采光板在建筑中的應(yīng)用研究

王璐

摘要：本文針對(duì)采光板在辦公建筑，教學(xué)建筑等公用建筑進(jìn)深較大，光線(xiàn)很難深入到建筑內(nèi)部，并且由于在此類(lèi)建筑從事的工作較為精細(xì)，對(duì)室內(nèi)照明的強(qiáng)度與均勻性都有要求較高。我國(guó)《民用建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GBJ 133-90 規(guī)定此類(lèi)建筑平均照度在500lux以上。做了深入的研究。

關(guān)鍵詞： 采光板 建筑 應(yīng)用

一、目前進(jìn)深較大建筑采光設(shè)計(jì)中的難題

人工照明能耗大

高強(qiáng)度的人工照明必然會(huì)增大照明的耗電量，當(dāng)室內(nèi)的平均照度為500lx時(shí)，每平方米的照明耗電量約在20瓦左右。我們對(duì)深圳及珠海市多座公用建筑的能耗調(diào)查發(fā)現(xiàn)：照明耗電量占總建筑能耗的比例在12%～22%之間，僅次于空調(diào)能耗，是建筑耗電設(shè)備中的第二大戶(hù)。

自然采光照度不均勻，空調(diào)負(fù)荷加大

增大開(kāi)窗面積確實(shí)可以讓更多的太陽(yáng)光進(jìn)入室內(nèi)，但自然光照度在室內(nèi)的分布是呈階梯狀減低的，因此增大開(kāi)窗面積通常會(huì)出現(xiàn)靠近窗戶(hù)的位置照度過(guò)強(qiáng)，已經(jīng)出現(xiàn)了眩光，而在離窗戶(hù)較遠(yuǎn)的地方仍沒(méi)有達(dá)到規(guī)定的照度值。另一方面過(guò)大的開(kāi)窗面積會(huì)導(dǎo)致空調(diào)負(fù)荷的上升，減低窗口附近的熱舒適性。

二、采光板的設(shè)計(jì)思想

采光板的作用在于利用較小的窗戶(hù)開(kāi)口將室外及窗口附近的太陽(yáng)光通過(guò)反射引入室內(nèi)較深的地方，采光板的工作原理見(jiàn)圖1：

通常條件下，直射輻射強(qiáng)度是散射輻射強(qiáng)度的4～7倍，采光板主要利用直射光線(xiàn)。室外直射輻射通過(guò)較小的上部窗戶(hù)開(kāi)口被采光板反射到室內(nèi)頂棚，經(jīng)過(guò)頂棚的散射反射，均勻的照亮離窗口較遠(yuǎn)處。在窗口面積不變得情況下，離窗口較遠(yuǎn)的地方得到充分的照明，提高了室內(nèi)采光的均勻度，提高了視覺(jué)舒適度；上部開(kāi)口的面積較小，雖然有反射輻射進(jìn)入，單不會(huì)嚴(yán)重的增大室內(nèi)的空調(diào)負(fù)荷；而且室外的采光板在一定程度上起到了外遮陽(yáng)的作用，有利于提高窗戶(hù)附近的熱舒適性，減小了空調(diào)負(fù)荷及直射眩光。

三 采光板采光效果的評(píng)價(jià)

1模擬方法及軟件簡(jiǎn)介

評(píng)價(jià)一種采光方式的優(yōu)劣，除了通常采用的采光系數(shù)，采光均勻度外，從建筑整體節(jié)能的角度還應(yīng)考慮于采光相關(guān)的建筑能耗，如燈具的耗電及大量燈具散熱增加的空調(diào)能耗。能將采光效果與建筑能耗結(jié)合起來(lái)模擬的軟件有DOE2及Energyplus。Energyplus是在DOE2基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出來(lái)的新一代的建筑性能模擬軟件，它具有詳細(xì)的建筑結(jié)構(gòu)及建筑設(shè)備輸入，能逐時(shí)的計(jì)算建筑各分區(qū)及整體的負(fù)荷，特別是內(nèi)建的采光計(jì)算模型能采用典型氣象年數(shù)據(jù)中的日照輻射預(yù)測(cè)不同的采光方式的采光效果及其對(duì)建筑整體能耗的影響。

采用Energyplus分別對(duì)一個(gè)簡(jiǎn)單的模型建筑的采光效果和節(jié)能效果在珠海的氣象條件下進(jìn)行了模擬。采光板采用圖1所示的最簡(jiǎn)單的內(nèi)外平板形式。

2 模型建筑的模擬

模型建筑的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2

A棟為安裝采光板的目標(biāo)建筑，B棟為普通的比較建筑，兩棟建筑的結(jié)構(gòu)及材料完全一致。B棟模型建筑寬6m，高3m，在深度方向有9m的進(jìn)深；在南向開(kāi)窗，窗高2.5m，寬4m；加裝采光板的A棟目標(biāo)建筑中，窗戶(hù)分為上下兩個(gè)部分：上部開(kāi)窗高度為0.5m，下部高2m，窗總高度與B棟比較建筑相同；采光板內(nèi)外長(zhǎng)度都為0.5m，寬度與窗戶(hù)平齊。分別在兩棟模型距離窗戶(hù)2m，及8m處高度為0.8m的工作平面上設(shè)置兩個(gè)照度參考點(diǎn)，當(dāng)參考點(diǎn)的照度低于500lux時(shí)啟用人工照明，每個(gè)照度參考點(diǎn)各控制50%的照明耗電。兩棟建筑都采用全空氣系統(tǒng)，室內(nèi)溫度設(shè)定在25℃，相對(duì)濕度設(shè)定在60%。采光板由表面光滑的50㎜水泥板構(gòu)成，表面涂吸收率為0.3的白色涂料。

采光效果

在夏至日的模擬中， A棟建筑全天室內(nèi)的采光均勻度都要好于B棟建筑，在10：00時(shí)A棟建筑內(nèi)0.8m高度工作面上已經(jīng)全部達(dá)到500lx 的照度要求，照度分布均勻在3.6m～9m的范圍內(nèi)照度都在500～750lx 之間；此時(shí)B棟建筑只是在4.7m以?xún)?nèi)的范圍內(nèi)達(dá)到了500lx的照度要求，并且達(dá)到照度要求的范圍呈窄帶狀分布，照度變化較大，房間中軸剖面與工作面交線(xiàn)上最大照度達(dá)到1884lux，而最低值只有350lux。A棟建筑在自然光線(xiàn)的利用率上也具有很大優(yōu)勢(shì)，A棟建筑在09：00～16：00之間可以完全采用自然采光達(dá)到照度要求，而B(niǎo)棟建筑幾乎全天需要人工照明，即使在室外照度最強(qiáng)的時(shí)段也不能保證室內(nèi)全部達(dá)到照度要求，在12：00時(shí)距離窗戶(hù)7.2m以外的工作面上照度依然小于500lux。

在冬至日，由于太陽(yáng)高度角較低，易于光線(xiàn)深入室內(nèi)，A、B兩棟建筑的差別不大。但從冬至日17：00室內(nèi)照度分布圖上依然可以看出A棟建筑內(nèi)照度分布較為均勻，沒(méi)有小于500lux的地方。

建筑能耗

珠海地區(qū)屬于以夏季空調(diào)能耗為主的氣候區(qū)，因此主要對(duì)采光板對(duì)建筑夏季能耗的影響展開(kāi)分析。夏至日A、B兩棟建筑照明耗電量見(jiàn)圖3（1）。A棟與B棟建筑相比全天節(jié)約照明能耗0.554KW，節(jié)能效果主要體現(xiàn)在7：00～11：00和14：00～18：00之間，在此時(shí)段室外自然光線(xiàn)照度相對(duì)較小，B棟建筑難以利用，而A棟建筑由于采光板的作用，降低了利用天然光進(jìn)行采光時(shí)的室外最低照度，從而減少了人工照明的使用時(shí)間，減少了照明能耗。全年照明能耗共節(jié)約42.79KW。

采光板在將光線(xiàn)從上部開(kāi)口引入建筑內(nèi)部同時(shí)，對(duì)于下部窗戶(hù)起到了外遮陽(yáng)得作用，因此對(duì)空調(diào)負(fù)荷的削減效果更為明顯，全天空調(diào)負(fù)荷減小了14.3%，如圖6（2）夏至日空調(diào)負(fù)荷所示，在8：00～20：00時(shí)段內(nèi)，A棟建筑的空調(diào)負(fù)荷明顯小于B棟建筑，在沒(méi)有太陽(yáng)輻射的其他時(shí)段，A棟建筑的空調(diào)于B棟建筑相當(dāng)。

四、采光板的優(yōu)化設(shè)計(jì)

太陽(yáng)位置隨時(shí)間，季節(jié)的變化不斷變化，不同的緯度太陽(yáng)運(yùn)行軌跡也各不相同，采光板的設(shè)計(jì)重點(diǎn)就在于如何在不同的入射角度下最有效的利用太陽(yáng)輻射，以期達(dá)到全年建筑整體能耗最小的目標(biāo)。

幾何形狀的優(yōu)化

對(duì)于采光板幾何形狀的優(yōu)化主要集中在，上部開(kāi)窗高度，內(nèi)外采光板長(zhǎng)度及傾斜角度。對(duì)于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的內(nèi)外平板式采光板，可以通過(guò)光線(xiàn)反射路徑的分析，來(lái)求取最佳的幾何結(jié)構(gòu)。

通過(guò)對(duì)幾何結(jié)構(gòu)的分析可以得到內(nèi)外采光板長(zhǎng)度與上部開(kāi)窗高度，光線(xiàn)入射角以及傾斜角度之間的幾何關(guān)系方程：

—入射光線(xiàn)與水平面的夾角；

-分別為室外采光板和室內(nèi)采光板與水平面的夾角；

—上部開(kāi)窗的高度。

得到上述公式后再跟據(jù)當(dāng)?shù)氐木暥却_定光線(xiàn)入射角的全年變化范圍，以距離窗口4～9m處全年得到自然采光時(shí)間最長(zhǎng)為優(yōu)化目標(biāo)，確定采光板的最優(yōu)幾何形狀。

對(duì)于幾種結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的采光板形式，通常是先設(shè)計(jì)出原型，制作出縮小的建筑模型；用激光束模擬太陽(yáng)光線(xiàn)，變化激光的入射角度，模擬太陽(yáng)的運(yùn)行；同樣以距離窗口4～9m處全年得到自然采光時(shí)間最長(zhǎng)為優(yōu)化目標(biāo)，用更直觀(guān)的方法對(duì)采光板進(jìn)行優(yōu)化。

材料的選擇

內(nèi)外采光板的表面應(yīng)當(dāng)比較平滑，易于陽(yáng)光的反射；表面上涂反射率高的涂料，以期使更多的光線(xiàn)進(jìn)入室內(nèi)。通過(guò)上部窗戶(hù)進(jìn)入室內(nèi)的太陽(yáng)輻射量較大，因此在上部窗戶(hù)上使用具有光譜選擇性的鍍膜玻璃，允許可見(jiàn)光透過(guò)，把紅外輻射阻隔在室外，將會(huì)有更好的節(jié)能效果。

五、 結(jié)論

良好的自然采光效果

采光板對(duì)大進(jìn)深建筑的采光效果改善明顯，即使最簡(jiǎn)單的內(nèi)外平板式采光板，也能全天有效地增加室內(nèi)距離窗口4～9m處的照度，提高整個(gè)房間的采光均勻性。在室外自然光照度較低的清晨、傍晚，以及夏季太陽(yáng)高度角較高時(shí)，效果尤為明顯。與普通建筑相比，安裝采光板的建筑室內(nèi)采光效果更好，自然光線(xiàn)的利用率更高。

降低建筑能耗，增加室內(nèi)舒適度

采光板利用的上部開(kāi)窗較小，不會(huì)嚴(yán)重的增加空調(diào)負(fù)荷；而且采光板在通過(guò)上部開(kāi)窗將陽(yáng)光引入室內(nèi)的同時(shí)，對(duì)于大面積的下部開(kāi)窗起到了外遮陽(yáng)的作用。從模擬結(jié)果可看出使用采光板后空調(diào)負(fù)荷有明顯的降低。當(dāng)采用經(jīng)過(guò)優(yōu)化的采光板時(shí)節(jié)能效果將會(huì)更加明顯。

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