新型多功能夾簾窗采光性能測試和光環(huán)境模擬分析

張　艷，冉茂宇

(1．浙江同濟科技職業(yè)學院，浙江 杭州　311231；2．華僑大學建筑學院，福建 廈門　361021)

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新型多功能夾簾窗采光性能測試和光環(huán)境模擬分析

張艷1，冉茂宇2

(1．浙江同濟科技職業(yè)學院，浙江 杭州311231；2．華僑大學建筑學院，福建 廈門361021)

能滿足采光、通風、觀景等多功能要求且兼具節(jié)能性的窗戶的設計和應用將是未來窗戶發(fā)展的必然方向。由此，筆者試圖根據(jù)實際需要，研發(fā)出一種低成本、低能耗、便于生產(chǎn)和安裝的新型多功能夾簾窗，并對安裝新型多功能夾簾窗的試驗房在一定條件下的采光性能進行測試和光環(huán)境模擬分析，確定其采光性能沒有完全到達要求，因而提出了構造方面的改進措施以便其能滿足采光需要。

新型多功能夾簾窗；采光；性能測試；光環(huán)境；模擬分析；采光系數(shù)

引言

采光一方面是指利用窗戶或者鏡子使天然光進入到建筑物內(nèi)部[1]；另一方面是指為保證人們生活、工作或生產(chǎn)活動具有適宜的光環(huán)境，使建筑物內(nèi)部使用空間取得的天然光照度滿足使用、安全、舒適、美觀等要求的技術[2]。天然光是人們習慣的光源，人眼在天然光下比在人工光下有更高的靈敏度。另外，天然光來源于太陽，而太陽則是一種巨大的、安全的清潔光源。因此，通過采光使室內(nèi)能夠充分地利用天然光，可以起到節(jié)約能源和保護環(huán)境的作用[3]。而合理地設計門窗和建筑物的結構，可以使建筑物內(nèi)部得到充分和適度的天然光。

窗戶自誕生以來，隨著經(jīng)濟的發(fā)展和科技的不斷進步，其發(fā)展演變可謂日新月異。自工業(yè)革命以來，科技的發(fā)展改變了世界。由于新技術的發(fā)展引進及出于節(jié)約能源的實際需要，窗戶在未來的發(fā)展必然將從其功能、組成材料、構造等三個方面的發(fā)展進一步展開。伴隨著新建造技術和建筑材料的應用，窗戶的形態(tài)日漸自由、多樣，窗的構造逐步復雜、多變，窗戶的功能從最初的僅僅滿足通風要求到后來的要滿足采光、觀景到現(xiàn)在的不僅要滿足上述通風、采光、觀景要求，更要節(jié)能以適應新時期資源使用的嚴峻形勢。窗戶的組成材料的發(fā)展趨勢將是選用生態(tài)節(jié)能的框材并使框材通過連接構件同高性能的玻璃系統(tǒng)緊密相連從而使窗戶有良好的氣密性。而窗戶的構造在未來將朝著節(jié)能方向發(fā)展，即大量采用雙層中空玻璃、三層中空玻璃、鍍膜中空玻璃等，以確保一定的保溫或隔熱的節(jié)能要求?？v觀未來，全球日益嚴重的能源危機形勢決定了窗戶必然將朝著集高效節(jié)能舒適等多種功能需要于一體的方向發(fā)展(窗戶的性能發(fā)展史如表1所示)。

表1　窗戶的性能發(fā)展史

1　新型多功能夾簾窗的設計構想和構造

新型多功能夾簾窗設計的基本理念，是想通過窗系統(tǒng)構造設計使窗戶的節(jié)能效果達到比較理想的狀態(tài)，同時使窗滿足采光、通風、觀景等多種要求，且比現(xiàn)在市場上同類窗產(chǎn)品更經(jīng)濟、實用。新型多功能夾簾窗的設計構想和構造示意圖如圖1所示。窗戶系統(tǒng)主要由內(nèi)外兩層玻璃、中間一層或多層簾布、窗框部件組成，可開啟面積為玻璃窗整體的30%[4],玻璃和簾布的透光性能見表2。

圖1　新型多功能夾簾窗構造示意圖Fig.1　Schematic diagram of new multi-functional window with the curtains’ construction

表2　玻璃和簾布的透光性能

現(xiàn)在市場上經(jīng)?？梢姷摹皧A百葉簾窗”主要有TYPE 10、 TYPE 15 、TYPE 24和雙層中空玻璃百葉，因在實踐上存在一定的使用和維護困難，且較難與室內(nèi)環(huán)境相配合等因素，實際使用較少。而新型多功能夾簾窗是在雙層玻璃窗之間加入可收起和放下的一層或多層保溫隔熱簾布，可根據(jù)人自身的需要進行自動或手動調(diào)節(jié)。在夏天空調(diào)期間，它可全遮或半遮太陽輻射，具有很好的隔熱能力，在冬天又具有很好的保溫能力；采光通風可以調(diào)節(jié)。其保溫隔熱效果目標與Low-E玻璃窗相當或超過Low-E玻璃窗；能實現(xiàn)功能的自動或手動調(diào)節(jié)，充分利用氣候優(yōu)勢；氣密性、水密性、抗風壓性等達到優(yōu)良；能通過一定的構造設計使得維修較為方便；外觀可變化，藝術性強，收起時外觀與普通窗差不多，展示時有多種功能。我們試圖通過合理的構造和窗型設計，使得安裝新型多功能夾簾窗的室內(nèi)不論是采光、通風、保溫、視野、經(jīng)濟性都能達到比較理想的狀態(tài)，且不論南方、北方地區(qū)的各種建筑的每個立面都能加以采用。

為了確定新型多功能夾簾窗在夏季炎熱時節(jié)的采光效果，特別在福建省泉州市華僑大學建筑學院三層教學樓的屋頂搭建了用于測試的試驗房(3000mm×3000mm×3000mm)，試驗房朝向為西偏北15°(見圖2)。試驗房以鋼條為骨架，外部圍護結構為聚苯乙烯泡沫外加鋁塑板，內(nèi)部面層為聚苯乙烯泡沫(反射比為0.22)。在試驗房上安裝新型多功能夾簾窗(1 500 mm×1 200 mm)。新型多功能夾簾窗實際構造、尺寸如圖3所示。

圖2　試驗房平面位置及朝向Fig.2　Plane position and orientation of the test room

圖3　新型多功能夾簾窗位置細部及構造圖Fig.3　Detail of new multi-functional window with the curtains’ position and construction

2　采光測試布置和測試方法

采光試驗的目的是為了測試新型多功能夾簾窗在不同工況下是否能夠滿足建筑的采光需要(是否符合國家相關標準和實際需要)。

我國自20世紀70年代制定的《工業(yè)企業(yè)采光設計標準》至2013年版的《建筑采光設計標準》，采光系數(shù)一直被作為評定采光數(shù)量和質(zhì)量的核心參數(shù)。雖然自2003年以來提出的基于動態(tài)氣象參數(shù)模型(CBDM)的評價體系較之采光系數(shù)評估方法更為準確，但對于我國全國范圍的采光設計標準而言，該方法尚不成熟(英美國家新標準中也未能真正應用)。目前在國際上，以采光系數(shù)為基礎的評定方法依然最為通行[5]?！督ㄖ晒庠O計標準》中采用采光系數(shù)平均值作為標準值。采用采光系數(shù)平均值，不僅能反映出工作場所采光狀況的平均水平，也更方便理解和適用。從國內(nèi)外的研究成果也證明了采光系數(shù)平均值和平均照度值更加合理[6]。

采光系數(shù)雖然有簡單易用的優(yōu)點，它本身存在著許多問題，比如：無法描述晴天和多云天空情況下的天然采光情況[7]。那么對于新型多功能夾簾窗來說，其使用夾簾作為一種可調(diào)節(jié)遮陽形式，其目的主要是考慮當室外亮度過高或輻射過強導致房間使用者視覺或熱舒適度降低時采取的一種折減光線透射的措施，對于全陰天條件下往往不需要采用遮陽措施，而采光系數(shù)主要是考量全陰天條件下的采光質(zhì)量的評估參數(shù)。因此，鑒于條件的限制，我們以采光系數(shù)作為新型多功能夾簾窗在最不利天氣條件下的評價參數(shù)進行測試。對于室外亮度過高或輻射過強情況下的晴天條件的采光環(huán)境采用計算機模擬的形式來進行說明。

本試驗所在地區(qū)泉州屬于Ⅲ光氣候區(qū)，因此光氣候系數(shù)K值取1.00(見表3)。試驗房的窗地面積比為1/5，根據(jù)采光等級和窗地面積比的關系，其采光等級應滿足Ⅲ級。而對于側(cè)面采光來說，Ⅲ級的采光系數(shù)標準值為3%[6](見表4)。

表3　光氣候系數(shù)K值

表4　各采光等級參考平面上的采光系數(shù)標準值

按民用建筑來選擇參考平面，在全陰天空漫射光照射下，利用照度計測得參考平面上各測點的照度(測點布置平面圖見圖4)，同時測得在室外無遮擋水平面上由天空漫射光所產(chǎn)生的室外照度，根據(jù)式(1)計算出參考平面上各點的采光系數(shù)。然后計算參考平面上各點的采光系數(shù)平均值與3%比較，評價使用新型多功能夾簾窗后的采光效果。另外，為了考察窗內(nèi)簾布放下面積的多少對室內(nèi)采光的影響，還將分別計算出在簾布覆蓋面積不同的情況下各測點的采光系數(shù)平均值。

(1)

圖4　測點布置平面圖Fig.4　Layout of measurement point

本試驗測試時間為2008年4月23日，氣溫18℃～22℃，天空狀況為全陰天，天空全為云層所遮擋[9]，既看不見藍天，也看不見太陽所在位置。選擇9：00—16：00時間段內(nèi)的10：00時刻，測試各測點的照度，同時測試室外水平方向上的照度，而后對采集的照度數(shù)值進行統(tǒng)計。之所以選擇這個時間段是因為這時期的室外照度變化較小[10]。

3　采光試驗結果

各采光試驗工況下參考平面上各測點的采光系數(shù)平均值示意見表5。可以看出，在簾布卷起或者覆蓋著窗戶有一定面積時，參考平面上各測點采光系數(shù)的變化趨勢明顯，而當簾布全部放下時，參考平面上各測點采光系數(shù)的變化趨于平和。各個工況時參考平面上的采光系數(shù)平均值與3%比較，在空窗時采光系數(shù)平均值為3.17%，大于3%，滿足采光要求。而在簾布放下1/3、2/3和完全放下時采光系數(shù)平均值分別為2.91%、1.89%和1.22%，小于3%。由此可見，新型多功能夾簾窗在最不利天氣條件下如果要滿足采光要求不能使用內(nèi)部遮陽簾。

表5　采光試驗工況下參考平面各測點采光系數(shù)平均值

注：測試編號Cg為采光的漢語拼音首個字母的縮寫。

4　采光模擬結果及分析

采用Ecotect、Radiance和Daysim對室外亮度過高或輻射過強情況下的晴天條件(夾簾全部放下，工況Cg-3)的天然光光環(huán)境進行模擬分析(模擬條件錄入的各個參數(shù)均遵循采光測試的參數(shù)條件)，得到Cg-3工況下全自然采光百分比分析圖，如圖5所示，在Cg-3工況下參考平面上，全自然采光百分比平均值為54.16%，即一年當中在7:00—18:00之間，臨界照度為450lx時，54.16%的時間可以使用自然采光。因此，在室外亮度過高或輻射過強情況下，將夾簾完全放下時，不能完全滿足只使用天然光進行采光的要求，需要對其構造進行改造。

圖5　Cg-3工況下全自然采光百分比分析圖Fig.5　Daylight Automomy (450lx)when curtain down 3/3

5　構造改進分析

新型多功能夾簾窗采光試驗的結果說明，新型多功能夾簾窗在滿足采光要求方面存在不足，因為新型多功能夾簾窗內(nèi)部使用了卷簾構造使得其系統(tǒng)構造變得復雜了，這就造成了由于其內(nèi)部各種不同的構造材料存在不同的光學性能，而光學性能的不同對窗戶的整體的采光功能有很大的影響。因此，如何改善新型多功能夾簾窗的采光功能將是筆者下一步需要解決的問題。一般來說，為了改善室內(nèi)的采光效果可從以下幾方面入手：增大窗戶的面積；提高窗戶的高度；對窗戶的構造或者組成材料進行改造。其中，增大窗戶的面積和提高窗戶的高度涉及到建筑立面的形式統(tǒng)一以及建筑構造的要求，需要考慮的因素很多，必須具體情況具體分析。而對窗戶的構造或者組成材料進行改造則可以不根據(jù)具體情況而從窗戶本身進行考慮。為了改善其采光性

能可以嘗試選用乳白玻璃、玻璃磚等擴散透光材料，如采用將光線折射至頂棚的折射玻璃，可能會達到采光要求；還可以嘗試將活動百葉置于新型多功能夾簾窗內(nèi)部來增加房間進深方向上的折射光。這些構造措施的應用將使窗戶的總透射比增大，從而使平均采光系數(shù)增大以滿足采光要求。

[1] The Caxton Publishing Company Limited. The New Caxton Encyclopedia: volume 11[M]. London: The Caxton Publishing Company Limited, 1977: 3661.

[2] 民用建筑設計通則：GB 50352—2005[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005: 4-5.

[3] 柳孝圖.建筑物理[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2000:150.

[4] 張艷,冉茂宇,張燕.新型多功能窗的設計運行原理及空調(diào)節(jié)能實驗研究[J].建筑科學,2012.(12):71-75.

[5] 張昕,韓天辭.建筑側(cè)窗采光簡化評估方法的研究[J].照明工程學報,2012，23(03):23-29.

[6] 建筑采光設計標準：GB 50033—2013[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2014:6-54.

[7] 吳蔚,劉坤鵬.淺析可取代采光系數(shù)的新天然采光評價參數(shù)[J].照明工程學報,2012，23(2):1-7.

[8] 劉加平,戴天興.建筑物理實驗[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2006:136-137.

[9] KAREN KENSEK, YONG SUKJae. Daylight Factor (overcast sky) versus Daylight Availability (clear sky) in Computer-based Daylighting simulations[C]∥Journal of Creative Sustainable Architecture & Built Environment, CSABE : volume 1. Seoul: Science & Engineering Research Support society, Republic of Korea, 2011: 4.

[10] 建筑物理[M].廣州:華南理工大學出版社,2002:307.

Daylighting Performance Test and Natural Daylighting Environment Simulation Analysis of the New Multi-functional Window with the Curtains

ZHANG Yan1， RAN Maoyu2

(1.ZhejiangTongjiVocationalCollegeofScienceandTechnology,Hangzhou311231,China；2.CollegeofArchitecture,HuaqiaoUniversity,FujianProvince,Xiamen361021,China)

Lighting, ventilation, and viewing with energy efficiency in design and application of windows will become inevitable trend for windows development in the future. Thus we are trying to design a new multi-functional window with the curtains which is low-cost, low power consumption, with simple production and simple installation. The daylighting performance was tested in a room with certain conditions which installed the new type multi-functional window. The light environment was also analyzed by simulation. Since the daylighting performance didn’t reach the relevant requirements completely, it is suggested to improve its structure to meet the daylight needs.

new multi-functional window with the curtains; daylighting； performance test; lighting environment； simulation analysis; daylight factor

項目資助：國家自然科學基金(51078156),福建省自然科學基金(2010J01297),福建省重大專項基金(2008HZ0003-1)，華南理工大學亞熱帶建筑科學國家重點實驗室資助項目(2009KB13)，浙江省民政政策理論研究規(guī)劃課題(ZMZC2015115)

TU113.5

A

10.3969j.issn.1004-440X.2016.02.008