基于動(dòng)態(tài)采光評(píng)價(jià)的綠色住宅自然采光設(shè)計(jì)研究

劉 宇，祝 捷，閆靜靜，程嗣閑，沈晶晶（天津大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院， 天津 300073）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與生活水平的提高，人們對(duì)于居住環(huán)境的要求日益增加。其中，住宅的自然采光是否良好是居住者關(guān)心的重要內(nèi)容之一。自然采光直接影響了居住環(huán)境的品質(zhì)，良好的自然采光可以提供充足的照明，節(jié)約能源。同時(shí)，自然采光營(yíng)造的光環(huán)境采光均勻、照度適宜，對(duì)居住者的生理健康、心理健康有積極影響。在綠色建筑蓬勃發(fā)展的今天，自然采光的好壞已經(jīng)成為判斷住宅綠色建筑性能的重要指標(biāo)，伴隨著模擬技術(shù)的發(fā)展，住宅自然采光設(shè)計(jì)要求變得更為合理與精確。如何更好地對(duì)住宅自然光環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)，成為設(shè)計(jì)師關(guān)注的問(wèn)題。

1 采光標(biāo)準(zhǔn)要求

1.1 采光評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展

2001 年 11 月 1 日，GB/T 50033—2001《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》開(kāi)始實(shí)施。該標(biāo)準(zhǔn)是在 GB 50033—1991《工業(yè)企業(yè)采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的基礎(chǔ)上，總結(jié)居住和公共建筑采光的經(jīng)驗(yàn)，并參考國(guó)內(nèi)外采光標(biāo)準(zhǔn)制定的。2013 年 5 月 1 日，GB 50033—2013《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》正式執(zhí)行，由推薦性標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn), 其中，對(duì)于臥室、起居室的采光要求規(guī)定為強(qiáng)制性條文。在綠色建筑評(píng)價(jià)方面，早在 2006 年，我國(guó)第一版 GB/T 50378—2006《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》中，已經(jīng)把臥室、起居室等住宅使用空間的采光系數(shù)作為控制項(xiàng)要求進(jìn)行評(píng)價(jià)。在后續(xù) 2014 版中將這些空間的自然采光評(píng)價(jià)要求進(jìn)行了簡(jiǎn)化，通過(guò)規(guī)定窗地面積比來(lái)保證居住空間的采光性能。至 2019 版評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，在評(píng)分項(xiàng)中提出了住宅建筑室內(nèi)主要功能空間≥60 % 面積比例區(qū)域 ，其采光照度值≥ 300 lx 的小時(shí)數(shù)，平均采光時(shí)間≥8 h/ d。相比較之前的標(biāo)準(zhǔn)，新版評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)滿足照度要求的時(shí)長(zhǎng)做了規(guī)定。這種將全年中建筑空間各位置滿足采光照度要求的時(shí)長(zhǎng)來(lái)進(jìn)行采光效果的評(píng)價(jià)，稱(chēng)為動(dòng)態(tài)采光評(píng)價(jià)。

1.2 不同采光評(píng)價(jià)指標(biāo)的對(duì)比

在國(guó)外其他評(píng)價(jià)體系中，如 LEED、WELL 采用年陽(yáng)光照射度（ASE）與空間日照自足指數(shù)（sDA）動(dòng)態(tài)采光分析指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)自然采光的效果。國(guó)內(nèi) T/ASC 02—2016《健康建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)公共建筑自然采光評(píng)價(jià)也基于動(dòng)態(tài)采光評(píng)價(jià)做出了要求，如表 1 所示。隨著標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，使用動(dòng)態(tài)采光評(píng)價(jià)作為自然采光評(píng)價(jià)指標(biāo)逐漸被采用，并成為一種趨勢(shì)。

1.3 動(dòng)態(tài)采光評(píng)價(jià)的優(yōu)點(diǎn)

傳統(tǒng)的靜態(tài)采光評(píng)價(jià)方法是考慮最不利的全陰天條件下，通過(guò)設(shè)定室外臨界照度，對(duì)室內(nèi)采光系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果與建筑空間形態(tài)、開(kāi)窗尺寸及建筑材料光學(xué)性能有關(guān)，無(wú)法體現(xiàn)太陽(yáng)輻射照度、建筑朝向等因素對(duì)于建筑采光的影響。實(shí)際上，室外光環(huán)境的情況是不斷變化的。動(dòng)態(tài)采光評(píng)價(jià)以建筑室外年度太陽(yáng)輻射照度數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計(jì)算建筑內(nèi)部連續(xù)時(shí)間段內(nèi)照度值并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。動(dòng)態(tài)采光評(píng)價(jià)除體現(xiàn)了空間形態(tài)、開(kāi)窗尺寸及材料光學(xué)性能外，還可以有效地反映出建筑的朝向、不同時(shí)間、地點(diǎn)以及當(dāng)?shù)氐奶鞖馇闆r等影響因素對(duì)室內(nèi)光環(huán)境的影響，可以更加真實(shí)地對(duì)自然采光的效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

表 1 不同標(biāo)準(zhǔn)住宅自然采光評(píng)價(jià)指標(biāo)

2 自然采光影響因素模擬分析

2.1 模型的建立與模擬條件

目前城市住宅以多層、高層為主，其中面寬小、進(jìn)深大的單開(kāi)間、雙開(kāi)間戶型整體自然采光效果較差，且建設(shè)量大。因此，模型選擇典型的雙開(kāi)間 H 戶型為研究對(duì)象，如圖 1 所示。選用綠建斯維爾軟件 Dali 2020 進(jìn)行采光分析。為突出使用動(dòng)態(tài)采光評(píng)價(jià)對(duì)住宅自然采光影響因素的變化，在動(dòng)態(tài)采光評(píng)價(jià)的同時(shí)，對(duì)比模擬相同情況下靜態(tài)采光評(píng)價(jià)的情況。

圖 1 模擬選用戶型

由于動(dòng)態(tài)采光分析受地點(diǎn)影響較大，即使相同的光氣候分區(qū)，在氣象數(shù)據(jù)、緯度等條件影響下結(jié)果也有不同。為了減少變量，選擇天津?yàn)槟M地點(diǎn)。計(jì)算參數(shù)按照 JGJ/T 449—2018《民用建筑綠色性能計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》執(zhí)行，反射比取值地面 0.3，墻面 0.6，頂棚 0.75，外表面 0.5，窗體選用雙層塑鋼窗，結(jié)構(gòu)擋光系數(shù) 0.55，選用高透 Low-E 玻璃，玻璃透射比 0.76。

2.2 戶型空間影響因素分析

在不考慮周邊遮擋情況下對(duì)選用戶型進(jìn)行靜態(tài)采光分析與動(dòng)態(tài)采光分析，分別見(jiàn)圖 2 及圖 3。總體來(lái)看，較大進(jìn)深的空間，自然采光效果不佳。在靜態(tài)采光分析情況下，起居室、臥室、書(shū)房的大部分空間滿足采光系數(shù)＞2.0 的要求，整體達(dá)標(biāo)面積比例為 70%。在動(dòng)態(tài)采光分析情況下，起居室、臥室等主要居住空間照度值≥300 lx，且時(shí)長(zhǎng)＞8 h 的空間面積較少，對(duì)多個(gè)房間統(tǒng)計(jì)時(shí)利用面積加權(quán)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。在天津地區(qū)氣象數(shù)據(jù)下，3～9 月的自然采光情況較好，全年平均時(shí)數(shù) 6.0 h/d。通過(guò)比較可知，靜態(tài)采光評(píng)價(jià)達(dá)標(biāo)區(qū)域采用動(dòng)態(tài)采光評(píng)價(jià)不一定滿足，動(dòng)態(tài)采光評(píng)價(jià)下，選用戶型的自然采光有效時(shí)長(zhǎng)較難滿足要求。

圖 2 選用戶型靜態(tài)采光分析

圖 3 選用戶型動(dòng)態(tài)采光分析

如圖 4 所示，為了分析居住空間的面寬、進(jìn)深及凸出遮擋對(duì)自然采光效果的影響，對(duì)選用戶型進(jìn)行空間優(yōu)化。保持戶型開(kāi)窗面積不變，適當(dāng)增加戶型面寬，減少進(jìn)深，同時(shí)縮小陽(yáng)臺(tái)尺寸，橫向設(shè)置空調(diào)機(jī)位，減少南側(cè)起居室凸出陽(yáng)臺(tái)對(duì)兩側(cè)臥室的遮擋。如圖 5 所示，優(yōu)化后的戶型，全年平均時(shí)數(shù) 6.3 h/d，自然采光情況得到改善。南向兩側(cè)臥室，在降低南側(cè)起居室陽(yáng)臺(tái)遮擋后，采光效果改善明顯。

圖 4 戶型空間優(yōu)化

圖 5 優(yōu)化戶型動(dòng)態(tài)采光分析

2.3 規(guī)劃布局影響因素分析

為研究動(dòng)態(tài)采光評(píng)價(jià)下不同規(guī)劃布局的影響，選取對(duì)采光遮擋較大的行列式布局為研究對(duì)象，對(duì)選用戶型進(jìn)行組合，模型層高 2.8 m，層數(shù) 11 層，高度 30.8 m。按日照系數(shù) 1.5 確定建筑間距，模擬地點(diǎn)選擇天津。由于目前規(guī)劃布局主要受到日照時(shí)數(shù)的限制，首先模擬行列式布局中并列式、錯(cuò)列式、斜列式下日照時(shí)數(shù)的情況，在滿足大寒日 2 h的日照標(biāo)準(zhǔn)的前提下，其中錯(cuò)列式、斜列式（南偏東 15°）的方式可以減少住宅間的遮擋，增加日照時(shí)數(shù)。

在此規(guī)劃布局的基礎(chǔ)上，繼續(xù)分析不同規(guī)劃布局、不同位置的選用戶型室內(nèi)自然采光情況，如表 2 所示。由于靜態(tài)采光分析反映的是全陰天條件下天空漫反射的室內(nèi)照度，規(guī)劃布局對(duì)于靜態(tài)采光分析的影響多表現(xiàn)在周邊遮擋上。因此靜態(tài)采光分析下，除并列式 2，由于西側(cè)遮擋較多造成室內(nèi)采光情況較差外，其余情況室內(nèi)采光情況受規(guī)劃布局影響不大。動(dòng)態(tài)采光分析以室外年度太陽(yáng)輻射照度為基礎(chǔ)，在不同的規(guī)劃布局下，除受周邊遮擋影響外，室內(nèi)采光情況受朝向影響變化很大。對(duì)比日照時(shí)數(shù)分析，較并列式，錯(cuò)列式與斜列式獲得的日照時(shí)數(shù)更多。但是在動(dòng)態(tài)采光模擬中，斜列式并沒(méi)有改善室內(nèi)自然采光情況，年平均時(shí)數(shù)甚至低于并列式。這是由于在斜列式布局雖然增加了日照時(shí)數(shù)，但是有效的太陽(yáng)輻射照度并沒(méi)有增加，因此對(duì)于規(guī)劃布局來(lái)講，合理提高室內(nèi)太陽(yáng)輻射照度，是改善室內(nèi)采光環(huán)境的關(guān)鍵。

表 2 規(guī)劃布局對(duì)于室內(nèi)采光的影響

2.4 窗體及裝修材料影響因素分析

除受戶型空間、規(guī)劃布局影響外，窗的選擇是影響室內(nèi)自然采光的關(guān)鍵。影響因素包括窗的面積、窗結(jié)構(gòu)的擋光折減系數(shù)、玻璃的透射比、污染折減系數(shù)等。由于住宅設(shè)計(jì)需權(quán)衡考慮節(jié)能、隔聲、采光等多方面的要求，窗的面積往往受到限制，因此提高窗的采光性能對(duì)于提高自然采光意義重大。在影響窗采光性能的參數(shù)中，由于節(jié)能要求，多選中空玻璃，透射比變化幅度較小，所以相比而言窗結(jié)構(gòu)的擋光折減系數(shù)影響較大，如圖 6 所示。將窗體選為雙層鋼窗，結(jié)構(gòu)擋光系數(shù) 0.65，對(duì)比模擬結(jié)果全年平均時(shí)數(shù)由 6.0 h/d 提高為6.8 h/d，自然采光效果明顯提高。

圖 6 窗結(jié)構(gòu)的擋光折減系數(shù)優(yōu)化

GB/T 50378—2019 中對(duì)星級(jí)綠色住宅要求全裝修交付，因此不同裝修材料反射比對(duì)于室內(nèi)采光效果的影響應(yīng)該納入設(shè)計(jì)思考范疇。根據(jù)裝修材料重新定義選用戶型室內(nèi)反射比，地面選用淺色木質(zhì)地板（反射比 0.58），墻面白色乳膠漆（反射比 0.84），頂棚選用石膏板吊頂（反射比0.91），如圖 7 所示。對(duì)比模擬結(jié)果全年平均時(shí)數(shù)由 6.0 h/d提高為 7.2 h/d。

圖 7 裝修材料反射比優(yōu)化

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)上述分析可以看出，動(dòng)態(tài)采光評(píng)價(jià)受到影響因素較多，較靜態(tài)采光評(píng)價(jià)，有效采光時(shí)長(zhǎng)的要求對(duì)住宅自然采光設(shè)計(jì)提出了更高的要求。在住宅自然采光設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮各種影響因素，進(jìn)行自然采光設(shè)計(jì)的優(yōu)化，主要途徑有以下幾點(diǎn)。

（1）戶型設(shè)計(jì)注意面寬與進(jìn)深的比例。進(jìn)深較大處自然采光效果不理想，適當(dāng)?shù)脑黾用鎸捰兄谔岣呤覂?nèi)自然采光效果。

（2）注意控制立面造型的凸凹變化，突出的陽(yáng)臺(tái)、空調(diào)機(jī)位部分有可能對(duì)室內(nèi)空間造成遮擋，影響室內(nèi)自然采光效果。

（3）建筑朝向?qū)τ谧匀徊晒庥绊戄^大，在規(guī)劃布局中，增加日照時(shí)數(shù)未必可以提高室內(nèi)自然采光效果，需綜合考慮不同時(shí)間段內(nèi)太陽(yáng)輻射照度的影響，選擇有利于室內(nèi)自然采光的朝向。

（4）在窗戶面積、玻璃種類(lèi)較固定的情況下，可以通過(guò)選用窗結(jié)構(gòu)的擋光折減系數(shù)較大的產(chǎn)品改善室內(nèi)自然采光效果。

（5）室內(nèi)裝修材料反射比對(duì)于自然采光的影響明顯，選用顏色較淺、反射比較大的裝修材料，有利于住宅的自然采光。