不同采光頂形式的建筑光環(huán)境模擬分析

金 姍

(沈陽(yáng)建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168)

采光頂作為改善進(jìn)深大建筑室內(nèi)采光的一項(xiàng)有效技術(shù)措施，近年來(lái)應(yīng)用越來(lái)越廣泛。玻璃采光頂是一種以改善室內(nèi)光環(huán)境為主要目的的建筑屋頂?shù)慕ㄔ煨问剑捎诓晒忭斁哂幸曈X(jué)效果佳、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、減少燈光布置等優(yōu)點(diǎn)，在公眾建筑設(shè)計(jì)中很受設(shè)計(jì)師歡迎，出現(xiàn)頻率極高，其中最主要的應(yīng)用場(chǎng)所有商場(chǎng)、體育館、火車站等。不同的采光頂形式下的室內(nèi)光環(huán)境有著一定的差別，本文探究平頂型、穹頂型、坡型3種形式下采光頂?shù)氖覂?nèi)光環(huán)境的差異，選擇適合該建筑的最佳的采光頂形式。

1 模型建立

本文以沈陽(yáng)市某具有采光頂結(jié)構(gòu)的商場(chǎng)為原型，該原型的建筑尺寸為長(zhǎng)140m，寬100m，高22.5m，共5層，1～5層層高均為5.5m，建筑總面積14000m2，體型系數(shù)為0.123，通過(guò)查閱公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，該建筑屬于甲類公共建筑，規(guī)范對(duì)每一類型的建筑都有各自的要求，該類建筑每一面的窗墻比應(yīng)≤0.6，若屋頂有透光部分，則該部分的建筑面積應(yīng)小于屋頂總面積的20%。該建筑采光頂尺寸為長(zhǎng)35m，寬25m，具有2個(gè)尺寸相同的采光頂，采光頂總面積為1750m2，滿足節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，內(nèi)部結(jié)構(gòu)為具有不同功能類型的房間若干個(gè)，每個(gè)房間各自獨(dú)立，側(cè)墻不透光，基礎(chǔ)設(shè)施完善。

1.1 模擬條件設(shè)置

1.1.1 模擬條件設(shè)置

冬至日為全年中太陽(yáng)高度角最小，太陽(yáng)光掃過(guò)的面積也是最小的，所以冬至日為最不利條件，該天滿足條件，則全年都可滿足。

1.1.2 玻璃材質(zhì)選擇

玻璃的熱工性能對(duì)采光頂有直接的影響，目前市場(chǎng)上大多數(shù)普通玻璃的熱工性能較差，所以有很大的可能會(huì)在玻璃表面產(chǎn)生露水，而且北方冬季室內(nèi)外的溫度差比較大，普通玻璃的內(nèi)表面極易達(dá)到空氣的露點(diǎn)溫度而產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象，從而產(chǎn)生冷凝水，冷凝水對(duì)玻璃有著極強(qiáng)的腐蝕作用，故為避免該種不利情況產(chǎn)生，結(jié)合大量文獻(xiàn)，找到解決方案為增加玻璃的層數(shù)，采用復(fù)合中空玻璃來(lái)提高采光頂?shù)臒峁ば阅堋８鶕?jù)規(guī)范規(guī)定，該類建筑的采光頂玻璃材質(zhì)的傳熱系數(shù)應(yīng)≤2.3，側(cè)窗玻璃材質(zhì)的取值為≤1.7。具體參數(shù)如下：選取中空夾層玻璃，傳熱系數(shù)K=2.3，側(cè)窗玻璃的傳熱系數(shù)K=1.5。

1.1.3 墻體、屋面材質(zhì)設(shè)置

通過(guò)查閱相關(guān)規(guī)范，得到該地區(qū)該類建筑的各項(xiàng)參數(shù)的規(guī)定值，甲類公共建筑嚴(yán)寒C區(qū)，外墻材質(zhì)的傳熱系數(shù)應(yīng)≤0.43，屋面材質(zhì)的傳熱系數(shù)應(yīng)≤0.35。具體參數(shù)見(jiàn)表1、表2。

表1 墻體參數(shù)設(shè)置

表2 屋頂參數(shù)設(shè)置

1.2 建立模型

根據(jù)上述模擬條件，采用Ecotect軟件建立數(shù)學(xué)模型，Ecotect是一項(xiàng)可持續(xù)建筑設(shè)計(jì)分析軟件，Ecotect軟件可以對(duì)室內(nèi)的光環(huán)境進(jìn)行詳細(xì)的分析與計(jì)算，可設(shè)置多種不同工況，模擬不同情景，同時(shí)可以得到采光系數(shù)、光照時(shí)間等室內(nèi)光環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)。

在建筑中，由于太陽(yáng)在天空中的位置無(wú)時(shí)無(wú)刻不在變化，而且不確定因素干擾較多，光環(huán)境極其復(fù)雜，若對(duì)建筑每個(gè)時(shí)間段都進(jìn)行模擬工作量很大，故模型的采光分析中采用的是最不利的情況進(jìn)行采光分析，最不利情況為陰天情況，模型建立如圖1～3。

2 室內(nèi)光環(huán)境模擬

本文分析的室內(nèi)光環(huán)境主要從以下3個(gè)方面來(lái)評(píng)價(jià)，分別為采光系數(shù)、光照時(shí)間、光照均勻度。

通俗來(lái)講，采光系數(shù)是指在有遮擋建筑物里的某一點(diǎn)，與室外同一水平面無(wú)遮擋的同一點(diǎn)，在同一時(shí)間接收到太陽(yáng)照度的比值。某一平面上的一點(diǎn)，受太陽(yáng)光照射的時(shí)間稱之為光照時(shí)間。光照均勻度是參考平面上的采光系數(shù)最低值與平均值之比。

2.1 室內(nèi)光環(huán)境評(píng)價(jià)方法

根據(jù)上述3個(gè)室內(nèi)光環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)，查閱相關(guān)文獻(xiàn)及規(guī)范，整理得到具體限制值，如表3。

表3 采光等級(jí)對(duì)應(yīng)采光系數(shù)表

按照規(guī)范規(guī)定，工業(yè)建筑以距離地面1m為基準(zhǔn)面，民用建筑選取的基準(zhǔn)面為距離地面0.75m，公用建筑以地面為基準(zhǔn)面。本建筑類型為公共建筑中的商業(yè)建筑，故選取每一層的地面為確定采光系數(shù)的基準(zhǔn)面，采光系數(shù)最高不宜超過(guò)7%。光照時(shí)間理論上不小于2h。

對(duì)于具有頂部采光需求的建筑，每一等級(jí)的光照均勻度均應(yīng)≥0.7。

2.2 采光頂形式對(duì)光環(huán)境的影響分析

運(yùn)用軟件分別對(duì)平頂型采光頂、圓弧型采光頂以及坡型采光頂進(jìn)行模擬，在保證其它條件都相同的情況下，通過(guò)改變采光頂?shù)男问綄?duì)具有不同類型采光頂?shù)慕ㄖM(jìn)行光環(huán)境模擬分析，分別對(duì)采光系數(shù)、光照時(shí)間、光照均勻度進(jìn)行模擬對(duì)比分析。通過(guò)模擬，得出的模擬結(jié)果見(jiàn)圖4～6。

圖4 測(cè)點(diǎn)10采光系數(shù)變化 圖5 測(cè)點(diǎn)10光照時(shí)間變化 圖6 光照均勻度變化

3 光環(huán)境模擬分析結(jié)果

從以上采光系數(shù)、光照時(shí)間、采光均勻度的數(shù)據(jù)整理來(lái)看，平型采光頂、圓弧形采光頂、坡型采光頂?shù)牟晒庀禂?shù)大致相同，沒(méi)有特別大的變化，隨著樓層的增加，采光系數(shù)不斷增加，3種形式的采光系數(shù)較規(guī)范規(guī)定超出一小部分，應(yīng)采用適當(dāng)?shù)恼陉?yáng)手段進(jìn)行調(diào)節(jié)；從光照時(shí)間上來(lái)看，每一層的光照時(shí)間隨著樓層的增加不斷增加，這是由于樓層越高，陽(yáng)光的散射越大，光照時(shí)間更長(zhǎng)，3種形式的采光頂中，平頂型采光頂?shù)墓庹諘r(shí)間要優(yōu)于圓弧形采光頂和坡型采光頂；圖6是采光均勻度的數(shù)據(jù)整理圖，每一層分別取了256個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行采光均勻度的分析，得出的結(jié)論為平頂型采光頂和坡型采光頂?shù)木鶆蚨认噍^于圓弧形采光頂?shù)囊茫粚拥牟晒饩鶆蚨认噍^于其它層來(lái)說(shuō)較好,這是由于一層距離采光頂較遠(yuǎn)，接收到陽(yáng)光有限，與其它沒(méi)有采光頂?shù)奈恢媒邮盏降年?yáng)光大致相同。

綜上所述，平頂型采光頂與坡型采光頂?shù)氖覂?nèi)光環(huán)境與圓弧形采光頂相比較好，從整體數(shù)據(jù)來(lái)看，平頂型采光頂更加適合該建筑模型。