大進深農(nóng)村住宅采光數(shù)值模擬與優(yōu)化研究*

王民治 李 偉 林 耕

(天津城市建設學院規(guī)劃與建筑系，天津 300384)

1 引言

隨著我國村鎮(zhèn)城市化進程的加快，有關(guān)農(nóng)村住宅的設計與研究也愈加顯得重要。作為住宅室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的重要組成部分，采光尤其受到農(nóng)村住宅用戶的重視。本文以天津薊縣邦均鎮(zhèn)某具有封閉中庭的大進深農(nóng)村住宅為例，利用數(shù)值模擬方法對該住宅的采光現(xiàn)狀、存在問題以及采光優(yōu)化方案進行了模擬與比較分析，提出了有關(guān)該類型農(nóng)村住宅采光設計的一些建議，從而為農(nóng)村住宅采光設計提供量化的數(shù)值參考依據(jù)。

2 實例現(xiàn)狀概述

該住宅位于天津薊縣邦均鎮(zhèn)三百戶村，該村人口集中，大約1600人。該村鎮(zhèn)住宅布局比較集中，大都擁有一個庭院，并圍繞庭院布局各生活生產(chǎn)房間，多南北朝向布置起居和臥室 (如圖1所示)，東西朝向布置一些輔助用房。

由于該戶人口較多，需要足夠數(shù)量的使用房間以滿足其日常生活起居。實際中，該住戶采用了加大進深的辦法以增加功能房間的數(shù)量，而沒有采用其他方法。究其原因:一是因為二層或三層小樓房住宅形式會增加土建成本預算，同時也會對鄰戶或者后方住宅人家產(chǎn)生遮擋;二是因為當?shù)鼐用竦纳盍晳T，平房形式的住宅符合住戶的日常生活起居習性，其他形式的住宅還不能滿足住戶的需求。因此，在符合基本生活模式的住宅形式基礎(chǔ)上，住戶加大了房屋的進深以獲得足夠量的主要使用房間數(shù)。

圖1 實例住宅平面及實景照片與軟件模型

平面房間布置上，門廳、過廳和穿套空間構(gòu)成到達各房間的交通線路 (如圖1所示)，門廳左側(cè)是三個南北向延伸的臥室;門廳右側(cè)中部是兩個小臥室;小臥室北向是兩個儲藏空間，南向為家庭起居室;起居室右側(cè)是廚房、餐廳等一些輔助空間。由于該實例住宅主要使用房間的平面功能相對復雜，房間較多。因此，在空間劃分的同時，如果不做出相應的處理，勢必會造成一些房間的自然采光差的局面。

為解決中部主要使用房間的采光問題，該住戶采用了以下措施:①通過利用密閉式采光中庭 (如圖2所示)來增加和改善室內(nèi)部分主要使用房間的自然采光，如臥室2、臥室3和臥室4受到中庭采光的影響;再如中庭右側(cè)的雜物間1亦是受到中庭空間的采光影響。②利用開啟局部小天窗來解決和處理部分使用房間光線不足的情況。如廚房的位置，由于餐廳和廚房的南北縱深方向上設計進深較大，廚房僅僅依靠南向餐廳來獲得自然光照是很微弱的，需要增加室外自然光照或是增加人工照明。然而，正是因為廚房和雜物間2的屋面位置分別開啟了小天窗 (如圖2所示)，使得在補充和改善室內(nèi)原有采光方面起到了顯著的效果。③利用隔墻上窗洞口 (如圖1所示)補充采光。為補充臥室2和臥室3的采光量，在南向臥室1和臥室2的隔墻上加開了窗戶，以此來增加臥室2和臥室3的采光量。

圖2 實例住宅中的天窗

3 室內(nèi)采光現(xiàn)狀數(shù)值模擬與分析

為進一步了解該住宅室內(nèi)房間的采光情況，我們利用數(shù)值模擬的手段對各個房間的采光情況進行了模擬分析。作為目前室內(nèi)采光分析中一種十分重要的手段［1～2］，數(shù)值模擬具有靈活性強、準確性高的特點，是一種較為先進的采光分析方法。我們采用的模擬軟件為英國IES建筑性能集成化分析軟件(IES VIRTUAL ENVIRONMENT，版本:6.2)。該住宅各房間模擬后室內(nèi)現(xiàn)狀采光 (如圖3所示)，其各房間現(xiàn)狀采光系數(shù)最低值如表1所示。

圖3 室內(nèi)房間采光模擬結(jié)果

表1 室內(nèi)各房間采光模擬數(shù)值

從上面表格可以看出，多數(shù)房間是滿足我國采光設計標準中對于主要使用房間采光系數(shù)最低值的規(guī)定的，只有少數(shù)房間沒有達到采光設計標準要求。

為了分析采光中庭對該住宅采光效果的影響，我們還模擬了該住宅不設采光中庭時的各主要使用房間的采光情況，即通過在軟件建立的模型中把采光中庭上方的高側(cè)窗取消 (只留中庭北向的高側(cè)窗)的情況。其模擬結(jié)果如圖4所示。此時，受到中庭空間影響的各主要使用房間如臥室2、臥室3和臥室4的采光系數(shù)最低值分別為0.26%、3.41%、0.11%。

圖4 取消中庭高側(cè)窗后的采光模擬結(jié)果

通過對模擬結(jié)果的比較可以看出:臥室2在有中庭高側(cè)窗采光情況下，模擬得出該房間采光系數(shù)最低值是0.45%，取消中庭高側(cè)窗 (只留下北向高側(cè)窗)后，模擬得出該房間的采光系數(shù)最低值變?yōu)?.26%。存在中庭采光時臥室2的采光系數(shù)最低值要比無中庭采光時高出73%，因此，采光中庭的存在，對于該大進深住宅中一些主要使用房間的采光量增加的效果是顯著的。是一種較好的處理部分主要使用房間采光量不足的方法，具有改善該大進深住宅室內(nèi)采光質(zhì)量的實際意義。

4 中庭及北臥室采光優(yōu)化與模擬分析

(1)中庭采光優(yōu)化模擬分析

中庭的使用在改善實例住宅局部主要使用房間的采光方面是有其積極意義和作用的，但該采光中庭所采用的高側(cè)窗，對于中間臥室2和臥室4的采光量的補充是有限的。在分析中間臥室2和臥室4采光不足的原因時，我們認為一方面是由于臥室2西向無法開窗 (與其他戶公用隔墻)和臥室4處于中部的現(xiàn)狀導致;另一方面是由于受到中庭高側(cè)窗的位置和開窗形式的限制所導致。我們在對中庭高側(cè)窗改造時，是在不改變原中庭高側(cè)窗的總面積之和的前提下 (留有中庭北向的高側(cè)窗)，在模擬模型中將中庭的采光口改為平天窗的形式，并進行了采光數(shù)值模擬，結(jié)果如如圖5所示。此時，受中庭影響的各主要使用房間如臥室2、臥室3和臥室4的采光系數(shù)最低值分別為0.57%、3.36%、0.42%。

圖5 中庭采用平天窗后的采光模擬結(jié)果

通過對中庭改造優(yōu)化前后的模擬結(jié)果比較可以看出:臥室2在采用原中庭高側(cè)窗采光情況下，模擬得出該房間采光系數(shù)最低值是0.45%，中庭優(yōu)化后模擬得出臥室2采光系數(shù)最低值變?yōu)?.57%。中庭優(yōu)化后的臥室2的采光系數(shù)最低值比原有現(xiàn)狀臥室2的采光系數(shù)最低值提高了27%。由此看出，優(yōu)化后的采光中庭對于該大進深住宅中一些主要使用房間的采光量增加的效果是十分明顯的。

(2)北向房間采光優(yōu)化

原有北向臥室3(如圖1所示)開啟了兩個大小相同的北向采光口，該房間的采光系數(shù)最低值為4.52%，遠超過采光標準中對于臥室1%的采光系數(shù)最低值的規(guī)定。我們在對該房間采光口進行優(yōu)化設計時，采用了兩種方案:方案1在所建立的模型中將臥室3的兩個窗洞口減為一個，且中庭采光口形式不變。模擬后得到該房間的采光系數(shù)最低值變?yōu)?.32%，能夠滿足采光標準的規(guī)定，但下降幅度較大。方案2臥室3依然只保留一個窗洞口，將采光中庭的采光口改為上文中提及的平天窗形式，此時得到該房間的采光系數(shù)最低值變?yōu)?.36%，比方案1的數(shù)值提高了近50%。由此我們可以進一步看出，采用平天窗的中庭的采光效果更好，同時，采用平天窗后，減少了北向房間窗戶的開啟，在充分保證采光效果同時，對圍護結(jié)構(gòu)的節(jié)能也是十分有利的［3］。

5 結(jié)論

首先，大進深農(nóng)村住宅采用中庭采光是一種較好的解決采光問題的方法，我們通過對比分析得出:受到中庭采光影響的臥室2、臥室3及臥室4等主要使用房間，采用中庭采光對這些主要使用房間采光的補充和增加效果是十分明顯的。

其次，本案例中沿中庭東西側(cè)布置的房間，當中庭采用平天窗采光時，房間的采光效果更好:在不改變采光口面積的前提下，中部及北向主要使用房間的采光系數(shù)值提高了約30%。

最后，以北臥室3為例，利用數(shù)值模擬的方法提出了優(yōu)化房間采光口的設計，即利用數(shù)值模擬分析手段提供采光口大小和形式的量化數(shù)值的參考，在確保主要使用房間采光較好的前提下，最大限度地減少外圍護結(jié)構(gòu)窗洞口的開啟，從而達到采光與節(jié)能一體化的效果。

［1］Danny H.W.Li，Ernest K.W.Tsang.An analysis of daylighting performance for ofice buildings in Hong Kong.Building and Environment 43(2008)1446～1458.

［2］周雪帆，陳宏，李保峰.基于節(jié)能的高層辦公建筑自然采光設計策略研究 ［J］.城市建筑，2010(08).

［3］張濱，李桂文，趙建平.基于采光能效概念的住宅采光窗口設計研究［J］.照明工程學報，2010(04).