既有居住建筑天然采光優化設計與節能研究

王 陸

（北規院弘都規劃建筑設計研究院，北京 100037）

0 引言

現代化城市建筑朝向大多為南向，在日照時間不變的情況下，南向建筑能夠更好地接收光照熱量，從而提高居民生活環境的舒適度。隨著群體生活水平的提高，人們對居住質量和居住環境舒適性的要求越來越高，越來越多的建筑開發商開始注重居室內采光設計，并積極探索冬季開窗或窗內溫度降低時，如何合理利用天然采光等方法對室內溫度進行宏觀調控。下述將以某地區既有居住建筑為例，進行建筑天然采光的優化設計，以期通過該方式，提高建筑的綜合節能效能。

1 既有居住建筑所在地區地理氣候特點

所選的建筑項目位于城市郊區，具有地勢平坦的特點。項目概況見表1。

表1 項目概況

該建筑所在地的小區為拆遷小區，小區內的居住群體大多為老年人。在對地區老年人進行走訪與調查時發現，老年人的白天居家時間更長，因此，更需要一個適宜的居住環境與良好的采光環境。為優化現有工作，需要在設計前，考察項目所在地，掌握該地區的氣候特征。

該建筑項目所在地的氣候特征見表2。

表2 建筑項目所在地的氣候特征

2 既有居住建筑天然采光優化設計

2.1 合理選擇既有居住建筑遮陽結構

當前大部分既有居住建筑采用窗簾進行遮光、遮陽，方式較為單一[1]。窗簾能起到很好的遮蔽作用，但也能擋住屋內的視線。建筑遮陽設備可以防止刺眼的光和過度的光照，不妨礙所有的光進入，同時也不會影響內部的視線[2]。建筑遮陽方式包括水平式、垂直式、綜合式以及擋板式等多種類型。針對遮陽類型的選擇，需要結合建筑朝向以及其他相關影響因素，綜合選擇采光系數最高的遮陽類型。圖1為4種常見遮陽類型示意圖。

圖1 四種常見遮陽類型示意圖

針對不同的遮陽方式，其外遮陽系數應符合下述等式關系，如公式（1）和公式（2）所示。

公式（1）為水平遮陽板的外遮陽系數計算公式；公式（2）為垂直遮陽板的外遮陽系數計算公式。式中：SDH為水平遮陽系數；SDv為垂直遮陽系數；ah、av、bh、bv為計算系數；PF為遮陽板外挑系數；當PF為大于1的數時，計算中PF取值為1。通常情況下，在朝向均為南，其他影響因素不變的情況下，水平式遮陽結構的遮陽效果最優，其次為垂直式遮陽結構。窗戶是既有居住建筑的主要通風和采光口，不同材質的窗體在不同的空間中，其透射率和反射率不同，因此自然采光效果不同[3]。在優化既有居住建筑遮陽設施結構以后，還可以通過更換窗戶玻璃的方式優化既有居住建筑天然采光。窗戶玻璃材料的透射比越大，則室內采光系數和動態采光平均數都會增加[4]。因此可以將當前建筑中使用的不滿足要求的窗戶玻璃更換為具有更大透射比的玻璃，例如雙層LOW-E玻璃，其透射比可高達0.78，將該材質的玻璃安裝在窗戶上，可以提高進入室內的天然光量。

2.2 基于內外反光板布設的建筑節能優化設計

為進一步優化既有居住建筑節能效果，優化建筑天然采光效果，提出增設內外反光板的設計措施。設計中應注意反光板的安裝位置要比人的眼睛高，即安裝在燈光孔的內部或外部。反光板需要使用不同的材質，如木材、金屬和玻璃等材料制成，如果發光板具有較高的反射比，就能夠將更多的光量反射到室內[5]。同時，在夏天，反射鏡可以有效地遮擋陽光的高角度，起到遮擋陽光的效果，從而減少了室內的熱量，減少了空調的能量消耗，并防止了可能的眩光。在冬天，反光板能將低角度的陽光反射到室內，從而提高“光量”，提高室內需要的熱[6]。圖2為反光板布置位置示意圖。

圖2 反光板布置位置示意圖

按照圖2所示確定布置位置，在此基礎上，為確保內外反光板布設符合采光要求，需要對其遮蓋率進行合理設置。遮蓋率計算如公式（3）所示。

式中：α為反光板的遮蓋率；RB為測量探頭移至試樣的黑色工作面上顯示器中所顯示的數值；RW為測量探頭移至試樣的白色工作面上顯示器中所顯示的數值。根據得出數值，調節反光板的遮蓋率，防止出現反光板設置后室內光線亮度過高或過低的問題。

反光板根據其不同設置方式可分為外反光板和內外反光板，不管安裝有外反光板或內外反光板，極大程度地改善居住建筑內部的光照均勻性，這就意味著安裝反光板可以改善既有居住建筑內部的照明均勻性，并且，安裝外反光板比設置內外反光板的均勻度更高[7]。該設計使用鋁板作為反光板，模擬反光板的設計方式，對建筑采光的影響見表3。

表3 反光板的設計方式對建筑采光的影響

2.3 創新增設導光管系統

導光管也可稱為光導照明裝置，其組成部分包括采光區、傳輸區和漫射區。圖3為導光管系統結構圖。

圖3 導光管系統結構圖

在采光區戶外裝置采用投影或折射的原理來采集自然光線，并把它們導入系統中。在傳輸區，導光管內壁能實現近乎完全的反射，并能在光道中實現長距離高效率地傳輸光線。在漫射區，把采集的光均勻散射到需要照明的區域，增加了室內的光照均勻性。同時，該系統在不需要供電的情況下可以正常運行，既節省了能源，又減少了電力使用的安全風險。針對既有居住建筑在有無導光管系統的情況下室內采光效果進行分析，見表4。

表4 增設導光管系統前后既有居住建筑采光效果

從表中數據可知，在增設導光管系統后，無論是采光系數、動態采光平均時數等均明顯提升，說明創新增設導光管系統能夠提高采光效果，進而體現既有居住建筑的節能性。

除此之外，室內裝飾材料也會在一定程度上影響既有居住建筑的天然光采光效果。當室內裝飾的反射比增加時，室內采光系數和動態采光平均值都會隨之增加。此時根據實際室內采光情況，針對不符合要求的室內頂棚應當更換為反射比更大的白色乳膠漆，其反射比可達到0.83。當室外自然光進入室內時，其中的一部分會被地面反射，然后被地面反射到不同的地方[8]。因此地板的反射比也會在極大程度上影響到室內天然采光，基于此將地板換為具有更大反射比的淺色木地板，以優化天然采光效果。由于墻體裝飾材料的改變，室內采光的采光系數值、采光達標率以及室內動態照明時數都沒有發生改變，說明墻體裝飾材料的差異對室內自然采光的影響較小，因此在對既有居住建筑進行室內采光優化時，墻體裝飾材料并未列入優化措施。

3 優化前后既有居住建筑天然采光與節能效果分析

根據上文提出的工程項目可知，此既有建筑群居群體為老年人，與青年人相比，老年人白天在家時間更長，因此更需要充足的光照為其提供適宜的居住環境。

因此，除上述提出的內容，可以通過設置玻璃幕墻、金屬構件、玻璃隔斷等方式，形成建筑內自然光“天幕”空間，實現多個自然光區域相互交織形成“天幕”，增加建筑內自然光的引入量。為滿足建筑整體的采光優化設計需求，應在設計中，充分利用各空間部位的自然光資源，根據居住功能需求，對各房間自然光分布進行充分設計引導，通過改變窗戶方向，增大自然光導入量與引入量，從而提高窗戶周圍空間自然光散射作用。

3.1 優化前后建筑內部走廊自然光照度變化情況

完成以上設計后，隨機選擇某天，在完成設計規劃的建筑走廊進行一系列的采光測試。在測試過程中，輔助使用ST-92照度計，沿著測試區域的中心線方向，布置測點，要求測點的間距為3000 mm，測試的高度為150 mm。通過以下計算公式，實時計算測點位置的照度，如公式（4）所示。

式中：E為測點照度；φ為光通量；n為光源數量；N為照明燈具數量；MF為照明燈具在使用中的維護系數；UF為照明燈具的利用系數；A為燈具的有效照明面積。

根據測試當前的氣候情況可知，當日氣候為晴間多云，整理沿走廊方向的自然光照度變化情況，如圖4所示。

從圖4可知，優化后建筑走廊空間的照度顯著增加，說明優化后建筑整體采光效果更佳。

圖4 沿走廊方向的自然光照度變化情況

3.2 優化前后建筑能耗情況統計

在該基礎上，對建筑采光優化前與采光優化后的能耗情況進行統計，其結果見表5。

表5 建筑采光優化前與采光優化后的能耗情況

4 結論

根據上述研究，得到以下3個結論：1）根據沿走廊方向的自然光照度變化情況可知（圖4），優化后，相同測點位置的自然光照度增加，說明優化設計后，建筑走廊的采光更佳。2）根據表5建筑采光優化前與采光優化后的能耗情況可知，優化后的建筑能耗降低，證明采油優化設計可以起到控制建筑耗能的作用。3）為進一步優化建筑天然采光，可從以下幾個方面進行建筑自然采光的持續深化設計：對陽光照射性能好的屋頂，可以采用大面積的玻璃窗作為裝飾，以達到增加室內采光效果的目的；為了提升建筑物的陽光照射性能，可在屋頂上設置2層以上的玻璃窗，進一步加強自然光的光照。提供建筑自然采光能力是未來我國建筑行業的關注與研究重點，在后續的工作中，將加強對建筑項目所在地的氣候條件調研，結合實際情況，設計優化的自然采光方案，以提供居民更適宜的生活與居住環境。