4.5、1∶4、1∶3.5、1∶3、1∶2.5, 同時控制窗高分別為 1.6、1.8、2 m,窗地距離0.9 m,共計 18 組模型,見圖1、圖 2。

圖1 18組模型軸測

圖2 模型窗墻形態關系折線

根據中小學建筑的平面布置與桌面座椅間距, 將標準教室劃分成8×6的網格,并選取了其中6×6共36個分析點,見圖3(點1 所在一側為靠窗面)。對分析點使用軟件 DIALUX 分別模擬夏至、秋分、冬至三個極端日期中午12：00、下午15：00、下午17：00時室內 600 mm 高工作面的照度值。軟件選取日照模擬地區為上海地區,時間為北京時間。

圖3 分析網格

1.2 室內照度評價標準

根據標準《建筑采光設計標準(GB 50033—2013)》：上海市教學建筑室內天然光照度的標準值為300 lx，見表1。

表1 各采光等級參考平面上的采光標準值

2 模擬數據分析

將得到的數據繪制成折線圖，見圖4～6(此處挑選了趨勢較明顯的各日期15：00時的分析點照度折線圖)。

由圖4～6可知所有側窗形式,室內工作面照度點之間的關系曲線趨勢總體相似。室內越靠近窗戶的點工作面照度越大,隨著分析點與窗戶的距離增大,照度降低。在距窗戶一定距離的地方照度值存在一個突變,超過突變距離后,室內工作面照度降低幅度減小。

圖4 夏至15：00分析點照度折線

2.1 窗墻形態對采光要求及人眼舒適度的影響

本研究分別將 300 lx與1 000 lx定為閾值,將位于300～1 000 lx(人眼舒適照度范圍：經研究發現,照度過大會對人眼產生眩光、不舒適等現象)的值定為舒適值,低于300 lx的為不適值。將各日期12：00、15：00的分析點照度經計算做成不適率折線見圖7、舒適率折線見圖8；將各日期12：00、15：00、17：00的分析點照度經計算做成不適率折線見圖9、舒適率折線見圖10(不適率=不滿足舒適照度區間的取值點個數/分析點個數；舒適率=滿足舒適照度區間的取值點個數/總取值點個數)。

圖5 秋分15：00分析點照度折線

圖8 12、15 點舒適率

圖9 12、15、17 點不適率

圖10 12、15、17 點舒適率

根據采光不適率折線圖7、圖9可以看出：1∶4.5 與1∶5窗墻比的不適率較高,窗墻比為 1∶2.5 與 1∶3 的不適率較低；窗高為 2 m 時,室內分析點不適率較低。根據舒適率折線圖8、圖10可以看出：1∶2.5的舒適率在夏至最高,但在冬至舒適度較低；窗墻比 1∶3、1∶3.5、1∶4 的雖然在夏至日舒適度略低,但三個日期都比較穩定,且秋分、冬至舒適率明顯高于1∶2.5的窗墻比。在窗高方面,窗高為 2 m 時,室內采光達標率和舒適率越高。

從采光要求同時滿足人眼舒適度綜合考慮,小學宜取2 m窗高和1∶3.5的窗墻比,但由于放學時間早的原因也可以取1.8 m 的窗高,同時選擇1∶3的窗墻比能獲得較好的采光。窗高為2 m、窗墻比為1∶3.5的窗墻形態則最適合中學建筑,窗墻比1∶3和1∶4的次之。

2.2 進深方向上工作面照度的突變

進深方向工作面照度的突變及變換會影響使用者的舒適度。

將2、8、14、20、26、32 共 6 個分析點連接起來研究突變的原因,取秋分日15：00點與17：00的數據做成折線圖,見圖 11、圖12。

圖11 秋分15點突變折線

圖12 秋分 17 點突變折線

從圖11、圖12中可得發生突變的范圍主要為第 2個分析點到第6個分析點,根據分析網格計算發生突變的位置位于距窗邊 2.3 m 內范圍內。

15∶00時,窗墻比為 1∶3.5,窗高為1.8 m的窗墻形態成了照度突變的分界,窗墻比大于 1∶3.5 時,照度突變較大；17∶00點時當窗墻比大于 1∶3.5時,室內進深方向的突變值主要由窗墻比決定,窗墻比越大,進深方向上工作面照度的值的突變程度就越大,當窗墻比小于1∶3.5時,窗高度越大,進深方向突變越小。

因此,從進深方向工作面照度的突變對使用者舒適度的影響情況來看, 小學建筑更適合小于1∶3.5的窗墻比；中學建筑需同時滿足15時與17時進深突變避免過大的情況,可選擇小于1∶3.5的窗墻比,同時可適當調高窗高。

2.3 采光均勻度分析

將各分析點的數據利用采光均勻度公式[10]計算。

C=EW/EN×100%

(1)

式中：EN為在全陰天空漫射光照射下,室內給定平面上的某一點由天空漫射光所產生的照度，lx；

EW為在全陰天空漫射光照射下,與室內某一點照度同一時間、同一地點,在室外無遮擋水平面上由天空漫射光所產生的室外照度，lx。

E=Cmin/Cav×100%

(2)

式中：Cmin為采光系數最低值；

Cav為采光系數平均值。

因距窗邊 6 個分析點在進深方向上存在突變。

本研究分別將 6 個分析點納入均勻度計算與不納入均勻度分別計算繪制采光均勻度折線，見圖13～18。

圖13 夏至未去分析點均勻度折線

圖14 夏至去分析點均勻度折線

圖15 秋分未去分析點均勻度折線

圖16 秋分去分析點均勻度折線

圖17 冬至未去分析點均勻度折線

圖18 冬至去分析點均勻度折線

從圖11、13、15與圖12、14、16對比可以看出,在去掉離窗較近的6個分析點之后,采光的均勻度大大降低,由此可知,窗邊 6 個分析點對整個教室平面的采光均勻度有很大的影響,故在平面布置時不宜在這 6 個分析點附近擺放課桌椅。

對圖11、13、15進行分析：在夏至和秋分時, 隨著窗墻比的變化,采光均勻度無顯著的變化,但隨著窗高度的增大,采光的均勻性也變好。從圖17與圖13、15的對比可以看出,冬至的采光均勻性遠遠沒有夏至與秋分的好。當側窗高為 2.0 m時, 室內的采光均勻性是最好的,且遠遠超過 1.6 m與1.8 m的窗,并不隨窗墻比的改變而浮動,1.6 m 與1.8 m的窗高則對采光均勻度影響不大。

15點時,窗高為1.6 m的室內采光均勻度受窗墻比影響較大且均勻度較低。故在小學建筑的設計過程中建議：在窗高為 1.8 m 時,宜選擇 1∶4.5 的窗墻比,此時室內采光均勻性較好；當窗高為 2 m 時,室內采光均勻度受窗墻比制約因素較小,窗墻比為 1∶3 與 1∶3.5 的效果略好于其他幾組。17點時,2 m 窗高的室內采光均勻度遠大于 1.8 m和1.6 m的窗,故中學建筑宜選擇2 m的窗高。此時,在夏至窗墻比對室內照度均勻性影響不大,在秋分和冬至時受較大影響,1∶4 與 1∶4.5 的窗墻比則在這兩個日期的室內照度均勻性較好。

3 小 結

1)從進深方向工作面照度的突變對使用者舒適度的影響情況來看,小學建筑更適合小于1∶3.5的窗墻比；中學建筑在選擇窗墻比小于1∶3.5的窗墻形態時,同時可適當調高窗高。

2)結合進深方向工作面照度突變與采光均勻度考慮,距窗邊 2.3 m 范圍內不適宜擺放課桌椅。

3)綜合多種因素,小學建筑適合的窗墻比為 1∶3.5,窗高為 1.8 m 左右；中學建筑適合窗墻比為 1∶3.5、1∶4,窗高為 1.8～2 m。

4 不足與展望

1)本文只列舉了幾個常見情況下有代表性的窗墻比及窗高,實際設計過程中則包含更多窗墻形態可能性。

2)本文只考慮了一年中幾個具有代表性的時間節點的工作面照度值。

3)本文并未深入研究自然采光對黑板垂直面上帶來的眩光問題及陽光直射導致工作面產生眩光的問題。