多媒體教室天然采光眩光累積計量與比較

袁景玉，張志濤，任 全，崔苗苗

(河北工業(yè)大學(xué)建筑與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，天津 300401)

引言

隨著我國教育事業(yè)投入的加大，教學(xué)建筑的照明用電能耗問題成為關(guān)注點(diǎn)。住建部提出利用清潔能源減少教學(xué)建筑能耗，充分利用天然采光來降低能耗[1]。 天然采光不僅可以提高能源利用效率，改善使用者舒適度與健康[2]，還會對生理和心理產(chǎn)生顯著影響，成為影響學(xué)生行為、性格和情緒的重要因素[3]。但是在天然采光過程中往往會造成室內(nèi)出現(xiàn)大面積的眩光，從而影響采光質(zhì)量[4]。而采用外遮陽的設(shè)置可能會導(dǎo)致室內(nèi)照度過低反而會增強(qiáng)室內(nèi)天然采光眩光[5]。同時較高的窗戶、朝向窗戶的座位方向、與窗戶相鄰等都會導(dǎo)致更多的眩光[6]。天然采光眩光指數(shù)(Daylight Glare Index，DGI)，適用于窗戶一類的大面積天然采光眩光源，大量的研究和實(shí)驗(yàn)證明，DGI具有理想的眩光預(yù)測的評價精度[7]。羅濤[8]在選擇天然采光眩光的計算和評價方法時，分析天然采光眩光，利用計算機(jī)模擬計算，通過現(xiàn)場實(shí)測的數(shù)據(jù)驗(yàn)證了DGI對天然采光眩光評價的適用性。喬正珺和季亮[9]利用Radiance模擬分析的方法，對室內(nèi)DGI進(jìn)行分析，研究得出DGI受建筑地理位置、太陽位置和建筑朝向的影響。Piderit Moreno[10]考慮光的動態(tài)性和可變性，使用動態(tài)模擬方法，結(jié)合天氣數(shù)據(jù)，考慮日照的日變化量和季節(jié)變化量，通過Radiance模擬繪制在時間和空間地圖中，評價全年的日光和視覺舒適度。關(guān)高慶[11]通過DGI對大量教學(xué)建筑的采光設(shè)計進(jìn)行研究，得到多媒體教室不同區(qū)域的采光分布規(guī)律，模擬得出多媒體教室在最不利采光條件和最不利時段下的采光具體方案。鐘碧蓉等[12]通過DIALUX軟件數(shù)據(jù)分析出教室照明現(xiàn)狀的各作業(yè)區(qū)照度達(dá)標(biāo)情況和能源利用效率。Mangkuto等[13]利用高動態(tài)范圍(HDR)成像技術(shù)和入住后評估，確定印尼不舒適眩光的適當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)，是找出各種物理變量與眩光指數(shù)之間的相關(guān)性，并獲得日光眩光的舒適性標(biāo)準(zhǔn)。邊宇[14]基于Daysim 動態(tài)采光模擬結(jié)果，使用DF/DA/UDI 指標(biāo)針對不同立面類型進(jìn)行了采光效果排序并與基于采光系數(shù)的排序結(jié)果進(jìn)行比較，論證了動態(tài)采光指標(biāo)的優(yōu)勢。而在天然采光眩光評價方面，特別是針對多媒體教室的采光質(zhì)量評價，尚缺少反映采光效果動態(tài)變化的指標(biāo)。本文針對高校多媒體教室，采用DGI指標(biāo)達(dá)標(biāo)率隨時間和空間變化的評估方法進(jìn)行探討，從而為教學(xué)建筑優(yōu)化設(shè)計及多媒體教室天然采光眩光研究提供指導(dǎo)。

1 研究方法

1.1 多媒體教室天然采光眩光現(xiàn)狀調(diào)研

調(diào)研選取天津地區(qū)多媒體教室作為調(diào)研對象，通過實(shí)地考察發(fā)現(xiàn)，多數(shù)多媒體教室的窗口沒有設(shè)置遮陽措施，多媒體教室內(nèi)天然采光眩光對于教學(xué)活動影響較大，使得教室內(nèi)的采光情況并不理想，使得多媒體教室內(nèi)光環(huán)境較暗。一般的避免眩光的方式是拉窗簾打開人工照明的方法，這種方法造成了大量的浪費(fèi)能源，所以多媒體教室內(nèi)的天然采光眩光是急需解決的問題。

調(diào)研同時配合問卷調(diào)查，對象為在校的大學(xué)生，運(yùn)用問卷星進(jìn)行問卷調(diào)查，內(nèi)容主要包括四個部分：學(xué)生對多媒體教室采光的主觀感受、多媒體教室的采光質(zhì)量、學(xué)生在多媒體教室上課習(xí)慣以及多媒體教室的采光建議。

1.2 多媒體教室天然采光眩光模擬

通過天然采光眩光對多媒體教室的影響程度進(jìn)行模擬計算量化分析，利用模擬軟件對多媒體教室天然采光眩光進(jìn)行模擬計算，根據(jù)針對天津地區(qū)學(xué)校的調(diào)研觀察，提出多媒體教室的研究樣本，通過對樣本多媒體教室天然采光眩光進(jìn)行DGI數(shù)值模擬計算，模擬春分日、夏至日、秋分日、冬至日四個典型日，將模擬計算數(shù)據(jù)整理分析成天然采光眩光達(dá)標(biāo)面積百分比和達(dá)標(biāo)時間百分比兩個量化指標(biāo)，對多媒體教室學(xué)生座位區(qū)域內(nèi)受到天然采光眩光影響程度做出一定評價。

1)模擬軟件驗(yàn)證。使用EnergyPlus軟件對多媒體教室天然采光眩光進(jìn)行模擬計算，最終模擬計算求得DGI數(shù)值。通過將模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)對比分析得到，實(shí)測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)的變化趨勢一致，DGI數(shù)值均沒有超過22，均未達(dá)到人眼忍受天然采光眩光的最大值，下午DGI數(shù)值比上午高，在13：00—15：00范圍內(nèi)DGI數(shù)值達(dá)到最大值，在教室測點(diǎn)各個時刻的模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)DGI數(shù)值誤差基本上在5%以內(nèi)。因此，通過對比分析DGI數(shù)值曲線得出可以采用EnergyPlus軟件對DGI數(shù)值的模擬計算來對多媒體教室天然采光眩光進(jìn)行研究。

2)多媒體教室樣本設(shè)定。結(jié)合調(diào)研結(jié)果，天津地區(qū)一般多媒體教室普遍進(jìn)深7～11 m，開間9～15 m，層高3.6～4 m，窗臺高0～1 m，內(nèi)廊式布局，單側(cè)采光，窗口一般為3個。 對于多媒體教室進(jìn)行樣本的設(shè)定，設(shè)定教室的平面尺寸9 m×12 m(進(jìn)深×開間)，層高3.9 m，窗口尺寸2.4 m×3 m(高度×寬度)，窗臺高為0.8 m，平面如圖1所示。

圖1 多媒體教室樣本平面圖Fig.1 Sample plan of multimedia classroom

3)多媒體教室DGI達(dá)標(biāo)時間和面積百分比。將多媒體教室的樣本中的學(xué)生座位區(qū)域劃分為30個模擬計算測點(diǎn)，如圖2所示，利用EnergyPlus軟件進(jìn)行模擬計算，模擬春分日、夏至日、秋分日、冬至日四個典型日，分別選取一天中9：00、10：00、11：00、12：00、13：00、14：00、15：00、16：00、17：00，9個工作整點(diǎn)時刻的進(jìn)行天然采光眩光指數(shù)(DGI)模擬計算。根據(jù)英國采光標(biāo)準(zhǔn)，多媒體教室的DGI數(shù)值不能超過22，進(jìn)行模擬計算數(shù)據(jù)處理分析。

圖2 多媒體教室樣本測試點(diǎn)的布置Fig.2 Layout of sample test points in multimedia classroom

為了量化天然采光眩光對多媒體教室的影響程度，更全面地對多媒體教室天然采光眩光進(jìn)行模擬分析，提出了多媒體教室天然采光眩光達(dá)標(biāo)面積百分比和達(dá)標(biāo)時間百分比兩個量化指標(biāo)。

(a)多媒體教室DGI達(dá)標(biāo)面積百分比η

(1)

式中，X為DGI數(shù)值不超過22的測點(diǎn)個數(shù)，N為全部測點(diǎn)個數(shù)。

多媒體教室DGI達(dá)標(biāo)面積百分比可以定義為在多媒體教室內(nèi)某一時刻滿足DGI數(shù)值要求(DGI<22)的測點(diǎn)個數(shù)占全部測點(diǎn)個數(shù)的百分比。

(b)多媒體教室DGI達(dá)標(biāo)時間百分比ε

(2)

式中，X為DGI數(shù)值不超過22的測點(diǎn)個數(shù)，M為全部測點(diǎn)個數(shù)。

多媒體教室DGI達(dá)標(biāo)時間百分比可以定義為在多媒體教室內(nèi)某一測點(diǎn)位置滿足DGI數(shù)值要求(DGI<22)的時刻個數(shù)占全部模擬時刻個數(shù)的百分比。

為了能夠清楚地量化天然采光眩光對于學(xué)生座位區(qū)域各測點(diǎn)的影響程度，通過在學(xué)生座位區(qū)域 30 個測點(diǎn)的天然采光眩光達(dá)標(biāo)時間百分比分布，更能夠直觀地了解天然采光眩光對其影響，學(xué)生座位區(qū)域30個測點(diǎn)分布，如圖3所示。

圖3 多媒體教室學(xué)生座位區(qū)域30個測點(diǎn)分布Fig.3 The distribution of 30 measuring points in the seating area of multimedia classroom

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 教室天然采光眩光的調(diào)研結(jié)果討論

天然光環(huán)境在多媒體教室中起著至關(guān)重要的作用，多媒體教室側(cè)窗天然采光過程中會產(chǎn)生眩光，包括來自室外直射光、書本或桌面以及黑板產(chǎn)生的反射眩光，以及天然光在教室內(nèi)分布不均勻。通過問卷統(tǒng)計，有54.29%的學(xué)生選擇坐在教室內(nèi)的中間位置，說明學(xué)生在多媒體教室的上課選座習(xí)慣與天然采光有一定的聯(lián)系，而且在多媒體教室的上課過程中，大部分都會拉上窗簾遮擋天然采光，再打開室內(nèi)的人工照明，這樣的上課習(xí)慣會帶來大量的用電能耗浪費(fèi)，如何改善教室內(nèi)的天然采光眩光避免人工照明帶來的能源浪費(fèi)成為急需解決的問題。

2.2 教室室內(nèi)DGI模擬結(jié)果分析

1) 春分日。春分日多媒體教室各測點(diǎn)DGI數(shù)值模擬分布曲線如圖3所示，模擬出了在多媒體教室春分日9個整點(diǎn)工作時刻學(xué)生座位區(qū)域內(nèi)各測點(diǎn)受天然采光眩光影響的DGI數(shù)值。DGI數(shù)值超過22的情況多集中在下午時刻，尤其是測點(diǎn)1到測點(diǎn)6在14：00—17：00時間段DGI數(shù)值較大，測點(diǎn)7到測點(diǎn)30 DGI數(shù)值呈起伏曲線變化。

(a)春分日達(dá)標(biāo)面積百分比：從圖4中可以得出，DGI數(shù)值超過22的情況多集中在下午時刻，11：00—17：00范圍內(nèi)達(dá)標(biāo)面積百分比開始降低，即開始受到天然采光眩光的影響，15：00時達(dá)標(biāo)面積百分比為30%受到天然采光眩光影響程度最大。

(b)春分日達(dá)標(biāo)時間百分比：從圖5中可以得出，在春分日多媒體教室學(xué)生座位區(qū)域內(nèi)顏色越深，受到天然采光眩光影響越大，測點(diǎn)2到測點(diǎn)8、測點(diǎn)13到測點(diǎn)17以及測點(diǎn)25和測點(diǎn)26的DGI達(dá)標(biāo)時間百分比數(shù)值相對較小，約為40%；而位于教室遠(yuǎn)窗處靠近前門的測點(diǎn)達(dá)標(biāo)時間百分比為100%，幾乎不受眩光影響，說明在春分日學(xué)生座位區(qū)域內(nèi)近窗位置和教室后面的位置受到天然采光眩光影響程度比較嚴(yán)重。

圖4 春分日多媒體教室各測點(diǎn)DGI數(shù)值模擬分布曲線與眩光達(dá)標(biāo)面積百分比Fig.4 The numerical simulation of DGI distribution curve and the percentage of the target position of glare at each measuring point in multimedia classroom on vernal equinox day

圖5 春分日多媒體教室學(xué)生座位區(qū)域內(nèi)天然采光眩光達(dá)標(biāo)時間百分比Fig.5 The percentage of time for reaching the standard of natural lighting glare in the seating area of multimedia classroom on vernal equinox day

2)其他三個典型日分析。圖6、圖8、圖10分別為夏至、秋分、冬至日多媒體教室各測點(diǎn)DGI數(shù)值模擬分布曲線及眩光達(dá)標(biāo)面積百分比，圖7、圖9、圖11分別為三個典型日多媒體教室學(xué)生座位區(qū)域內(nèi)天然采光眩光達(dá)標(biāo)時間百分比。由圖6～圖11可見，三個典型日DGI數(shù)值超過22多集中在下午時刻，冬至日測點(diǎn)1到測點(diǎn)16在14：00—16：00時間段DGI數(shù)值較大。夏至日，秋分日均從11：00—17：00范圍內(nèi)達(dá)標(biāo)面積百分比開始變化即開始受到天然采光眩光的影響，而且受影響的時間比較長，夏至日受影響更早一點(diǎn)，且15：00時受到天然采光眩光影響程度最大，秋分日當(dāng)13：00時受到天然采光眩光影響程度最大，冬至日14：00受到天然采光眩光影響程度最大。夏至日，秋分日學(xué)生座位區(qū)域內(nèi)受到天然采光眩光的影響集中在在教室后面近窗處的位置，冬至日基本上在多媒體教室學(xué)生座位區(qū)域近窗處位置和教室后面位置受眩光影響較為嚴(yán)重。

圖6 夏至日多媒體教室各測點(diǎn)DGI數(shù)值模擬分布曲線與眩光達(dá)標(biāo)面積百分比Fig.6 The numerical simulation of DGI distribution curve and the percentage of the target position of glare at each measuring point in multimedia classroom on summer solstice day

圖7 夏至日多媒體教室學(xué)生座位區(qū)域內(nèi)天然采光眩光達(dá)標(biāo)時間百分比Fig.7 The percentage of time for reaching the standard of natural lighting glare in the seating area of multimedia classroom on summer solstice day

圖8 秋分日多媒體教室各測點(diǎn)DGI數(shù)值模擬分布曲線與眩光達(dá)標(biāo)面積百分比Fig.8 The numerical simulation of DGI distribution curve and the percentage of the target position of glare at each measuring point in multimedia classroom on the autumnal equinox

圖9 秋分日多媒體教室學(xué)生座位區(qū)域內(nèi)天然采光眩光達(dá)標(biāo)時間百分比Fig.9 The percentage of time for reaching the standard of natural lighting glare in the seating area of multimedia classroom on the autumnal equinox

3) 四個典型日對比。使用天然光眩光達(dá)標(biāo)時間百分比和天然光眩光達(dá)標(biāo)面積百分比這兩個量化指標(biāo)，能夠更全面的對多媒體教室天然采光眩光進(jìn)行定量分析，對不同時間中多媒體教室學(xué)生座位區(qū)域內(nèi)受到天然光眩光的影響做出具體評價。將四個典型日模擬計算的數(shù)據(jù)整理在一起，分析一年四季天然采光眩光對于多媒體教室的影響程度。

(a)四個典型日達(dá)標(biāo)面積百分比。四個典型日多媒體教室DGI達(dá)標(biāo)面積百分比曲線圖的繪制，如圖12所示，DGI達(dá)標(biāo)面積百分比最低值主要集中在13：00—16：00范圍內(nèi)，此個時段受到的天然采光眩光影響最嚴(yán)重。從曲線變化來看，夏至日在全時段均受到天然采光眩光的影響，且達(dá)標(biāo)面積百分比較低，受影響程度較大；冬至日受眩光影響時間較短主要集中在下午時段，但受影響程度最為嚴(yán)重；春分日和秋分日達(dá)標(biāo)面積百分比介于二者之間，但秋分日受到眩光影響程度比春分日要大，受影響時間比春分日要長。

(b)四個典型日達(dá)標(biāo)時間百分比。四個典型日多媒體教室DGI達(dá)標(biāo)時間百分比分布圖的繪制，如圖13所示，在多媒體教室學(xué)生座位區(qū)域內(nèi)測點(diǎn)3到測點(diǎn)8、測點(diǎn)13到測點(diǎn)17以及測點(diǎn)25和測點(diǎn)26的DGI達(dá)標(biāo)時間百分比都沒有超過50%，受到眩光影響最為嚴(yán)重，而位于教室遠(yuǎn)窗處靠近前門的測點(diǎn)達(dá)標(biāo)時間百分比為100%，幾乎不受眩光影響?？梢缘贸龆嗝襟w教室學(xué)生座位區(qū)域受眩光影響程度呈漸變的規(guī)律，越是近窗處位置和教室后面位置受到天然采光眩光的影響越嚴(yán)重，而越是遠(yuǎn)窗處靠近前門位置受到天然采光眩光的影響越小。

圖10 冬至日多媒體教室各測點(diǎn)DGI數(shù)值模擬分布曲線與眩光達(dá)標(biāo)面積百分比Fig.10 The numerical simulation of DGI distribution curve and the percentage of the target position of glare at each measuring point in multimedia classroom on winter solstice

圖11 冬至日多媒體教室學(xué)生座位區(qū)域內(nèi)天然采光眩光達(dá)標(biāo)時間百分比Fig.11 The time percentage of reaching the standard of natural lighting glare in the seating area of multimedia classroom on winter solstice

圖12 四個日照標(biāo)準(zhǔn)日多媒體教室天然光眩光達(dá)標(biāo)面積百分比Fig.12 The percentage of the target position of natural light glare of multimedia classroom on four sunshine standard days

圖13 四個典型日多媒體教室學(xué)生座位區(qū)域內(nèi)天然采光眩光達(dá)標(biāo)時間百分比Fig.13 The percentage of time for reaching the standard of natural lighting glare in the seating area of the multimedia classroom on four typical days

3 結(jié)論

通過對多媒體教室天然采光眩光進(jìn)行DGI數(shù)值模擬計算，將模擬計算數(shù)據(jù)整理分析成DGI達(dá)標(biāo)面積百分比和達(dá)標(biāo)時間百分比兩個量化指標(biāo)，對多媒體教室學(xué)生座位區(qū)域內(nèi)受到天然采光眩光影響程度做出評價，得出以下結(jié)論：

1)使用多媒體教室四個典型日中的DGI達(dá)標(biāo)面積百分比以及達(dá)標(biāo)時間百分比兩個量化指標(biāo)，為研究多媒體教室天然采光眩光提供了直觀有效的具體指標(biāo)評價方法，分析思路，充分利用天然光進(jìn)行采光，更大程度上降低人工照明，降低能耗達(dá)到節(jié)能目的。

2)多媒體教室學(xué)生座位區(qū)域內(nèi)DGI達(dá)標(biāo)面積百分比最低值主要集中在13：00—16：00范圍內(nèi)，說明在這個時段內(nèi)受到的天然采光眩光影響程度最嚴(yán)重。

3)根據(jù)四個典型日模擬計算得出的天然采光眩光影響程度可知，夏季多媒體教室受到天然采光眩光的影響時間更長，且達(dá)標(biāo)面積百分比較低，受影響程度較大，冬季受眩光影響時間較短且主要集中在下午時段，但受影響程度最為嚴(yán)重；春季和秋季達(dá)標(biāo)時間百分比介于二者之間，其中秋季受到眩光影響程度比春季要大，受影響時間比春季要長。

4)多媒體教室學(xué)生座位區(qū)域受眩光影響程度呈漸變的規(guī)律，越是近窗處位置和教室后排位置受到天然采光眩光的影響越嚴(yán)重，而越是教室遠(yuǎn)窗處靠近前門位置受到天然采光眩光的影響越小。

5)采用四個典型日進(jìn)行評價，在一定程度上可以反映全年的采光效果動態(tài)變化情況，但對于精確計算和全面評估，還應(yīng)在考慮教室使用頻率基礎(chǔ)上，以實(shí)際使用天數(shù)為準(zhǔn)，同時有賴于模擬計算更加便利的軟件的選擇。