天井式民居的自然采光仿真模擬

陳啟泉，靳 泓，左云豪，段宇豪

(重慶大學(xué)，重慶 400044)

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天井式民居的自然采光仿真模擬

陳啟泉，靳 泓，左云豪，段宇豪

(重慶大學(xué)，重慶 400044)

傳統(tǒng)天井式民居的窗戶性能顯著影響室內(nèi)自然采光水平。本研究對江西省金溪縣滸灣村天井式傳統(tǒng)民居進(jìn)行了仿真模擬，旨在確定傳統(tǒng)天井式住宅室內(nèi)自然采光的最佳策略。結(jié)果表明，窗地比至少應(yīng)達(dá)到為1/6，高窗和普通窗組合運(yùn)用是理想的選擇，窗欞對室內(nèi)自然采光的影響最小。運(yùn)用Ecotect軟件得出的采光策略提高了室內(nèi)自然采光，使用照度計(jì)現(xiàn)場測量的傳統(tǒng)方法并不準(zhǔn)確。

天然采光；Ecotect；天井式民居；仿真模擬

0 引 言

創(chuàng)建舒適的室內(nèi)居住環(huán)境，適宜的照明、通風(fēng)和優(yōu)良的熱力學(xué)條件是至關(guān)重要的元素。然而，由于材料和技術(shù)的限制及其他缺點(diǎn)，天井式住宅的外墻只有少數(shù)直接面向外部的窗戶。因此，許多房間接受低照度的室內(nèi)自然采光。

滸灣村處在江西省撫州市金溪縣的西部。滸灣村詹家巷37號的詳細(xì)測繪結(jié)果如圖1所示。滸灣村的居民因地制宜使用建材，主要包括石頭、木材和青磚。除了結(jié)構(gòu)作用，外墻也兼?zhèn)浞烙δ?。因此，古徽州地區(qū)外墻采用石材，并且外墻只設(shè)置少數(shù)窗戶，且多是開口小的高窗。內(nèi)墻由木板、門和具裝飾性的花欞窗組成，導(dǎo)致相對獨(dú)立的廂房缺乏直接的自然采光。

1 仿真模擬

1.1 參數(shù)設(shè)置

(1)研究對象。詹家巷37號民宅。

(2)基本條件。116.6°E,27.9°N，光氣候第Ⅳ區(qū)，K=1。

(3)天空漫反射照度。時間2014年7月28日，考慮到避免烈日直射導(dǎo)致陰影而帶來的仿真不準(zhǔn)確性，以達(dá)到室外天然光只有擴(kuò)散光，窗戶的朝向不會影響采光情況模擬。因此，Ecotect軟件中，天氣狀況設(shè)定為GIE，天空照度5 000 lx。

(4)判定標(biāo)準(zhǔn)。采光系數(shù)和工作面照度，照度作為參考對象。

圖1 還原天井式民居

圖2 一層平面示意

1.2 仿真區(qū)域

選取37號樓第一層的三個房間，簡化之作為仿真的研究區(qū)(圖2)。三個房間的窗地比和窗口的位置不同，但相同的是都具有高窗并且窗戶有花欞。三個區(qū)域的基本情況如表1所示。

窗地比、窗的位置、有無窗欞作為研究變量，綜合運(yùn)用控制變量法和Ecotect仿真技術(shù)。主要仿真模擬：

(1)a，b，c三個區(qū)域的采光情況；

(2)窗地比對室內(nèi)自然采光的影響；

(3)開窗位置的影響；

(4)窗欞對自然采光的影響大小。

表1 三個區(qū)域的基本情況

圖3 自然采光仿真模擬

2 測試結(jié)果

圖3中，采光系數(shù)的變化范圍為0.4%～20.4%，黃色區(qū)域的采光系數(shù)最大，反之，藍(lán)色區(qū)域的采光系數(shù)最小。藍(lán)色漸變至黃色共有11種顏色，表示11個采光級別，逐漸遞減2%。令人驚訝的是，即使廂房面積都很小，室內(nèi)工作面照度卻仍然分布不均，遠(yuǎn)離門窗采光口處照明狀況極差。仿真顯示，a，b，c三個房間的自然采光系數(shù)最小值都為0.4%，遠(yuǎn)達(dá)不到Ⅴ級采光等級(0.5%≤最小采光系數(shù)，表2所示)。

表2 居住建筑的采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值GB/T 50033—2013建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

3 各變量對滸灣民居室內(nèi)天然采光的影響

a，b，c三個房間的窗地比依次是0，0.42，0.04。然而，GB/T 50033—2013《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，民用建筑等級為Ⅳ級時，側(cè)墻采光面的窗地比≥1/6(表3)。依此規(guī)定，a和c房間遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到窗地比要求，唯獨(dú)b房間滿足窗地比規(guī)定，c房間甚至為暗室。Ecotect模擬時，房門的設(shè)定為開啟，這才使a和c房間出現(xiàn)采光系數(shù)較高的區(qū)域，實(shí)際情況下則需要長期開門達(dá)到自然采光。

b房間是最重要的廂房，緊鄰天井，窗扇上裝飾有魚蟲草木等花欞，看起來阻擋了大量的自然光入射量。然而，運(yùn)用Ecotect軟件仿真模擬，結(jié)果顯示靠近窗戶的區(qū)域具有高達(dá)20.4%的采光系數(shù)，遠(yuǎn)離窗戶的角落仍可達(dá)到6.4%，依然大于GB/T 50033—2013《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的Ⅰ級采光等級(最小采光系數(shù)>5%)。因此，b房間窗扇即使有豐富圖案的鏤花，也仍然具備良好的自然光環(huán)境水平。

暗室a房間內(nèi)絕大部分工作面的采光系數(shù)約為0.4%。即使外墻600 mm×800 mm的高窗直接對外采光，在緊臨高窗的工作面才具至多6.4%的采光系數(shù)，其余區(qū)域只有 0.4%左右。高窗不僅不能提升遠(yuǎn)離高窗區(qū)域的光環(huán)境水平，甚至對窗口采光影響也微乎其微。

表3 窗地面積比Ac/AdGB/T 50033—2013建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

4 改進(jìn)措施和驗(yàn)證

Ecotect定量分析表明，提高窗地比，避免只開高窗，能改善室內(nèi)自然采光，窗欞對天井附近房間的采光影響甚小。鑒于滸灣村的文化價值，在不破壞原有結(jié)構(gòu)的前提下我們提出一系列的改善措施，并使用Ecotect仿真模擬驗(yàn)證。

為了驗(yàn)證該方法的有效性，選擇的房間a(沒有窗洞)虛擬開窗仿真實(shí)驗(yàn)。窗地比設(shè)置為1/6，窗口設(shè)置高于地板900 mm，無高窗。仿真結(jié)果表明：外部窗口附近的照明系數(shù)高達(dá)20.4%，而大多數(shù)房間都在6.4%以上，如圖4(Ⅰ)所示。因此，其他因素保持不變，提高窗地比(超過1/6)，可以大大提高室內(nèi)照明條件。

靠近天井的窗扇允許用花鳥蟲魚木雕裝飾。然而，無直接自然采光房間的窗扇應(yīng)盡可能減少，甚至取消窗欞。為了驗(yàn)證效果，選擇房間c(大量窗欞)在Ecotect模型中仿真驗(yàn)證。刪除窗欞，雖然立面上有微小變化，但可有效增加光通量。最后仿真模擬c室采光條件，結(jié)果表明，外窗附近的照明系數(shù)雖然高達(dá)8.4%，然而與原來相比，同一區(qū)域的照明系數(shù)僅增加了2%，因此取消窗欞并不能有效提升室內(nèi)自然采光環(huán)境，如圖4(Ⅱ)所示。

圖4 改進(jìn)后的自然采光模擬

在室內(nèi)裝飾層材料的選擇上，應(yīng)注意使用明亮的顏色和光滑表面的材料，避免使用帶有暗淡顏色和粗糙表面的材料作為室內(nèi)裝飾層。這可以使光線在室內(nèi)多次反射。為了驗(yàn)證這些措施的有效性，我們選擇c室(粗糙木質(zhì)裝飾層)模擬，涂白乳膠漆在內(nèi)壁，結(jié)果如圖4(Ⅲ)所示，自然采光系數(shù)略有增加，從4.4%增至6.4%，且分布均勻。

5 小 結(jié)

筆者運(yùn)用Ecotect軟件對詹家巷37號民宅進(jìn)行定量仿真，模擬不同房間的自然采光狀況，發(fā)現(xiàn)存在的問題，室內(nèi)自然采光系數(shù)低，在一些房間窗地比不達(dá)標(biāo)，室內(nèi)照度分布不均勻。以窗地比、窗位和窗欞作為變量，得出窗地比和窗位是影響室內(nèi)自然采光的主要因素，窗欞是次要因素。隨后，在不破壞原有民宅結(jié)構(gòu)前提下，提出增加窗地比，避免高窗，選擇明亮色彩和光滑表面裝飾材料等改進(jìn)措施。這些措施被證明是有效可行的。

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照明空間與應(yīng)用

The Natural Lighting Simulation of the Traditional Dwelling Residence

CHEN Qiquan, JIN Hong, ZUO Yunhao, DUAN Yuhao

(ChongqingUniversity,Chongqing400044,P.R.China)

The performance of the window of a traditional dwelling architecture significantly influences the natural lighting level of such a building. This study aims to determine the best strategy for the natural lighting of traditional dwelling architecture by examining No.37 residence in Huwan village. Window-floor ratio, window position, and window lattice were studied through Ecotect software involving lighting simulations. Results show that the optimum window-floor ratio is 1/6. The combination of high windows and ordinary windows is the ideal option to improve the natural lighting. The window lattice exerts a minimal effect on natural lighting increase. Adopting the best natural lighting strategy combination can further improve indoor natural lighting. Future research should be directed toward applying Ecotect software to quantitatively evaluate the lighting effects of other components of traditional dwelling architecture and produce the best natural lighting strategy combination.

natural lighting; Ecotect; eraditional dwelling residence; simulation

2016-07-15 基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51278507)

陳啟泉，男，重慶大學(xué)碩士研究生