天然采光模型應(yīng)用與分析的探索性實(shí)驗(yàn)

衡 濤，張建紅，范文芹

(1.深圳大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，廣東 深圳 518060；2.甘肅省文縣碧口小學(xué)，甘肅 隴南 746412；3.西北師范大學(xué) 物電學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

1 引言

天然采光就是將日光引入建筑內(nèi)部，并且將其按一定的方式分配，提供比人工光源更理想、更好的照明。天然采光不但可以減少照明用電，還可以營造一個動態(tài)的室內(nèi)環(huán)境，形成比人工照明系統(tǒng)更為健康和興奮的工作環(huán)境，開拓視野，放松神經(jīng)，有益于室內(nèi)人員身體和身心健康[1]。作為一個建筑專業(yè)的本科學(xué)生，有必要掌握天然采光口與采光性能之間的關(guān)系，從而能夠讓學(xué)生更深層次的理解和掌握天然采光的重要性，激發(fā)學(xué)生對建筑物采光設(shè)計興趣，開發(fā)學(xué)生對綠色節(jié)能建筑的創(chuàng)造性，提高學(xué)生對采光口的形狀、位置與室內(nèi)的采光系數(shù)、采光均勻性的測試與分析能力，掌握采光口的形狀、位置與采光系數(shù)、采光均勻性之間的規(guī)律，提高學(xué)生對節(jié)能降耗的認(rèn)識，為今后設(shè)計的建筑物符合低碳環(huán)保要求打好良好基礎(chǔ)。

該實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ脚c傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ较啾容^，首先以學(xué)生為實(shí)驗(yàn)主體，指導(dǎo)教師為輔的主導(dǎo)形式。提出實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?，讓學(xué)生自己探索性設(shè)計一套科學(xué)、合理實(shí)驗(yàn)方案，然后帶著問題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)過程中解決問題，通過實(shí)驗(yàn)找到最佳的一種設(shè)計方案[2，3]。另外教師在實(shí)驗(yàn)中要審閱學(xué)生的實(shí)驗(yàn)方案，回答學(xué)生提出的問題，與學(xué)生共同探討實(shí)驗(yàn)方案和內(nèi)容，要求教師具備比較廣闊的知識面，和啟發(fā)學(xué)生勤于思考的能力，促進(jìn)了教師業(yè)務(wù)水平的提高，提高了學(xué)生主觀能動性的能力[2～7]。

通過探索性實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生進(jìn)一步掌握了建筑物采光與采光形式、采光面積、采光位置之間的關(guān)系，讓學(xué)生對建筑物采光設(shè)計有初步的了解和認(rèn)識。

2 天然采光模型的探索性實(shí)驗(yàn)體系

天然采光模型實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生綜合運(yùn)用課堂教學(xué)多個知識點(diǎn)的理論內(nèi)容，判斷和分析建筑采光口位置、采光口形式等對建筑物光環(huán)境的影響，通過知識結(jié)構(gòu)重組來尋求實(shí)驗(yàn)求解途徑。在進(jìn)行理論知識綜合的基礎(chǔ)上，由學(xué)生自己制定相應(yīng)的建筑模型，鼓勵學(xué)生結(jié)合課外科技論文、期刊閱讀來探求不同的實(shí)驗(yàn)方案[7～9]。

實(shí)驗(yàn)要求在全陰天氣候條件下進(jìn)行，具備開窗位置、開窗形式以及開窗大小等邊界條件，通過室內(nèi)采光系數(shù)和照度均勻度值，對室內(nèi)物理光環(huán)境做出綜合性評價[7～9]。

實(shí)驗(yàn)過程中，教師主要針對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容所涉及的各種建筑物采光的標(biāo)準(zhǔn)和要求等進(jìn)行講解，具體實(shí)驗(yàn)方法和操作則完全由學(xué)生獨(dú)立完成。

3 實(shí)驗(yàn)?zāi)康募熬唧w實(shí)施方案

通過實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對建筑的不同采光口，及其對建筑采光環(huán)境產(chǎn)生的綜合影響有更為全面和深刻的理解、認(rèn)識，通過實(shí)驗(yàn)學(xué)生可以達(dá)到以下目的：

①加強(qiáng)學(xué)生對天然采光中的各個知識點(diǎn)的理解和掌握。

②根據(jù)若干教室模型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，找出最佳采光口位置和形式。

③通過不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，找出采光口位置、大小與采光系數(shù)、室內(nèi)照度、室外照度之間的關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)對象為建筑學(xué)院09～11級本科學(xué)生，每次共分12組。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ皖愋椭饕獮椋捍皦γ娣e比為1∶5、1∶4.5、1∶4、1∶3.5、1∶3、1∶2.5；窗距地面距離為0.8米、1.0米、1.2米；不同側(cè)窗形式正方形和矩形(寬長比1∶1.5)，共36種模型，每種模型必須有兩組同學(xué)分別進(jìn)行測試，可以避免實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的人為誤差。

學(xué)生利用了理論課程中多個知識點(diǎn)和理論公式，可以讓學(xué)生更好的把理論與實(shí)踐相結(jié)合。主要采光利用采光系數(shù)公式[13]：

(1)

式中En——室內(nèi)給定水平面上某一點(diǎn)的全陰天天空漫反射產(chǎn)生的照度；

Ew——室外無遮擋水平面上全陰天天空漫反射產(chǎn)生的照度。

利用采光均勻度公式[13]：

(2)

式中 Cmin——采光系數(shù)最低值；

Cav——采光系數(shù)平均值。

4 實(shí)驗(yàn)操作過程

學(xué)校教室是教與學(xué)的場所，教室在建筑和設(shè)備方面是否符合衛(wèi)生學(xué)要求，將直接影響到學(xué)生的生長發(fā)育和學(xué)習(xí)效果。根據(jù)國家統(tǒng)計局城調(diào)隊(duì)于1999年的調(diào)查結(jié)果，我國學(xué)生的視力低下率狀況已經(jīng)到了非常嚴(yán)重的程度[10][11]。所以模擬對象為一標(biāo)準(zhǔn)教室，教室長10米，寬6米，高3.5米，采用單面?zhèn)却安晒?，共兩個窗戶，模型采用1∶17比例縮小。模型內(nèi)采用12點(diǎn)均勻布點(diǎn)測試，測點(diǎn)平面圖見圖1。

為給學(xué)生提供更多的創(chuàng)造空間，學(xué)生自己選擇實(shí)驗(yàn)時間，利用模型室按照一定比例制作建筑模型，見圖2，模型完成后按照提前預(yù)約的時間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。儀器主要操作過程：

圖1 測點(diǎn)分布圖Fig.1 Testing spot distribution

圖2 測試模型Fig.2 Testing model

①利用人工模擬天穹進(jìn)行采光實(shí)驗(yàn)已經(jīng)有多年的發(fā)展歷史，但現(xiàn)在國內(nèi)科研院所尤其是各大高校中，多以教學(xué)演示為主，真正提升到應(yīng)用層面的不是很多[12]。所以我們利用人工天穹模擬全陰天光環(huán)境，打開調(diào)光器電源，見圖3，三路調(diào)光器旋鈕處于最小處。

圖3 調(diào)光器Fig.3 Dimmer

②打開日光燈電源，使日光燈全亮，開3～5分鐘后測試。

③取球體表面任意一條經(jīng)線，使得天頂亮度是接近地平線處天空亮度的3倍[13]。計算公式為：

式中LZ——天頂亮度；

Lθ——地平線處亮度；

θ——測點(diǎn)切面與地面夾角。

④模型內(nèi)照度用無線照度計測量，見圖4，采用均勻布點(diǎn)法測試，共12個測點(diǎn)，每個測點(diǎn)測3個值，照度取平均值。

圖4 無線照度計Fig.4 Illuminometer

5 主要實(shí)驗(yàn)成果

實(shí)驗(yàn)共測試了上千組數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析圖表達(dá)到了100張，并依據(jù)照度值及相應(yīng)理論公式，分別計算出了36種模型的采光系數(shù)和均勻度。 圖5～圖10為不同側(cè)窗采光口面積(窗墻面積比1∶5、1∶4.5、1∶4、1∶3.5、1∶3、1∶2.5)、不同側(cè)窗位置(距地為0.8米、1.0米、1.2米)、不同側(cè)窗形式(矩形、正方形)時，教室模型內(nèi)的采光系數(shù)與測點(diǎn)的關(guān)系圖。橫坐標(biāo)為測點(diǎn)(共12個測點(diǎn))，縱坐標(biāo)為采光系數(shù)，圖中采光系數(shù)均按照公式(1)進(jìn)行計算[10]，依據(jù)《建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》深圳市位于光氣候Ⅲ類區(qū)，室外臨界照度值取5000lx，K值取1.00[14]。

圖5 窗口為正方形、距地面0.8米教室模型Fig.5 Classroom model 1

圖6 窗口為矩形、距地面0.8米教室模型Fig.6 Classroom model 2

圖7 窗口為正方形、距地面1.0米教室模型Fig.7 Classroom model 3

圖8 窗口為矩形、距地面1.0米教室模型Fig.8 Classroom model 4

圖9 窗口為正方形、距地面1.2米教室模型Fig.9 Classroom model 5

圖10 窗口為矩形、距地面1.2米教室模型Fig.10 Classroom model 6

可以從圖5中得到：不論哪種采光口形式，采光系數(shù)與測點(diǎn)之間的關(guān)系曲線趨勢總體都是相似的。窗墻比為1∶2.5和1∶3.0的教室模型中，靠窗戶的4個測點(diǎn)采光系數(shù)明顯高于其他8個測點(diǎn)，室內(nèi)越靠近窗戶點(diǎn)采光系數(shù)越大。隨著離窗戶的距離增大，采光系數(shù)大幅降低，超過教室中心點(diǎn)后，采光系數(shù)降低幅度減小，整個教室內(nèi)的均勻性較差。窗墻比為1∶3.5～1∶5.0時，模型中12個測點(diǎn)的采光系數(shù)變化幅度相對較小，說明在墻窗比小于1∶3.5時，測點(diǎn)不會隨著離窗戶距離增大出現(xiàn)照度迅速降低的現(xiàn)象，整個教室內(nèi)的均勻性較好。

圖11為所有類型模型的采光系數(shù)分布圖，橫坐標(biāo)1代表窗墻比為1∶2.5，橫坐標(biāo)2代表窗墻比為1∶3、橫坐標(biāo)3代表窗墻比為1∶3.5，橫坐標(biāo)4代表窗墻比為1∶4，橫坐標(biāo)6代表窗墻比為1∶4.5，橫坐標(biāo)6代表窗墻比為1∶5。圖標(biāo)示意中，“矩形”代表窗戶形狀，“0.8米”代表窗戶距地面距離，例如：“矩形0.8米”表示窗戶為矩形，窗距地面距離為0.8米。

圖11 不同采光口的采光系數(shù)分布圖Fig.11 Daylighting coefficient distribution

從圖11中可以看出，窗墻比為1∶2.5和1∶3時，教室模型的采光系數(shù)最大。在窗墻比為1∶3.5～1∶5.0時，采光系數(shù)減小幅度很小，幾乎處于一種平穩(wěn)狀態(tài)。在窗墻比為1∶5時，采光系數(shù)降到了最小值。

圖12為均勻度分布圖，橫坐標(biāo)表示窗墻比，點(diǎn)1代表窗墻比為1∶2.5，點(diǎn)2代表窗墻比為1∶3、點(diǎn)3代表窗墻比為1∶3.5，點(diǎn)4代表窗墻比為1∶4，點(diǎn)5代表窗墻比為1∶4.5，點(diǎn)6代表窗墻比為1∶5。隨著窗墻比的減小，均勻度逐漸增大，當(dāng)窗墻比超過1∶3.5時，教室內(nèi)均勻度處于相對平穩(wěn)狀態(tài)，室內(nèi)均勻度變化幅度較小。

圖12 不同采光口的均勻度分布圖Fig.12 Uniformity distribution

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

綜合上述實(shí)驗(yàn)計算與分析結(jié)果，窗墻比為1∶2.5和1∶3.0時，教室內(nèi)的采光系數(shù)較大；當(dāng)窗墻比為1∶5、1∶4.5、1∶4、1∶3.5時，教室內(nèi)采光均勻度較好。依據(jù)建筑物采光相關(guān)規(guī)范，深圳地區(qū)教室內(nèi)采光系數(shù)不應(yīng)低于0.02[14]。依據(jù)《深圳市居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施細(xì)則》SJG 15—2005中規(guī)定，建筑物朝向不同窗墻比應(yīng)小于0.3～0.5[15]。根據(jù)該探索性實(shí)驗(yàn)得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對不同采光口大小、位置、形式與采光光系數(shù)與均勻度之間關(guān)系進(jìn)行綜合分析，在不考慮建筑物結(jié)構(gòu)和功能需求因數(shù)時，從節(jié)能方面考慮，建議教室的窗墻比大于1∶3.5；從室內(nèi)照明均勻度方面考慮，建議教室的窗墻比小于

1∶3.5。窗墻比1∶3.5為采光系數(shù)與與均勻度的臨界點(diǎn)，考慮綜合性因數(shù)影響，教室的窗墻比為1∶3.5為最佳狀態(tài)。

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