窗戶尺寸影響室內(nèi)采光的模擬研究

查全芳，方廷勇

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

?

窗戶尺寸影響室內(nèi)采光的模擬研究

查全芳，方廷勇

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

摘要：建筑室內(nèi)的光環(huán)境對(duì)于它自身的使用功能有著極其重要的影響，而影響建筑室內(nèi)光環(huán)境的因素有很多，有建筑周邊環(huán)境的遮擋、建筑室內(nèi)裝飾以及窗口的設(shè)計(jì)等。本文結(jié)合合肥地區(qū)的光氣候特點(diǎn)，利用光環(huán)境模擬軟件Ecotect來分析窗戶尺寸對(duì)建筑室內(nèi)自然采光的影響，通過改變窗墻比、窗臺(tái)高以及窗戶外形等幾個(gè)方面來改善建筑的室內(nèi)光環(huán)境。

關(guān)鍵詞：自然采光；采光系數(shù)；Ecotect

0引言

伴隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，能源資源不足以及生態(tài)環(huán)境惡化的矛盾日益顯現(xiàn)，保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源已成為熱門的討論話題。目前建筑規(guī)模迅速擴(kuò)大，出于對(duì)建筑節(jié)能的考慮，充分利用自然光為建筑提供良好的室內(nèi)環(huán)境能夠節(jié)省大量的建筑能耗。而且自然光作為一種自然的、為人們所習(xí)慣的光源，也能夠最大程度的改善建筑室內(nèi)的舒適度，營造良好的工作生活環(huán)境。此外，自然光由于其再生性和無污染而成為一種清潔光源，大量使用自然光可以在降低污染的同時(shí)又能節(jié)約資源，對(duì)生態(tài)保護(hù)和節(jié)約能源都有著積極的作用[1]。

建筑自然采光的影響因素有很多，為了最大程度的為建筑室內(nèi)人員提供最佳的室內(nèi)環(huán)境，就要建筑師通過窗口的尺寸設(shè)計(jì)來充分利用自然采光，從而減少人工照明，節(jié)約資源。這些都是現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)中亟待解決的問題。

1采光系數(shù)和ecotect軟件介紹

建筑室內(nèi)光環(huán)境的評(píng)價(jià)因素有光通量、照度和采光系數(shù)，本文主要通過采光系數(shù)這一因素來評(píng)價(jià)辦公建筑室內(nèi)的光環(huán)境狀況[2]。建筑室外照度是經(jīng)常變化的，這必然使室內(nèi)照度隨之而變，不可能是一個(gè)固定值，因此對(duì)采光數(shù)量的要求都用相對(duì)值。這一相對(duì)值就是采光系數(shù)，它是在全陰天空漫反射光照射下，室內(nèi)給定水平面上的某一點(diǎn)由天空漫反射光所產(chǎn)生的照度和室內(nèi)某一點(diǎn)照度同一時(shí)間、同一地點(diǎn)，在室外無遮擋水平面上由天空漫反射所產(chǎn)生的照度的比值[3]。

室內(nèi)某一點(diǎn)天然采光系數(shù)=該點(diǎn)的照度值/室外無遮擋照度值

采光系數(shù)體現(xiàn)的是全年中最不利天氣條件下的采光狀況，使用的是全陰天模型，與太陽位置無關(guān)。而且在同一工況下，建筑室外的照度越高，相應(yīng)的室內(nèi)照度就越高，但是它們的比值，即自然采光系數(shù)是相同的，所以本文通過自然采光系數(shù)的變化來反應(yīng)辦公建筑室內(nèi)的光環(huán)境狀況[4]。

Ecotect最初是由英國Square One公司開發(fā)的生態(tài)建筑設(shè)計(jì)軟件，2008年被美國 Autodesk 公司收購，它主要用于建筑方案的初步設(shè)計(jì)階段，Ecotect涵蓋了熱環(huán)境、風(fēng)環(huán)境、聲環(huán)境、日照、可視度等多種建筑物理環(huán)境，在光環(huán)境模擬方面Ecotect 采用的CIE全陰天天空模型，考慮的是最不利狀況下計(jì)算出的自然采光系數(shù),對(duì)建筑綜合采光評(píng)價(jià)很實(shí)用，軟件自身帶有建模功能，方便快捷。模擬計(jì)算速度快，操作簡單，結(jié)果直觀明了，但精度不是很高，可以生成報(bào)表。Ecotect還可以輸出到Radiance中進(jìn)行晴天天空的采光和照明的模擬計(jì)算。因此Ecotect 被廣泛的運(yùn)用到建筑采光設(shè)計(jì)當(dāng)中[5]。

影響建筑室內(nèi)自然采光的因素有很多，如室外建筑遮擋、窗戶玻璃的透光率、窗墻面積比、窗戶的朝向、窗臺(tái)的高度、遮陽措施、大地反射等，其中很多因素是與房間的窗戶尺寸設(shè)計(jì)有關(guān)。本文主要是針對(duì)合肥地區(qū)的光氣候特點(diǎn)，利用光環(huán)境模擬軟件Ecotect來分析窗戶尺寸對(duì)建筑室內(nèi)自然采光的影響，通過改變窗體本身的因素，模擬是否可以通過改變窗墻比、窗臺(tái)高以及窗戶外形等幾方面來改善建筑的室內(nèi)光環(huán)境[6]。

2模型的建立和工況的設(shè)置

2.1　模型的建立

本文以合肥市某建筑的一間房間為例，首先建立一個(gè)長6m×寬4m×高3m的房間。房間模型如圖1所示。

圖1房間模型

模擬計(jì)算的房間內(nèi)各個(gè)表面和構(gòu)件的反射率或透射率都是根據(jù)《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》及工程常用參數(shù)來設(shè)置的，房間內(nèi)的天花板、內(nèi)墻和地板的反光率分別為0.66、0.66、0.4，窗戶玻璃選擇普通玻璃，透光率為 0.822。

合肥屬于第Ⅳ類光氣候區(qū)，室外天然光臨界照度為13500lux。Ecotect采光模擬采用CIE全陰天模式，將大寒日1月21號(hào)作為模擬時(shí)間，模擬分析的工作面高度為750mm，在工作面處每0.2m設(shè)置一個(gè)計(jì)算網(wǎng)格，網(wǎng)格個(gè)數(shù)為20×30個(gè)，分別為開間方向20個(gè)計(jì)算點(diǎn)和進(jìn)深方向30個(gè)計(jì)算點(diǎn)，所有的計(jì)算點(diǎn)形成了計(jì)算網(wǎng)格。分別模擬計(jì)算不同工況下辦公建筑室內(nèi)的自然采光系數(shù)值。為了模擬不同工況下自然采光系數(shù)隨著進(jìn)深變化的分布情況，在進(jìn)深相同處的20個(gè)測點(diǎn)的采光系數(shù)值的平均值作為該進(jìn)深處的采光系數(shù)值，對(duì)這些采光系數(shù)值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，對(duì)比分析。

2.2　工況的設(shè)置

本文主要研究不同的窗墻比、窗臺(tái)高和窗戶外形(扁長或瘦高)對(duì)建筑室內(nèi)自然采光的影響，并對(duì)不同工況條件下得出的采光系數(shù)值和進(jìn)深的變化曲線圖進(jìn)行對(duì)比分析，從而得出最佳的窗戶尺寸設(shè)計(jì)。不同模擬工況的設(shè)置如下表1所示。

表1　不同工況的設(shè)置

3窗戶尺寸對(duì)室內(nèi)自然采光的模擬對(duì)比分析

3.1　窗墻比對(duì)自然采光的影響對(duì)比分析

窗戶位于建筑南立面上，窗臺(tái)高為0.8m。在窗戶的高度不變的情況下，通過改變窗戶的寬度，對(duì)窗墻比為 50%(3.0m×2.0m)、45%(2.7m×2.0m)、40%(2.4m×2.0m)和 35%(2.1m×2.0m)分別進(jìn)行自然采光模擬分析，得出工作面處不同窗墻比下室內(nèi)采光系數(shù)分布表，如下表2所示。

表2　不同窗墻比下室內(nèi)采光系數(shù)分布

對(duì)表2進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得出不同窗墻比下室內(nèi)采光系數(shù)隨著進(jìn)深變化的曲線圖，如下圖2所示。

圖2不同窗墻比下室內(nèi)采光系數(shù)分布

表3不同窗墻比下的平均采光系數(shù)

由圖2，表3可知，在窗臺(tái)高為0.8m，其他條件相同的條件下，窗墻比越大建筑室內(nèi)的平均采光系數(shù)越大。對(duì)于不同窗墻比的房間在窗口附近的室內(nèi)采光系數(shù)都比較大，且隨著窗墻比的增大采光系數(shù)越大。但當(dāng)進(jìn)深達(dá)到了1.2m左右時(shí)，工作面處不同窗墻比的房間室內(nèi)的采光系數(shù)都明顯減小了，而且減小的速度還很快。當(dāng)進(jìn)深大于4.2m之后，各窗墻比下的室內(nèi)采光系數(shù)的變化都很小，采光效果最差，幾乎沒有光線能進(jìn)入到最遠(yuǎn)的進(jìn)深處了，最終趨于平緩。窗戶的開窗面積越大室內(nèi)的光環(huán)境質(zhì)量就越好，越有利于辦公人員的工作，但窗戶的面積增大又導(dǎo)致了進(jìn)入室內(nèi)的太陽輻射量的增加，最終又導(dǎo)致了能耗的增加，所以在建筑設(shè)計(jì)時(shí)要合理設(shè)計(jì)窗戶的面積。

3.2　窗臺(tái)高對(duì)自然采光的影響對(duì)比分析

模型同上，窗戶位于建筑南立面上。窗戶寬度為3.0m，高度為1.6m，窗墻比為40%。在窗戶寬度和高度相同的情況下，對(duì)窗臺(tái)高為0.8m、0.9m、1.0m和1.1m分別進(jìn)行模擬分析，得出工作面處不同窗臺(tái)高下室內(nèi)采光系數(shù)分布表，如下表4所示。

表4　不同窗臺(tái)高下室內(nèi)采光系數(shù)分布

對(duì)上表進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得出不同窗臺(tái)高下室內(nèi)采光系數(shù)隨著進(jìn)深變化的曲線圖，如下圖3所示。

圖3不同窗臺(tái)高下室內(nèi)采光系數(shù)分布

表5不同窗臺(tái)高下的平均采光系數(shù)

由圖3，表5可知，在窗的大小和其他條件都相同的條件下，隨著窗戶高度的增大工作面處室內(nèi)的平均采光系數(shù)在減小。對(duì)于不同高度處的窗戶，在進(jìn)深1.2m左右的范圍內(nèi)，隨著窗臺(tái)的增高，采光系數(shù)在不斷的減小，且減小的幅度很大。超過1.2m以后，隨著窗臺(tái)的增高，采光系數(shù)在慢慢的增大。當(dāng)進(jìn)深達(dá)到4.2m左右時(shí)，不同窗臺(tái)高的房間采光系數(shù)值都相差不多且變化不明顯，采光效果最差，幾乎沒有光線能進(jìn)入到最遠(yuǎn)的進(jìn)深處了，最終趨于平緩。所以在建筑設(shè)計(jì)時(shí)，窗臺(tái)的高度不易過高，雖然過高的窗戶有利于進(jìn)深大處的采光，但過高的窗戶影響了室內(nèi)整體的采光水平，同時(shí)也阻擋了人們的視線，所以在設(shè)計(jì)窗戶的高度時(shí)，要同時(shí)兼顧視覺舒適度和整體采光水平。

3.3　窗戶外形對(duì)自然采光的影響對(duì)比分析

模型同上，窗戶位于建筑南立面上。窗臺(tái)高0.8m，窗墻比為40%。在不改變窗墻比和窗臺(tái)高的情況下，對(duì)四種窗戶C1(2.4×2.0m2)、C2(3.0×1.6m2)、C3(3.2×1.5m2)和C4(4.0×1.2m2)分別進(jìn)行模擬分析，得出工作面處不同窗戶外形下室內(nèi)采光系數(shù)分布表，如表6所示。

對(duì)表6進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得出不同窗戶外形下室內(nèi)采光系數(shù)隨著進(jìn)深變化的曲線圖，如圖4所示。

表6　不同窗戶外形下室內(nèi)采光系數(shù)分布

圖4不同窗戶外形下的采光系數(shù)分布圖

表7不同窗戶外形下的平均采光系數(shù)

由圖4，表7可知，在窗墻比為40%，窗臺(tái)高為0.8m，其他條件相同的情況下。窗戶越寬建筑室內(nèi)的平均采光系數(shù)越大，但平均采光系數(shù)增大的幅度不明顯，說明窗戶外形對(duì)室內(nèi)的采光效果影響不明顯。在進(jìn)深1.2m的范圍內(nèi)，窗戶4.0×1.2m2的采光系數(shù)最高，而窗戶2.4×2.0m2的采光系數(shù)最低，說明在靠近窗戶的位置越寬的窗戶采光效果最好，窗戶越窄在近窗處的采光效果越差。在進(jìn)深為1.2m到4.2m范圍內(nèi)，窗戶2.4×2.0m2的采光系數(shù)最高，而窗戶4.0×1.2m2的采光系數(shù)最低，說明在房間的中間區(qū)域，窗戶寬度越小，窗戶高度越大，室內(nèi)的采光效果越好。當(dāng)進(jìn)深在4.2m以后不同窗戶外形的室內(nèi)采光系數(shù)都相差不多，采光效果最差，幾乎沒有光線能進(jìn)入到最遠(yuǎn)的進(jìn)深處了，采光系數(shù)曲線都趨于平緩。

4結(jié)論

影響建筑室內(nèi)自然采光的因素有很多，本文討論了窗墻比、窗臺(tái)高和窗戶外形對(duì)建筑室內(nèi)自然采光的影響。得到以下優(yōu)化建議及結(jié)論：

(1)在窗臺(tái)高和玻璃透光率等相同的條件下，窗墻比對(duì)采光效果的影響很明顯，窗墻比越大采光效果越好。但對(duì)于房間不同進(jìn)深處的采光效果，隨著進(jìn)深的增大采光效果都越來越差，靠近窗戶的位置采光效果最好，當(dāng)進(jìn)深達(dá)到4.2m以后采光效果急劇下降，之后趨于平緩，在進(jìn)深達(dá)到4.2m時(shí)建筑室內(nèi)已經(jīng)沒有光線能夠進(jìn)入了，所以在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮臨界進(jìn)深和窗地比。

(2)在窗墻比和玻璃透光率等相同的條件下，在進(jìn)深1.2m范圍內(nèi)，建筑室內(nèi)的自然采光效果隨著窗戶的增高而減弱，超過1.2m以后隨著窗戶的增高采光效果反而增強(qiáng)。因此在近窗處，窗戶的位置不能過高，雖然過高的窗戶有利于進(jìn)深大處的采光，但影響了建筑室內(nèi)總的平均采光效果和人們的視覺舒適性。所以建筑師在設(shè)計(jì)窗戶的過程中要考慮適當(dāng)?shù)拇芭_(tái)高度。

(3)在窗墻比、窗臺(tái)高和玻璃通光率等相同的條件下，在進(jìn)深大約1.2m范圍內(nèi)，扁長型的窗戶建筑室內(nèi)采光效果好于瘦高型的窗戶，而在進(jìn)深1.2m以外范圍結(jié)果卻正好相反，瘦高型的窗戶建筑室內(nèi)采光效果好于扁長型的窗戶。從總體上來說，窗戶外形對(duì)建筑室內(nèi)的采光效果影響的不明顯。

(4)本文主要研究了窗戶尺寸對(duì)建筑室內(nèi)自然采光的影響，但除了窗戶本身的因素外,影響建筑室內(nèi)自然采光的因素還有很多，如建筑周邊環(huán)境的遮擋、建筑室內(nèi)裝飾、建筑外遮陽的設(shè)計(jì)以及采光輔助構(gòu)件的設(shè)置等。

參考文獻(xiàn)

1黃海靜,鄭潔.辦公建筑天然采光影響因素初探[J].燈與照明,2012,36(3):76-80.

2張欣苗.天津地區(qū)辦公建筑窗墻比和自然采光對(duì)建筑能耗影響的研究[D].天津:天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,2011.

3陳紅兵.辦公建筑的天然采光與能耗分析[D].天津:天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,2004.

4劉麗娜.廣州地區(qū)居住建筑外遮陽對(duì)采光、通風(fēng)的影響分析及綜合評(píng)價(jià)[D].廣州:華南理工大學(xué),2011.

5劉蓓.寒冷地區(qū)單面采光教學(xué)建筑窗洞尺寸的優(yōu)化研究[D].西安:長安大學(xué),2012.

6張偉.結(jié)合天然采光的辦公建筑節(jié)能研究[D].天津:天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,2005.

Simulation Study of Window Size Influence on Indoor Daylight

ZHA Quanfang,FANG Tingyong

(School of Civil Engineering, Anhui Jianzhu University, Hefei, 230601)

Abstract:The light environment in the building interior has a very important influence on its own function., There are many factors that affect the light environment in the building, such as the construction surroundings, the indoor decoration and the window design. etc. In this paper,combined with the light climate characteristics of Hefei regionthe effect of window size on natural daylight in building interior is analyzed by using the light environment simulation software Ecotect.,The results show that indoor light environmentwas improvedby changing the window to wall ratio, window height and window shape, etc..

Key words:daylighting；daylight factor；Ecotect

中圖分類號(hào)：TU411.01

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-8382(2015)03-067-06

DOI：10.11921/j.issn.2095-8382.20150313

作者簡介：查全芳(1989-)，女,碩士研究生,主要研究方向?yàn)榫G色建筑。

基金項(xiàng)目：“十二五”國家科技支撐計(jì)劃課題(2011BAJ03B04)

收稿日期：2015-04-09