南向外窗反光板采光設(shè)計(jì)分析—以張家口地區(qū)為例

孫 健 王金奎 毛婭玲 成 帥 任志坤

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

0 引 言

人類經(jīng)過上千萬年的進(jìn)化，人眼對于自然光的適應(yīng)性和高效性要遠(yuǎn)優(yōu)越于人工光.且太陽能是一種潔凈綠色的能源，室內(nèi)充分地利用自然光，對于建筑節(jié)能和光環(huán)境的改善具有重大意義.但自然光受自然環(huán)境的影響很大，建筑室內(nèi)照度和均勻度非常不穩(wěn)定.反光板設(shè)計(jì)通過增加室內(nèi)光照強(qiáng)度，從而改善室內(nèi)自然光環(huán)境，最終達(dá)到充分利用自然光和有效地降低室內(nèi)光環(huán)境對于照明系統(tǒng)的依賴的作用.

1 南向外窗反光板的基本形式

南向外窗通過反光板的設(shè)計(jì)，選擇性地將自然光反射到室內(nèi)和遮擋陽光對室內(nèi)的直接照射，進(jìn)而改善室內(nèi)的光環(huán)境，充分利用天然光.這種利用反光板的方式并不是相對獨(dú)立的，可以結(jié)合張家口氣候特點(diǎn)與傳統(tǒng)的遮陽方式，更好地適應(yīng)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件和光照需求.且反光板的材料、色彩和其與外窗的角度可以根據(jù)室內(nèi)自然光環(huán)境的需求進(jìn)行調(diào)節(jié)和設(shè)定.

1.1 豎向反光板

將反光板豎向設(shè)置在南向外窗的西側(cè)或者東側(cè)，并且根據(jù)自然環(huán)境和室內(nèi)照度的需要可以改變反光板的角度和大小.由于下午室外氣溫較高，在東側(cè)設(shè)反光板會(huì)引起室內(nèi)溫度過高，因此本文將反光板豎向設(shè)置在外窗的西側(cè)，用于改變上午室內(nèi)光環(huán)境.上午時(shí)段尤其在10點(diǎn)之前，太陽高度角較低時(shí)，西側(cè)豎向反光板可以有效增加室內(nèi)太陽輻射，提高室內(nèi)照度(如圖1,a和b所示).而同理在下午時(shí)，太陽高度角降低時(shí)，減少了太陽光對于的室內(nèi)照射，起到了遮陽的作用.

a.無反光板太陽光線平面分析圖 b.西側(cè)豎向反光板太陽光線平面分析圖

2.2 水平反光板

2.2.1 窗上方水平反光板

將反光板設(shè)置在南向外窗的中上部，反光板的上方仍然有一小段外窗，且這一小段外窗的內(nèi)部設(shè)置與太陽光直射方向垂直的百葉.百葉的角度可以根據(jù)室內(nèi)的需求進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié).如圖2,a和b所示，反光板位于南向外窗中上部可以有效遮擋正午前后的太陽直射光線.而且通過外窗上端反光板的反射可以將一些太陽反射光線引入室內(nèi).提高房間深處的照度，降低近窗處的照度，改善室內(nèi)整體照度均勻性.

a.無反光板太陽光線平面分析圖 b.窗上方水平反光板太陽光線剖面分析圖

2.2.2 窗下方水平反光板

將反光板設(shè)置在南向外窗的下端，且可在反光板的外側(cè)邊緣處設(shè)置低矮的欄桿.如圖3,a和b所示，冬季太陽高度角是一年當(dāng)中最低和光照強(qiáng)度最弱的階段，通過窗戶下端反光板的反射，更大程度的將太陽光通過漫反射引入室內(nèi)，進(jìn)而增加室內(nèi)的照度.夏季，反光板上放置了植物盆栽，不僅遮擋了反光板的反光功能，還遮擋了大量日光對于室內(nèi)的照射，尤其降低了窗臺(tái)處的照度.這種優(yōu)化方式改善了不同季節(jié)室內(nèi)照度、均勻度，并且減少眼部視覺疲勞和室內(nèi)照明設(shè)備的能耗.這種形式對于高緯度地區(qū)(如壩上地區(qū))，更加有利于減少對于白天室內(nèi)照明系統(tǒng)的依賴.因?yàn)樵摰貐^(qū)太陽高度角較低(特別是在冬季)，所以可以講太陽光想引入室內(nèi)的更深處.

a.夏至日太陽光線剖面分析圖 b.冬至日太陽光線剖面分析圖

3 南向反光板室內(nèi)采光分析

本文采用Ecotect(Ecotect是一款建筑方案階段的綠色生態(tài)模擬軟件)和Radiance(Radiance是一款建筑采光和照明的模擬分析軟件)軟件對室內(nèi)采光情況經(jīng)行模擬分析.最終為反光板設(shè)計(jì)提供了合理的數(shù)據(jù)參考.張家口市的太陽輻射數(shù)據(jù)來源于2002年郎四維與勞倫斯伯克利實(shí)驗(yàn)室合作建立了張家口市的氣象數(shù)據(jù)庫.

3.1 室內(nèi)工作面照度的模擬對照分析

冬至日為一年之中分析太陽高度角最小的時(shí)候，也是室內(nèi)自然光環(huán)境最差的時(shí)間段.所以將模擬的時(shí)間設(shè)定為冬至日，并分析09：00、12：00和16：00三個(gè)時(shí)刻不同反光板對于室內(nèi)工作面照度(750 m)的影響.如圖4所示，通過Ecotect將攝像機(jī)設(shè)定為距窗1 200 mm、3 900 mm和6 000 mm分別代表近窗處、室內(nèi)中部和室內(nèi)深處，通過Ecotect內(nèi)置Radiance的導(dǎo)出控制功能渲染分析各種反光板對于室內(nèi)工作面照度的分布情況.

圖4 攝像機(jī)分布示意

3.2 冬至日9：00室內(nèi)工作面照度分布

1200mm3900mm6000mm圖例a.無反光板室內(nèi)工作面照度分布b.設(shè)西側(cè)豎向反光板室內(nèi)工作面照度分布c.設(shè)窗上水平反光板室內(nèi)工作面照度分布d.設(shè)窗下水平反光板室內(nèi)工作面照度分布

注：模型尺寸設(shè)為寬度3 300 mm，進(jìn)深6 000 mm，高度3 300 mm.反光板長度與窗的尺寸相同，寬度設(shè)為600 mm，厚100 mm.水平上反光板距離窗上沿300 mm.

圖5冬至日9：00室內(nèi)工作面照度分布

圖片來源：Radiance模擬計(jì)算.

通過圖5中a行與b行對比發(fā)現(xiàn)，設(shè)置西側(cè)豎向反光板后，近窗處的照度平均增加了約100 Lux，而中部的平均照度增加約40 Lux，深部的平均照度增加約20 Lux.距窗約3 900 mm內(nèi)均滿足《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(以下簡稱《標(biāo)準(zhǔn)》)要求的450 Lux.圖5中a行與c行對比表明，水平上反光板阻礙了采光，且遮陽效果大于反光效果，整體將室內(nèi)工作面平均照度降低約100 Lux.距窗約3 660 mm內(nèi)均滿足《標(biāo)準(zhǔn)》要求的450 Lux.圖5中a行與c行對比得出，水平下反光板對于室內(nèi)工作面照度整體的提高了約20 Lux.距窗約3 660 mm內(nèi)均滿足《標(biāo)準(zhǔn)》要求的450 Lux.

3.3 冬至日上午12：00室內(nèi)工作面照度分布

1200mm3900mm6000mm圖例a.無反光板室內(nèi)工作面照度分布b.設(shè)西側(cè)豎向反光板室內(nèi)工作面照度分布c.設(shè)窗上水平反光板室內(nèi)工作面照度分布d.設(shè)窗下水平反光板室內(nèi)工作面照度分布

注：模型尺寸設(shè)為寬度3 300 mm，進(jìn)深6 000 mm，高度3 300 mm.反光板長度與窗的尺寸相同，寬度設(shè)為600 mm，厚100 mm.水平上反光板距離窗上沿300 mm.

圖6冬至日上午12：00室內(nèi)工作面照度分布

圖片來源：Radiance模擬計(jì)算.

通過圖6中a行與b行對比發(fā)現(xiàn)，西側(cè)豎向反光板在近窗處對平均照度基本沒有印象，但在室內(nèi)中部和深部的平均照度提高約20Lux.室內(nèi)均滿足《標(biāo)準(zhǔn)》要求的450Lux.圖6中a行與c行對比表明，反光板基本起到了遮陽的作用，對于室內(nèi)工作面的平均照度降低了約350Lux.室內(nèi)均滿足《標(biāo)準(zhǔn)》要求的450Lux.圖6中a行與c行對比得出，水平下反光板對室內(nèi)各個(gè)部分的工作面平均照度提高了約40Lux.室內(nèi)均滿足《標(biāo)準(zhǔn)》要求的450Lux.

3.4 冬至日16：00室內(nèi)工作面照度分布

1200mm3900mm6000mm圖例a.無反光板室內(nèi)工作面照度分布b.設(shè)西側(cè)豎向反光板室內(nèi)工作面照度分布c.設(shè)窗上水平反光板室內(nèi)工作面照度分布d.設(shè)窗下水平反光板室內(nèi)工作面照度分布

注：模型尺寸設(shè)為寬度3 300 mm，進(jìn)深6 000 mm，高度3 300 mm.反光板長度與窗的尺寸相同，寬度設(shè)為600 mm，厚100 mm.水平上反光板距離窗上沿300 mm.

圖7冬至日16：00室內(nèi)工作面照度分布

圖片來源：Radiance模擬計(jì)算.

通過圖7中a行與b行對比發(fā)現(xiàn)，西側(cè)豎向反光板對于室內(nèi)采光嚴(yán)重影響，平均照度降低了約200Lux.距窗約2500mm內(nèi)均滿足《標(biāo)準(zhǔn)》要求的450Lux.圖7中a行與c行對比表明，水平上反光板在近窗處平均照度降低了約100Lux，而中部和深部平均照度降低了約40Lux.距窗約3 200 mm內(nèi)均滿足《標(biāo)準(zhǔn)》要求的450Lux.圖7中a行與c行對比得出，水平下反光板對室內(nèi)各個(gè)部分的工作面平均照度提高了約20Lux.距窗約3 450 mm內(nèi)均滿足《標(biāo)準(zhǔn)》要求的450Lux.

4 結(jié) 語

西側(cè)豎向反光板雖然對于上午時(shí)間段內(nèi)的室內(nèi)光環(huán)境有所改善，但是對于下午時(shí)間段內(nèi)嚴(yán)重影響室內(nèi)自然光的利用.但這種設(shè)計(jì)可以在西曬嚴(yán)重，且對于下午采光要求較低的房間采用.水平上反光板如果在同等開窗面積下，遮陽的效果要大于反光的效果.但如果房間進(jìn)深不大，且夏季光照強(qiáng)度較高，可以采用這種設(shè)計(jì)方式；水平下反光板可以最大限度增加室內(nèi)自然光的利用率.其形式優(yōu)化既滿足了夏季遮陽的功能，又不會(huì)能削弱冬季日照的需求.既防止了眩光現(xiàn)象，又改善了室內(nèi)照明均勻度.不論任何時(shí)刻，都提高了室內(nèi)深處的照度，增加了室內(nèi)整體的照度水平.對于室內(nèi)照度要求較高且進(jìn)深較大的房間，可采用這種設(shè)計(jì)方式.

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[2]柳孝圖.建筑物理[M].中國建筑工業(yè)出版社

[3]住房城鄉(xiāng)建設(shè)部，建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(GB 50033—2013)[Z]

[4]楊柳.建筑氣候?qū)W[M].中國建筑工業(yè)出版社