既有居住建筑天然采光優(yōu)化設(shè)計(jì)與節(jié)能研究

王 陸

（北規(guī)院弘都規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)研究院，北京 100037）

0 引言

現(xiàn)代化城市建筑朝向大多為南向，在日照時(shí)間不變的情況下，南向建筑能夠更好地接收光照熱量，從而提高居民生活環(huán)境的舒適度。隨著群體生活水平的提高，人們對(duì)居住質(zhì)量和居住環(huán)境舒適性的要求越來(lái)越高，越來(lái)越多的建筑開發(fā)商開始注重居室內(nèi)采光設(shè)計(jì)，并積極探索冬季開窗或窗內(nèi)溫度降低時(shí)，如何合理利用天然采光等方法對(duì)室內(nèi)溫度進(jìn)行宏觀調(diào)控。下述將以某地區(qū)既有居住建筑為例，進(jìn)行建筑天然采光的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期通過(guò)該方式，提高建筑的綜合節(jié)能效能。

1 既有居住建筑所在地區(qū)地理氣候特點(diǎn)

所選的建筑項(xiàng)目位于城市郊區(qū)，具有地勢(shì)平坦的特點(diǎn)。項(xiàng)目概況見表1。

表1 項(xiàng)目概況

該建筑所在地的小區(qū)為拆遷小區(qū)，小區(qū)內(nèi)的居住群體大多為老年人。在對(duì)地區(qū)老年人進(jìn)行走訪與調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)，老年人的白天居家時(shí)間更長(zhǎng)，因此，更需要一個(gè)適宜的居住環(huán)境與良好的采光環(huán)境。為優(yōu)化現(xiàn)有工作，需要在設(shè)計(jì)前，考察項(xiàng)目所在地，掌握該地區(qū)的氣候特征。

該建筑項(xiàng)目所在地的氣候特征見表2。

表2 建筑項(xiàng)目所在地的氣候特征

2 既有居住建筑天然采光優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 合理選擇既有居住建筑遮陽(yáng)結(jié)構(gòu)

當(dāng)前大部分既有居住建筑采用窗簾進(jìn)行遮光、遮陽(yáng)，方式較為單一[1]。窗簾能起到很好的遮蔽作用，但也能擋住屋內(nèi)的視線。建筑遮陽(yáng)設(shè)備可以防止刺眼的光和過(guò)度的光照，不妨礙所有的光進(jìn)入，同時(shí)也不會(huì)影響內(nèi)部的視線[2]。建筑遮陽(yáng)方式包括水平式、垂直式、綜合式以及擋板式等多種類型。針對(duì)遮陽(yáng)類型的選擇，需要結(jié)合建筑朝向以及其他相關(guān)影響因素，綜合選擇采光系數(shù)最高的遮陽(yáng)類型。圖1為4種常見遮陽(yáng)類型示意圖。

圖1 四種常見遮陽(yáng)類型示意圖

針對(duì)不同的遮陽(yáng)方式，其外遮陽(yáng)系數(shù)應(yīng)符合下述等式關(guān)系，如公式（1）和公式（2）所示。

公式（1）為水平遮陽(yáng)板的外遮陽(yáng)系數(shù)計(jì)算公式；公式（2）為垂直遮陽(yáng)板的外遮陽(yáng)系數(shù)計(jì)算公式。式中：SDH為水平遮陽(yáng)系數(shù)；SDv為垂直遮陽(yáng)系數(shù)；ah、av、bh、bv為計(jì)算系數(shù)；PF為遮陽(yáng)板外挑系數(shù)；當(dāng)PF為大于1的數(shù)時(shí)，計(jì)算中PF取值為1。通常情況下，在朝向均為南，其他影響因素不變的情況下，水平式遮陽(yáng)結(jié)構(gòu)的遮陽(yáng)效果最優(yōu)，其次為垂直式遮陽(yáng)結(jié)構(gòu)。窗戶是既有居住建筑的主要通風(fēng)和采光口，不同材質(zhì)的窗體在不同的空間中，其透射率和反射率不同，因此自然采光效果不同[3]。在優(yōu)化既有居住建筑遮陽(yáng)設(shè)施結(jié)構(gòu)以后，還可以通過(guò)更換窗戶玻璃的方式優(yōu)化既有居住建筑天然采光。窗戶玻璃材料的透射比越大，則室內(nèi)采光系數(shù)和動(dòng)態(tài)采光平均數(shù)都會(huì)增加[4]。因此可以將當(dāng)前建筑中使用的不滿足要求的窗戶玻璃更換為具有更大透射比的玻璃，例如雙層LOW-E玻璃，其透射比可高達(dá)0.78，將該材質(zhì)的玻璃安裝在窗戶上，可以提高進(jìn)入室內(nèi)的天然光量。

2.2 基于內(nèi)外反光板布設(shè)的建筑節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)

為進(jìn)一步優(yōu)化既有居住建筑節(jié)能效果，優(yōu)化建筑天然采光效果，提出增設(shè)內(nèi)外反光板的設(shè)計(jì)措施。設(shè)計(jì)中應(yīng)注意反光板的安裝位置要比人的眼睛高，即安裝在燈光孔的內(nèi)部或外部。反光板需要使用不同的材質(zhì)，如木材、金屬和玻璃等材料制成，如果發(fā)光板具有較高的反射比，就能夠?qū)⒏嗟墓饬糠瓷涞绞覂?nèi)[5]。同時(shí)，在夏天，反射鏡可以有效地遮擋陽(yáng)光的高角度，起到遮擋陽(yáng)光的效果，從而減少了室內(nèi)的熱量，減少了空調(diào)的能量消耗，并防止了可能的眩光。在冬天，反光板能將低角度的陽(yáng)光反射到室內(nèi)，從而提高“光量”，提高室內(nèi)需要的熱[6]。圖2為反光板布置位置示意圖。

圖2 反光板布置位置示意圖

按照?qǐng)D2所示確定布置位置，在此基礎(chǔ)上，為確保內(nèi)外反光板布設(shè)符合采光要求，需要對(duì)其遮蓋率進(jìn)行合理設(shè)置。遮蓋率計(jì)算如公式（3）所示。

式中：α為反光板的遮蓋率；RB為測(cè)量探頭移至試樣的黑色工作面上顯示器中所顯示的數(shù)值；RW為測(cè)量探頭移至試樣的白色工作面上顯示器中所顯示的數(shù)值。根據(jù)得出數(shù)值，調(diào)節(jié)反光板的遮蓋率，防止出現(xiàn)反光板設(shè)置后室內(nèi)光線亮度過(guò)高或過(guò)低的問題。

反光板根據(jù)其不同設(shè)置方式可分為外反光板和內(nèi)外反光板，不管安裝有外反光板或內(nèi)外反光板，極大程度地改善居住建筑內(nèi)部的光照均勻性，這就意味著安裝反光板可以改善既有居住建筑內(nèi)部的照明均勻性，并且，安裝外反光板比設(shè)置內(nèi)外反光板的均勻度更高[7]。該設(shè)計(jì)使用鋁板作為反光板，模擬反光板的設(shè)計(jì)方式，對(duì)建筑采光的影響見表3。

表3 反光板的設(shè)計(jì)方式對(duì)建筑采光的影響

2.3 創(chuàng)新增設(shè)導(dǎo)光管系統(tǒng)

導(dǎo)光管也可稱為光導(dǎo)照明裝置，其組成部分包括采光區(qū)、傳輸區(qū)和漫射區(qū)。圖3為導(dǎo)光管系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖3 導(dǎo)光管系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在采光區(qū)戶外裝置采用投影或折射的原理來(lái)采集自然光線，并把它們導(dǎo)入系統(tǒng)中。在傳輸區(qū)，導(dǎo)光管內(nèi)壁能實(shí)現(xiàn)近乎完全的反射，并能在光道中實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離高效率地傳輸光線。在漫射區(qū)，把采集的光均勻散射到需要照明的區(qū)域，增加了室內(nèi)的光照均勻性。同時(shí)，該系統(tǒng)在不需要供電的情況下可以正常運(yùn)行，既節(jié)省了能源，又減少了電力使用的安全風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)既有居住建筑在有無(wú)導(dǎo)光管系統(tǒng)的情況下室內(nèi)采光效果進(jìn)行分析，見表4。

表4 增設(shè)導(dǎo)光管系統(tǒng)前后既有居住建筑采光效果

從表中數(shù)據(jù)可知，在增設(shè)導(dǎo)光管系統(tǒng)后，無(wú)論是采光系數(shù)、動(dòng)態(tài)采光平均時(shí)數(shù)等均明顯提升，說(shuō)明創(chuàng)新增設(shè)導(dǎo)光管系統(tǒng)能夠提高采光效果，進(jìn)而體現(xiàn)既有居住建筑的節(jié)能性。

除此之外，室內(nèi)裝飾材料也會(huì)在一定程度上影響既有居住建筑的天然光采光效果。當(dāng)室內(nèi)裝飾的反射比增加時(shí)，室內(nèi)采光系數(shù)和動(dòng)態(tài)采光平均值都會(huì)隨之增加。此時(shí)根據(jù)實(shí)際室內(nèi)采光情況，針對(duì)不符合要求的室內(nèi)頂棚應(yīng)當(dāng)更換為反射比更大的白色乳膠漆，其反射比可達(dá)到0.83。當(dāng)室外自然光進(jìn)入室內(nèi)時(shí)，其中的一部分會(huì)被地面反射，然后被地面反射到不同的地方[8]。因此地板的反射比也會(huì)在極大程度上影響到室內(nèi)天然采光，基于此將地板換為具有更大反射比的淺色木地板，以優(yōu)化天然采光效果。由于墻體裝飾材料的改變，室內(nèi)采光的采光系數(shù)值、采光達(dá)標(biāo)率以及室內(nèi)動(dòng)態(tài)照明時(shí)數(shù)都沒有發(fā)生改變，說(shuō)明墻體裝飾材料的差異對(duì)室內(nèi)自然采光的影響較小，因此在對(duì)既有居住建筑進(jìn)行室內(nèi)采光優(yōu)化時(shí)，墻體裝飾材料并未列入優(yōu)化措施。

3 優(yōu)化前后既有居住建筑天然采光與節(jié)能效果分析

根據(jù)上文提出的工程項(xiàng)目可知，此既有建筑群居群體為老年人，與青年人相比，老年人白天在家時(shí)間更長(zhǎng)，因此更需要充足的光照為其提供適宜的居住環(huán)境。

因此，除上述提出的內(nèi)容，可以通過(guò)設(shè)置玻璃幕墻、金屬構(gòu)件、玻璃隔斷等方式，形成建筑內(nèi)自然光“天幕”空間，實(shí)現(xiàn)多個(gè)自然光區(qū)域相互交織形成“天幕”，增加建筑內(nèi)自然光的引入量。為滿足建筑整體的采光優(yōu)化設(shè)計(jì)需求，應(yīng)在設(shè)計(jì)中，充分利用各空間部位的自然光資源，根據(jù)居住功能需求，對(duì)各房間自然光分布進(jìn)行充分設(shè)計(jì)引導(dǎo)，通過(guò)改變窗戶方向，增大自然光導(dǎo)入量與引入量，從而提高窗戶周圍空間自然光散射作用。

3.1 優(yōu)化前后建筑內(nèi)部走廊自然光照度變化情況

完成以上設(shè)計(jì)后，隨機(jī)選擇某天，在完成設(shè)計(jì)規(guī)劃的建筑走廊進(jìn)行一系列的采光測(cè)試。在測(cè)試過(guò)程中，輔助使用ST-92照度計(jì)，沿著測(cè)試區(qū)域的中心線方向，布置測(cè)點(diǎn)，要求測(cè)點(diǎn)的間距為3000 mm，測(cè)試的高度為150 mm。通過(guò)以下計(jì)算公式，實(shí)時(shí)計(jì)算測(cè)點(diǎn)位置的照度，如公式（4）所示。

式中：E為測(cè)點(diǎn)照度；φ為光通量；n為光源數(shù)量；N為照明燈具數(shù)量；MF為照明燈具在使用中的維護(hù)系數(shù)；UF為照明燈具的利用系數(shù)；A為燈具的有效照明面積。

根據(jù)測(cè)試當(dāng)前的氣候情況可知，當(dāng)日氣候?yàn)榍玳g多云，整理沿走廊方向的自然光照度變化情況，如圖4所示。

從圖4可知，優(yōu)化后建筑走廊空間的照度顯著增加，說(shuō)明優(yōu)化后建筑整體采光效果更佳。

圖4 沿走廊方向的自然光照度變化情況

3.2 優(yōu)化前后建筑能耗情況統(tǒng)計(jì)

在該基礎(chǔ)上，對(duì)建筑采光優(yōu)化前與采光優(yōu)化后的能耗情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其結(jié)果見表5。

表5 建筑采光優(yōu)化前與采光優(yōu)化后的能耗情況

4 結(jié)論

根據(jù)上述研究，得到以下3個(gè)結(jié)論：1）根據(jù)沿走廊方向的自然光照度變化情況可知（圖4），優(yōu)化后，相同測(cè)點(diǎn)位置的自然光照度增加，說(shuō)明優(yōu)化設(shè)計(jì)后，建筑走廊的采光更佳。2）根據(jù)表5建筑采光優(yōu)化前與采光優(yōu)化后的能耗情況可知，優(yōu)化后的建筑能耗降低，證明采油優(yōu)化設(shè)計(jì)可以起到控制建筑耗能的作用。3）為進(jìn)一步優(yōu)化建筑天然采光，可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行建筑自然采光的持續(xù)深化設(shè)計(jì)：對(duì)陽(yáng)光照射性能好的屋頂，可以采用大面積的玻璃窗作為裝飾，以達(dá)到增加室內(nèi)采光效果的目的；為了提升建筑物的陽(yáng)光照射性能，可在屋頂上設(shè)置2層以上的玻璃窗，進(jìn)一步加強(qiáng)自然光的光照。提供建筑自然采光能力是未來(lái)我國(guó)建筑行業(yè)的關(guān)注與研究重點(diǎn)，在后續(xù)的工作中，將加強(qiáng)對(duì)建筑項(xiàng)目所在地的氣候條件調(diào)研，結(jié)合實(shí)際情況，設(shè)計(jì)優(yōu)化的自然采光方案，以提供居民更適宜的生活與居住環(huán)境。