局部弧形頂棚對單側(cè)采光教室的采光影響研究

徐暢澤

【摘要】高校教學(xué)類建筑在高校建筑中占有著舉足輕重的作用，歷來是采光大戶，采光要求也更高，存在著使用人數(shù)多和使用時段集中的特點。當(dāng)下一些教室過度依賴人工照明，這是很不可取的，既增加教室運(yùn)行能耗，又不利于學(xué)生的視力和身心健康。單側(cè)窗采光的教室因受到采光有效進(jìn)深的制約，常造成采光均勻度偏低。研究表明傾斜式頂棚能在一定程度上改善單側(cè)窗教室內(nèi)采光不均，但大面積的傾斜頂棚不但會產(chǎn)生室內(nèi)空間的壓迫感，且易導(dǎo)致聲場缺陷。單側(cè)采光的教室中采光最差的部位位于遠(yuǎn)窗處，如何提高該處的采光水平成為提升教室整體采光效果的關(guān)鍵。本文在教室該處的上空設(shè)置弧形頂棚來改變光在教室空間內(nèi)的反射環(huán)境，最終在一定程度上改善遠(yuǎn)窗處的采光水平，進(jìn)而改善采光均勻性，且空間壓迫感較小，對聲環(huán)境的干涉也較低。

【關(guān)鍵詞】單側(cè)采光;弧形頂棚;采光均勻度;照度均勻度

1、調(diào)研

1.1基本情況

筆者選擇第III類光氣候區(qū)中的安陽為調(diào)查區(qū)域，選擇安陽師范學(xué)院和安陽工學(xué)院的個別教室為調(diào)研對象。測點循著窗中線和窗間墻中線橫向間隔1m排開。

1.2調(diào)研結(jié)果及其分析

①安陽師范學(xué)院和展樓B303室

該教室為北向采光。2019年5月12日15點15分和15點45分測得的照度平均值分別為669lx和658lx，照度均勻度分別為0.13和0.11，顯然照度平均值都很高，但照度均勻度均較低。 5月13日8點35分至11點35分每隔一小時進(jìn)行一次測量，所得照度平均值分別為664lx、857lx、807lx和672lx，照度均勻度分別為0.12、0.1、0.11和0.13，顯然該時段教室內(nèi)的照度平均值都很高，但照度均勻度都較低。

②安陽工學(xué)院土建學(xué)院409室

該教室朝南采光，且面積較大。2019年5月13日14點35分至16點35分每隔一小時進(jìn)行一次測量，所得照度平均值分別為580lx、466lx和339lx，照度均勻度分別為0.16、0.17和0.17。照度平均值下降明顯，照度均勻度幾乎無變化，說明此時段受室外光環(huán)境的影響較大。而照度均勻度始終較低，說明室內(nèi)進(jìn)深深處收到的光量始終處在較低水平，照度最小值的波動與照度平均值的波動節(jié)奏相一致。16點35分距南側(cè)窗3m至9m這一進(jìn)深區(qū)間內(nèi)測點基本已達(dá)不到《建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB50033-2013）中條文4.0.4對最低照度450lx的規(guī)定。

2、建模

結(jié)合調(diào)研結(jié)果來建立教室模型，設(shè)定為單側(cè)采光的內(nèi)廊式教學(xué)樓中的教室。結(jié)合安陽的氣候?qū)⒋皯粼O(shè)定為單層玻璃單層窗，南北向教室各一間，且周邊無明顯遮擋物。目前國家和地方標(biāo)準(zhǔn)中對高校教室的層高暫未做出明確規(guī)定，但在《北京市綠色建筑設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（DB11/938-2012）的7.2.4條給出了學(xué)校建筑適宜層高，認(rèn)為學(xué)校等建筑層高宜不小于3.6m。此處可借鑒北京市地方綠標(biāo)中的這一規(guī)定，故將層高定為3.6m。水平頂棚與窗上沿齊平，各材料的反射率在符合各標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范下本著盡量提高室內(nèi)反光水平而設(shè)定，詳細(xì)參數(shù)和教室內(nèi)部見表1。

3、模擬

0.75m的工作面高度與《采光測量方法》（GB/T5699-2017）中將民用建筑的采光測量水平參考平面定為0.75m相一致，也接近實際課桌高度。春秋分日選用Intermediate Sky，它是介于晴天和全陰天之間的天空，用以模擬典型的過度季節(jié)條件。夏至日選用Sunny Sky，它是使用CIE晴天模型產(chǎn)生太陽和晴朗藍(lán)色天空，用以模擬最有利的夏季設(shè)計條件。冬至日選用Cloudy Sky，它是使用CIE全陰天模型產(chǎn)生一個完全被云籠罩的天空，用以模擬最不利的冬季設(shè)計條件。先在軟件Ecotect和Radiance中進(jìn)行采光系數(shù)與四個節(jié)氣日照度的模擬，再在Daysim中進(jìn)行動態(tài)模擬，模擬結(jié)果見表2。

結(jié)論：

（1）采光系數(shù)（DF）、DF≥3%占面積比與采光均勻度

南北向教室的空間形態(tài)是對稱的，不同朝向與采光系數(shù)的分布無關(guān)，故工作平面上的采光系數(shù)分布也一致。南北側(cè)教室在進(jìn)深深處上空設(shè)置圓弧頂棚后的DF平均值均略有提高，但增幅不大。采光均勻度都有所提高，歸功于增加了進(jìn)深深處各點的采光系數(shù)，也就在采光相對較弱的區(qū)域上空設(shè)置圓弧頂棚后使得教室內(nèi)采光更加均勻了。DF≥3%占面積比略有上漲，雖增幅不大，但終歸是有益的。南北向兩個教室的采光均勻度在設(shè)定了弧形頂棚后均有大幅提升，增幅均為20.7%。

（2）四個節(jié)氣日12點照度與照度均勻度

南向教室內(nèi)因近窗處存在大量直射光，導(dǎo)致照度均勻度較低。與其相對應(yīng)的北向教室的照度均勻度則較好。從表2中可看出南向教室即使設(shè)置了局部弧形頂棚，四個節(jié)氣日的照度均勻度除冬至日外均低于北向水平頂棚教室的照度均勻度。造成這種情況的一大原因是南向教室近窗處收到的直射光較多，故可在南側(cè)教室窗戶的適當(dāng)位置設(shè)置兼有反光作用的遮陽板，在晴天和多云天時可以遮擋部分時段的太陽直射光，同時將遮擋的光線反射到頂棚，光線經(jīng)過頂棚的再次反射便可到達(dá)進(jìn)深深處，從而在降低近窗處照度的同時提高了進(jìn)深深處的照度，也就實現(xiàn)了整個教室照度均勻度的提高。冬至日時，可見在相當(dāng)于全陰天這種最不利采光的天空下，兩種頂棚下的南北向教室的照度均勻度較為接近，除南向教室在水平頂棚下為0.26，其余均達(dá)到稍高的0.28。

（3）DA與UDI

南北向教室在設(shè)定了局部弧形頂棚后使得全天然采光時間百分比（DA）這一動態(tài)評價指標(biāo)的平均值均略有上升，即表明工作平面上各點在全年工作時間中單獨(dú)依靠天然采光就能夠達(dá)到最小照度450lx要求的時間百分比平均值有所增加。而有效天然采光照度時間百分（UDI）的各區(qū)間評價指標(biāo)的改變則并不明顯。

綜上，在采光條件較差的單側(cè)窗教室進(jìn)深深處上空設(shè)置反射率較高的弧形頂棚可起到提升采光均勻度和照度均勻度的目的，對全天然采光時間百分比（DA）平均值有小幅的提升，對有效天然采光照度時間百分比（UDI）的改變并不明顯。本文弧形頂棚的弧度是筆者在建模時隨意畫出的，由此得出了上文中的相關(guān)結(jié)論。以何種形式的局部弧形頂棚結(jié)合具體的教室空間能夠產(chǎn)生較好的采光環(huán)境，這需在教室采光設(shè)計時結(jié)合計算機(jī)模擬進(jìn)行具體情況具體分析，進(jìn)而改善因進(jìn)深超過采光有效進(jìn)深引起的局部采光不足和整體采光不均。

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