建筑外遮陽(yáng)形式對(duì)室內(nèi)光環(huán)境影響的研究

由玉文，武錄森，郭建峰，郭春梅

（1.天津城建大學(xué)，天津 300384；2.河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，鄭州 450064）

室內(nèi)光環(huán)境是室內(nèi)環(huán)境的主要方面之一，光照對(duì)人的情緒，工作效率，認(rèn)知等方面發(fā)揮著重要的作用[1].設(shè)計(jì)合理的建筑節(jié)能采光形式能有效節(jié)約建筑的能耗，這已經(jīng)成為綠色建筑節(jié)能的關(guān)鍵措施[2].向俊米等[3]研究得出，合理的遮陽(yáng)設(shè)計(jì)能以低廉的成本達(dá)到良好的遮陽(yáng)效果，有效地改善居住建筑室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量.隨著國(guó)內(nèi)綠色建筑設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)的快速發(fā)展，建筑情況復(fù)雜、工作量巨大等因素導(dǎo)致了室內(nèi)光環(huán)境往往難以進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，因此計(jì)算機(jī)模擬等輔助手段對(duì)綠色建筑評(píng)價(jià)提供了很大的幫助[4].

目前，在綠色建筑中與風(fēng)、光、熱相關(guān)的模擬軟件存在較多，軟件模擬過(guò)程的邊界問(wèn)題沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn).所以，只有對(duì)建筑中常用的數(shù)值模擬計(jì)算方法作標(biāo)準(zhǔn)化的規(guī)范，才能夠降低因?yàn)橛?jì)算方法不統(tǒng)一、模擬邊界條件、主觀人為因素導(dǎo)致綠色建筑考察指標(biāo)的不準(zhǔn)確[5].Reinhart等[6]通過(guò)發(fā)起問(wèn)卷調(diào)查得出在這些模擬軟件計(jì)算過(guò)程中，自然采光系數(shù)和照度值是最常用的輸出值；遮陽(yáng)類型的選擇也是根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果選擇的，他們統(tǒng)計(jì)了40多種采光數(shù)值模擬軟件，發(fā)現(xiàn)這些模擬軟件都是以Radiance為計(jì)算核心的.

許多學(xué)者通過(guò)采光模擬軟件對(duì)建筑外遮陽(yáng)技術(shù)進(jìn)行了一系列細(xì)致研究：趙忠超等[7]闡述了建筑采光模擬軟件的種類及特性，然后通過(guò)實(shí)測(cè)與模擬對(duì)比的方法，對(duì)幾種建筑采光模擬軟件進(jìn)行了計(jì)算精度的驗(yàn)證，得出Radiance和Ecotect在采光系數(shù)方面的模擬精度很高；同時(shí)在照度方面Radiance可以獲得比較準(zhǔn)確的模擬結(jié)果.Athienitis等[8]對(duì)百葉遮陽(yáng)的遮陽(yáng)角度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，在遮陽(yáng)百葉傾角為78°，太陽(yáng)高度角為15°的時(shí)候，室內(nèi)透光率最大.Manzan等[9]通過(guò)利用軟件模擬，對(duì)某辦公建筑的外遮陽(yáng)形式進(jìn)行了采光性能的優(yōu)化，達(dá)到了良好的節(jié)能效果.陳春燕等[10]運(yùn)用Radiance軟件，對(duì)某酒店標(biāo)準(zhǔn)層客房進(jìn)行了自然采光模擬，對(duì)比分析了有無(wú)陽(yáng)臺(tái)時(shí)室內(nèi)照度的變化，模擬得出在有陽(yáng)臺(tái)遮蔽時(shí)室內(nèi)照度顯著降低，95%以上均位于300 lux到2 400 lux區(qū)間范圍內(nèi)，整體落在推薦值區(qū)間.蘇曉明等[11]利用Radiance軟件對(duì)教室模型進(jìn)行采光模擬，通過(guò)對(duì)比四種教室進(jìn)深尺寸對(duì)室內(nèi)光環(huán)境的影響，得出室內(nèi)光環(huán)境質(zhì)量隨著教室進(jìn)深尺寸的減小而提高，當(dāng)教室進(jìn)深為7.5m時(shí)的室內(nèi)采光質(zhì)量最好.王欣[12]利用光環(huán)境模擬軟件Ecotect和Radiance對(duì)五個(gè)氣候區(qū)的典型城市進(jìn)行模擬，分析了不同氣候區(qū)的不同窗墻比對(duì)建筑室內(nèi)照明能耗的影響，得到建筑遮陽(yáng)對(duì)室內(nèi)光環(huán)境的影響規(guī)律.

從以上的分析中可以看出，如何設(shè)計(jì)合理的建筑外遮陽(yáng)形式對(duì)建筑節(jié)能和室內(nèi)采光有重要的影響.但是現(xiàn)有研究大多僅考慮單一的遮陽(yáng)形式，未考慮采用不同的建筑外遮陽(yáng)形式對(duì)同一建筑房間所產(chǎn)生的影響.本文建立了辦公建筑的物理模型，以北京的氣象參數(shù)為例，模擬在夏至日晴天環(huán)境下，水平遮陽(yáng)、垂直遮陽(yáng)、綜合遮陽(yáng)和百葉遮陽(yáng)對(duì)室內(nèi)的照度、平均照度和照度均勻度的影響.

1 模型的建立

本次分析以形式較為簡(jiǎn)單的單間辦公室為研究對(duì)象.所建立的物理模型尺寸為5 m×4 m×3 m（長(zhǎng)×寬×高）.為了滿足《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的要求，窗戶尺寸為2 m×2 m，窗墻比為1/5[13].另外由于《辦公建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)于辦公建筑室內(nèi)采光的規(guī)定，側(cè)窗采光離地面0.8 m以下的部分不計(jì)入有效的采光面積，所以本模型，窗戶下沿距離地面0.8 m.模型房間的室內(nèi)各個(gè)表面的反射率根據(jù)《辦公建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》設(shè)定，墻面為0.75，地板為0.25，天花板為0.75[14].窗戶為單層6 mm鋁合金框窗.室內(nèi)的工作臺(tái)面選取距離地面750 mm處.為了使模擬結(jié)果更加準(zhǔn)確，水平面選取0.2 m，高處選取0.3 m為一個(gè)計(jì)算網(wǎng)格，因此橫向和縱向的網(wǎng)格數(shù)分別為15和20個(gè).采光房間模型的剖面圖如圖1所示.

圖1 采光計(jì)算房間剖面

2 模擬工況的選擇

對(duì)于建筑，室內(nèi)的光環(huán)境是復(fù)雜多變的，受很多因素的影響，比如太陽(yáng)輻射照度、太陽(yáng)高度角、室外的天氣情況，并隨著這些因素的變化而不斷變化[15].出于對(duì)現(xiàn)實(shí)需求的考慮，筆者選取了6月21日（夏至日）晴天狀況下水平遮陽(yáng)、垂直遮陽(yáng)、綜合遮陽(yáng)和百葉遮陽(yáng)這四種遮陽(yáng)情況，做全天的室內(nèi)光照模擬.模擬氣象參數(shù)采用北京市的氣象參數(shù).圖2是夏至日室外照度變化圖.從圖中可以看出在晴天，室外照度變化非常劇烈，特別是早上和傍晚，而在中午，室外照度達(dá)到了最大值[16].另外，外遮陽(yáng)對(duì)室內(nèi)采光的影響在一天中也是不相同的，因?yàn)橥庹陉?yáng)主要遮擋太陽(yáng)直射，因此太陽(yáng)對(duì)窗戶的直射作用隨全年太陽(yáng)高度角和方位角的變化而變化[17].

圖2 夏至日室外照度變化曲線

3 光照模擬結(jié)果分析

3.1 水平遮陽(yáng)

水平遮陽(yáng)板置于窗戶上方，長(zhǎng)2 m寬1 m.圖3是不考慮水平遮陽(yáng)模擬照度變化趨勢(shì)圖.該圖顯示的是南向窗戶上不考慮水平遮陽(yáng)的條件下，室內(nèi)的平均照度值，照度最大值，照度最小值，照度均勻度變化趨勢(shì).從圖中可以看出，當(dāng)不考慮水平遮陽(yáng)時(shí)，在南向上，室內(nèi)照度在全天中發(fā)生了較大的變化.照度分布的定量指標(biāo)是照度均勻度，其是最小照度與平均照度的比值.照度均勻度是一個(gè)相對(duì)較為宏觀的指標(biāo)，其表征了工作平面上最低照度與平均照度的差異程度.從上午10點(diǎn)開(kāi)始，室內(nèi)照度開(kāi)始升高，12點(diǎn)增至最大，平均照度值為2 559 lux；但從下午13點(diǎn)開(kāi)始，室內(nèi)照度開(kāi)始減少，到下午5點(diǎn)照度值減為最小值，照度平均值為567 lux.另外房間的照度均勻度從上午8點(diǎn)到11點(diǎn)和下午14點(diǎn)之后波動(dòng)比較大，是因?yàn)樘?yáng)高度角的變化造成室內(nèi)照度的波動(dòng)較大.從上午11點(diǎn)到下午14點(diǎn)比較平穩(wěn)，因?yàn)檫@段時(shí)間，房間內(nèi)照度相對(duì)較高，因此照度均勻度變化較小.

圖3 不考慮水平遮陽(yáng)模擬照度變化趨勢(shì)

圖4是考慮水平遮陽(yáng)時(shí)房間內(nèi)模擬照度的變化趨勢(shì)圖.從圖4中可以看出，當(dāng)增加水平遮陽(yáng)時(shí)，室內(nèi)的光照從上午8點(diǎn)開(kāi)始增大，13點(diǎn)增至最大，平均照度值為1 057 lux，然后開(kāi)始減小，直到減到最小平均照度值為518 lux.而室內(nèi)的照度均勻值從上午8點(diǎn)到下午17點(diǎn)波動(dòng)較小，因?yàn)楫?dāng)增加水平外遮陽(yáng)時(shí)，水平遮陽(yáng)可以阻擋更多的太陽(yáng)直射，使室內(nèi)的照度變化較小，因此增加了室內(nèi)的照度均勻度，且一天中，照度均勻度的變化比較平穩(wěn).

圖4 水平遮陽(yáng)模擬照度變化趨勢(shì)

圖5為模型房間有水平遮陽(yáng)和無(wú)水平遮陽(yáng)的平均照度對(duì)比圖，可以看出，模型房間在有水平遮陽(yáng)時(shí)，室內(nèi)的平均照度明顯降低，可以有效減少房間內(nèi)的太陽(yáng)輻射.另外，可以看出，有水平遮陽(yáng)時(shí)室內(nèi)的平均照度變化明顯平緩，這樣增加了室內(nèi)的舒適感.因此，建筑設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮外遮陽(yáng)的影響.

圖5 有水平遮陽(yáng)和無(wú)遮陽(yáng)平均照度對(duì)比曲線

3.2 垂直遮陽(yáng)

垂直遮陽(yáng)適合于遮擋從窗戶兩側(cè)來(lái)的高度角較小的太陽(yáng)直射輻射.由于夏天太陽(yáng)在西偏北方向上，此時(shí)的太陽(yáng)輻射將從窗戶側(cè)面直射北向或西北偏北方向上的窗戶，因此，垂直遮陽(yáng)對(duì)遮擋北向和西北向早上和下午的斜射輻射有一定的作用.本次選擇在西北方向上設(shè)置垂直遮陽(yáng)來(lái)分析其對(duì)室內(nèi)光線的遮擋效果.筆者將垂直遮陽(yáng)板的挑出寬度設(shè)置為1 m.圖6是不考慮垂直遮陽(yáng)模擬照度變化趨勢(shì)，顯示的是南向窗戶上不考慮垂直遮陽(yáng)的條件下，室內(nèi)的平均照度值、照度最大值、照度最小值、照度均勻度的變化曲線.

圖6 不考慮垂直遮陽(yáng)模擬照度變化趨勢(shì)

圖7是考慮垂直遮陽(yáng)室內(nèi)平均照度全天變化曲線，顯示的是南向窗戶上考慮垂直遮陽(yáng)的條件下，室內(nèi)的平均照度值、照度最大值、照度最小值、照度均勻度的變化曲線.圖8是有垂直遮陽(yáng)和無(wú)遮陽(yáng)平均照度對(duì)比圖.從圖8可以看出，盡管本次模擬設(shè)置垂直遮陽(yáng)的外挑長(zhǎng)度為1 m，但在早上，太陽(yáng)高度角比較小，無(wú)太陽(yáng)直射的情況下，室內(nèi)的平均照度水平比較低，主要靠天空漫反射，上午8點(diǎn)到上午12，垂直遮陽(yáng)對(duì)室內(nèi)照度的影響較小，變化率基本都在10%以下.而到下午，更多的太陽(yáng)輻射照入室內(nèi)，室內(nèi)照度明顯升高，下午3點(diǎn)室內(nèi)的平均照度達(dá)到最大，為1 409 lux.因此在建筑設(shè)計(jì)中，垂直遮陽(yáng)的遮擋作用不能忽略.

圖7 垂直遮陽(yáng)室內(nèi)平均照度全天變化曲線

圖8 有垂直遮陽(yáng)和無(wú)遮陽(yáng)平均照度對(duì)比

3.3 綜合遮陽(yáng)

綜合遮陽(yáng)是將水平遮陽(yáng)和垂直遮陽(yáng)兩種遮陽(yáng)方式結(jié)合起來(lái)，圖9是綜合遮陽(yáng)室內(nèi)平均照度全天變化曲線.該圖顯示的是南向窗戶上考慮綜合遮陽(yáng)的條件下，室內(nèi)的平均照度值、照度最大值、照度最小值、照度均勻度的變化趨勢(shì).從圖9中可以看出，當(dāng)考慮綜合遮陽(yáng)時(shí)，在南向上，室內(nèi)照度在全天中發(fā)生了較大的變化.從上午8點(diǎn)開(kāi)始，室內(nèi)照度開(kāi)始升高，這是因?yàn)殡S著太陽(yáng)高度角的升高，室內(nèi)接收了更多的太陽(yáng)輻射，到中午12點(diǎn)室內(nèi)照度達(dá)到了最大.另外，模型房間在有綜合遮陽(yáng)時(shí)，對(duì)比南向窗戶無(wú)遮陽(yáng)條件下室內(nèi)的照度均勻度明顯升高，而且照度均勻度全天都比較平穩(wěn).

圖9 綜合遮陽(yáng)室內(nèi)平均照度全天變化曲線

圖10是有綜合遮陽(yáng)和無(wú)遮陽(yáng)平均照度對(duì)比圖，通過(guò)對(duì)圖10的分析，在晴天模型下，模型房間在有綜合遮陽(yáng)時(shí)，室內(nèi)的平均照度明顯下降，而且平均照度全天都比較平穩(wěn).因此，增加綜合遮陽(yáng)，在有效減少房間內(nèi)的太陽(yáng)輻射的同時(shí)，也增加了室內(nèi)的舒適感，所以在綠色建筑設(shè)計(jì)階段，做室內(nèi)的采光數(shù)值模擬時(shí)，不能忽略綜合遮陽(yáng)對(duì)室內(nèi)采光的影響.另外，通過(guò)對(duì)比分析室內(nèi)平均照度的差值，在夏至日，晴天模型下，當(dāng)中午12點(diǎn)時(shí)，增加綜合遮陽(yáng)，室內(nèi)的照度差值達(dá)到最大，為800 lux.而室內(nèi)照度的差值變化率也在12點(diǎn)達(dá)到最大，為65%，這為建筑設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)作用.

圖10 有綜合遮陽(yáng)和無(wú)遮陽(yáng)平均照度對(duì)比

3.4 百葉遮陽(yáng)

百葉遮陽(yáng)是對(duì)其他幾種遮陽(yáng)方式的結(jié)合，可以改變的參數(shù)有很多.一般情況下，百葉遮陽(yáng)是通過(guò)調(diào)節(jié)百葉傾角來(lái)改變室內(nèi)的環(huán)境，以達(dá)到采光、通風(fēng)以及視野的需要.實(shí)驗(yàn)中設(shè)置百葉寬度和百葉間距均為0.1 m，百葉長(zhǎng)度與窗戶寬度相同，葉片總數(shù)為20個(gè)，葉片可自由轉(zhuǎn)動(dòng).

圖11是百葉遮陽(yáng)室內(nèi)平均照度全天變化曲線圖，顯示的是南向窗戶在考慮百葉遮陽(yáng)的條件下，室內(nèi)的平均照度值、照度最大值、照度最小值、照度均勻度的變化曲線.從圖11中可以看出，當(dāng)考慮百葉遮陽(yáng)時(shí)，在南向上，室內(nèi)照度在全天中發(fā)生了較大的變化.從上午8點(diǎn)開(kāi)始，室內(nèi)照度開(kāi)始升高，這是因?yàn)殡S著太陽(yáng)高度角的升高，室內(nèi)接收了更多的太陽(yáng)輻射，到中午12點(diǎn)室內(nèi)照度達(dá)到了最大，平均照度值為824 lux.另外房間的照度均勻度從上午8點(diǎn)到下午5點(diǎn)一直比較平穩(wěn).

圖11 百葉遮陽(yáng)室內(nèi)平均照度全天變化曲線

圖12是有百葉遮陽(yáng)和無(wú)遮陽(yáng)平均照度對(duì)比圖.通過(guò)對(duì)圖12的分析，在晴天模型下，模型房間在有百葉遮陽(yáng)時(shí)，室內(nèi)的平均照度明顯降低而且變化比較平緩，在有效減少房間內(nèi)的太陽(yáng)輻射的同時(shí)，也增加了室內(nèi)的舒適感.因此，在綠色建筑設(shè)計(jì)階段，做室內(nèi)的采光數(shù)值模擬時(shí)，不能忽略百葉遮陽(yáng)對(duì)室內(nèi)采光的影響.另外，通過(guò)對(duì)比分析室內(nèi)照度的差值，在夏至日，晴天模型下，當(dāng)中午12點(diǎn)時(shí)，室內(nèi)的照度差值達(dá)到最大，為1 500 lux.而室內(nèi)照度的差值變化率也在12點(diǎn)達(dá)到最大，為70%，這為建筑設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)作用.

圖12 有百葉遮陽(yáng)和無(wú)遮陽(yáng)平均照度對(duì)比

4 結(jié)論

本文基于采光模擬軟件從室內(nèi)照度、照度均勻度等方面分析了四種基本的外遮陽(yáng)形式對(duì)室內(nèi)采光及整體光環(huán)境的影響.模擬結(jié)果顯示，水平遮陽(yáng)可以使室內(nèi)照度均勻度穩(wěn)定在0.4～0.5，另外增加水平遮陽(yáng)后，室內(nèi)平均照度的變化率最大可達(dá)62%；垂直遮陽(yáng)從上午8點(diǎn)到上午12點(diǎn)對(duì)室內(nèi)照度的影響較小，變化率基本都在10%以下.而到下午，隨著更多的太陽(yáng)輻射照入室內(nèi)，室內(nèi)照度明顯升高，到下午3點(diǎn)達(dá)到最大，為1 409 lux；綜合遮陽(yáng)在中午12點(diǎn)時(shí)，使室內(nèi)的照度差值達(dá)到最大，為800 lux，而室內(nèi)照度的差值變化率也在12點(diǎn)達(dá)到最大，為65%；百葉遮陽(yáng)在夏至日晴天環(huán)境下，中午12點(diǎn)時(shí)室內(nèi)的照度差值達(dá)到最大，為1 500 lux.

通過(guò)對(duì)四種遮陽(yáng)方式的比較可以看出在夏至日晴天環(huán)境下，綜合遮陽(yáng)的效果最好，平均照度和照度均勻度在一天內(nèi)各個(gè)時(shí)段變化比較平穩(wěn)，在有效減少房間內(nèi)太陽(yáng)輻射的同時(shí)，也增加了室內(nèi)的舒適感.本文通過(guò)對(duì)夏至日四種遮陽(yáng)方式有效性的模擬分析，評(píng)價(jià)建筑遮陽(yáng)構(gòu)件的遮陽(yáng)效果，用于指導(dǎo)相關(guān)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，為確定合理的遮陽(yáng)位置和選取時(shí)間節(jié)點(diǎn)提供了參考.