豫中靠崖窯民居建筑室內(nèi)采光分析及提升策略

中圖分類號：TU831 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號： 1000-5013（2025）04-0425-10

Indoor Lighting Analysis and Improvement Strategy of Cliff Dwelling Buildings in Central Henan

LI Xianqiu1，REN Ting1，HOU Zhisong2 （1.College of Architectural Engineering，Yunnan Agricultural University，Kunming 6502Ol，China 2.Luohe Development Investment Holding Group Limited Company，Zhengzhou 45O0oo，China）

Abstract：Development Investment Holding Group Limited Company， Zhengzhou 45oooo，China）Abstract： Taking the traditionalcliffdwellings buildings in the central Henan region as the research object，combining on -site measurements and software simulations，a systematic analysis was conducted on the indoor ilumination and lighting coefficient of typical cave buildings in the region. On thebasis of not destroying the original spatial pattern，architectural style，and structural features of the cliff dwelling buildings in the region，4 optimization strategies combinations of indoor natural lighting were proposed for 3 research sample caves. The results show that the proposed strategy is feasible.

Keywords：central Henan region；clifside dwelling building；natural lighting；measurement and simulation; optimization strategy

豫中地區(qū)廣泛分布著傳統(tǒng)靠崖窯民居建筑，其中，河南省鞏義市、滎陽市等地的黃土丘陵地貌尤為典型，該地區(qū)巖土體結(jié)構(gòu)以老黃土為主，其土層厚、土質(zhì)均勻、垂直壁立穩(wěn)定性強(qiáng)、濕陷性較小，為靠崖窯的建造提供優(yōu)越的自然條件[1-2]?？垦赂G作為典型的生土建筑，依托山體土層挖掘，拱形結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、具備良好的保溫隔熱性能，可實(shí)現(xiàn)冬暖夏涼。因單側(cè)采光、采光面積小，以及相房的遮擋，存在室內(nèi)照度不足、均勻性差等問題[3」，影響居住舒適性與功能適應(yīng)性。隨著綠色建筑與文化遺產(chǎn)保護(hù)的協(xié)同發(fā)展，以低干預(yù)方式提升傳統(tǒng)窯洞光環(huán)境性能，成為兼具科學(xué)與文化價值的研究課題。近年來，研究多集中于南方合院與北方四合院，傳統(tǒng)民居光環(huán)境和生土窯洞光環(huán)境的研究較為匱乏。文獻(xiàn)[4-6]對陜北窯洞熱工性能與結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行探討，Elizabeth等[強(qiáng)調(diào)歷史材料與技術(shù)結(jié)合對新型鄉(xiāng)土建筑的重要性。文獻(xiàn)[8-10]評估了靠崖窯光環(huán)境現(xiàn)狀，提出使用反光鏡、人工照明等改善措施，并借助斯維爾軟件進(jìn)行模擬分析[1]。然而，現(xiàn)有研究缺乏對豫中地區(qū)靠崖窯采光特征的定量分析與針對性優(yōu)化，現(xiàn)代改造技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)窯洞易破壞建筑空間原真性與構(gòu)造特征，導(dǎo)致技術(shù)適配性差。因此，亟需探索兼顧傳統(tǒng)風(fēng)貌與光環(huán)境提升的創(chuàng)新路徑。本文對豫中靠崖窯民居建筑室內(nèi)采光分析及提升策略進(jìn)行研究。

1室內(nèi)光環(huán)境現(xiàn)狀與分析

1.1 室內(nèi)天然光照度實(shí)測

1.1.1研究樣本選取選取的研究樣本（人馬寨村王宅）位于河南省滎陽市石洞溝村，該村落于2016年被列入第4批中國傳統(tǒng)村落名錄。村內(nèi)完整保留了40余座明清時期的古建筑院落，共計(jì)百余間房屋，其建筑具有顯著的冬暖夏涼特性，且結(jié)構(gòu)堅(jiān)固耐用。人馬寨村王宅始建于明清時期，于1989 年進(jìn)行了修繕，主要對窯臉和內(nèi)部墻面進(jìn)行了維護(hù)，并增建了廂房和倒座，形成了典型的圍合式窯院民居格局。人馬寨村王宅現(xiàn)狀平面圖，如圖1所示。

人馬寨村王宅由3孔窯洞組成，建筑朝向?yàn)槟掀?12^° 。其中，窯洞1進(jìn)深 11.5m ，起居空間進(jìn)深 7.2m ，面寬 3.1m ，由于窯臉部分被一層廂房遮擋，導(dǎo)致采光條件差；窯洞2進(jìn)深 6.0m ，起居空間進(jìn)深 6.0m ，面寬 3.1m ，窯臉直接面向庭院且無遮擋，采光條件相對較好但仍顯不足，采光較差；窯洞3進(jìn)深 11.8m ，起居空間進(jìn)深 7.5m ，面寬 3.1m ，窯臉完全被兩層廂房遮擋，采光條件極差。這3孔窯洞分別代表了豫中地區(qū)靠崖窯民居建筑中室內(nèi)光環(huán)境差、較差和極差3種典型情況。

1.1.2實(shí)測過程與分析1）測點(diǎn)選取。依據(jù) GB/T5699-2017? 采光測量方法》[12]要求，在人馬寨村王宅的3個窯洞內(nèi)分別設(shè)置3個實(shí)測點(diǎn)（圖2）。所有測點(diǎn)均位于距離墻面 1m 的南北軸線上，其中實(shí)測點(diǎn)1設(shè)置在距離采光口內(nèi)墻面 1m 處，實(shí)測點(diǎn)2位于軸線中心位置處，實(shí)測點(diǎn)3則布置在距離儲藏空間外墻面 1m 處。

2）實(shí)測過程。采用TES-1339型照度計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測，嚴(yán)格按照 GB/T5699-2017? 《采光測量方法》[12]技術(shù)規(guī)范執(zhí)行。實(shí)測工作于2021年12月25日實(shí)施，選擇10：00、12：00和14：00三個代表性時段，在符合國際照明委員會標(biāo)準(zhǔn)的無云晴天條件下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。測量人員統(tǒng)一著深色服裝，以減少測量誤差。在每個窯洞的3個實(shí)測點(diǎn)處（距離地面 750mm 的平面高度）進(jìn)行3次重復(fù)測量，取平均值作為該測點(diǎn)的照度值。

測量過程嚴(yán)格遵循規(guī)范要求，研究對象實(shí)測數(shù)據(jù)，如表1所示。表1中： E 為照度。

實(shí)測期間，發(fā)放居民調(diào)查問卷，收集居民對室內(nèi)天然采光的主觀評價信息。共發(fā)放問卷60份，回收有效問卷60份，回收率為 100% 。其中，60歲及以上居民占比 66.67% （40人）， 41～59 歲居民占比26.67%（16 人），40歲及以下居民占比 6.67%（4 人）。居住時長均超過10a，其中，居住時長20a以上占比 53.33%（32 人）。受訪者以務(wù)農(nóng) （66.67% 和退休人員 26.67% 為主，具有典型傳統(tǒng)民居居住群體特征。調(diào)查結(jié)果顯示， 73.33% 的受訪者（44份調(diào)查問卷）認(rèn)為室內(nèi)天然采光環(huán)境極差， 26.67% 的受訪者（16 份調(diào)查問卷）認(rèn)為室內(nèi)天然采光環(huán)境較差。問卷調(diào)查結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)具有高度一致性，進(jìn)一步驗(yàn)證了研究結(jié)果的可靠性。

研究樣本中，3個窯洞的采光條件呈現(xiàn)明顯差異：窯洞1的窯臉部分被一層廂房遮擋，導(dǎo)致采光效果差;窯洞2的窯臉直接面向庭院且無任何遮擋物，采光條件相對較好但仍顯不足，采光效果較差;窯洞3的窯臉則完全被兩層廂房遮擋，采光效果極差。

1.2 軟件模擬與分析

1.2.1參數(shù)設(shè)置根據(jù) GB50033-2013? 建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》13]和GB55016—2021《建筑環(huán)境通用規(guī)范》[14]的相關(guān)規(guī)定，結(jié)合實(shí)地調(diào)研結(jié)果，采用 DBJ41/T109-20204 河南省綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》作為參考標(biāo)準(zhǔn)。照度值為 15 000lx ，分析面高度為 750mm ，光線反射次數(shù)為3次。材料反射系數(shù)根據(jù)實(shí)際調(diào)研結(jié)果確定，室內(nèi)地面和外表面采用紅磚，反射系數(shù)為0.33；玻璃材料為乳白色聚酯碳酸，反射系數(shù)為0.16；室內(nèi)頂棚和墻面為大白粉刷，反射系數(shù)為0.75。

1.2.2模擬分析采用Dali軟件，對3個窯洞的采光系數(shù)和照度進(jìn)行模擬分析。所得的數(shù)據(jù)情況，如表2、3，以和圖3、4所示。表2中： E_min 為最小照度； E_max 為最大照度； 為平均照度。表3中： P （極差）表示采光系數(shù)低于 0.5% 的區(qū)域面積的占比； P （差）表示采光系數(shù)在 0.5%～1. 0% 面積的占比； P（- 般）表示采光系數(shù)在 1.0%～2.0% 面積的占比; P （好）表示采光系數(shù)在 2.0%～5.0% 面積的占比； P （極好）表示采光系數(shù)大于 5.0% 面積的占比； 為平均采光系數(shù)。圖4中： C 為采光系數(shù)。

根據(jù) GB 50033-2013? 建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[13]和 GB 55016-2021? 建筑環(huán)境通用規(guī)范》14的相關(guān)規(guī)定，采光等級應(yīng)不低于V級標(biāo)準(zhǔn)，側(cè)面采光的 ，同時，室內(nèi) 。因此，窯洞1、2、3的室內(nèi)天然光照度平均值和采光系數(shù)均未達(dá)到上述標(biāo)準(zhǔn)要求。

2 實(shí)測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)校驗(yàn)

研究對象實(shí)測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對比，如表4所示。由表4及相關(guān)計(jì)算可知：窯洞1均方根誤差為7.14% ，歸一化平均偏差為 -6.80% ；窯洞2均方根誤差為 7.98% ，歸一化平均偏差為 -2.85% ；窯洞3均方根誤差為 2.05% ，歸一化平均偏差為 -5.75% 。

模擬點(diǎn)與實(shí)測點(diǎn)的均方根誤差和歸一化平均偏差均控制在 ±10% 以內(nèi)，遠(yuǎn)低于EN1791—39《2009ASHRAEhandbook fundamentals》[15]規(guī)定的 ±25% 誤差標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)產(chǎn)生的誤差主要是因?yàn)閷?shí)際材料的透光性參數(shù)與模擬軟件透光性參數(shù)存在不同。在實(shí)際情況下，室內(nèi)家具等存在反射光線，儀器本身存在磨損情況；而在模擬情況下，只考慮永久固定的頂棚、地面、墻面，只計(jì)算3次光線反射之間產(chǎn)生的誤差。因此，模擬軟件具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性。

3 靠崖窯光環(huán)境提升策略

3.1靠崖窯天然光環(huán)境提升策略影響因素

3.1.1 靠崖窯天然光環(huán)境單因素影響人馬寨村王宅作為具有歷史價值的傳統(tǒng)民居建筑，其改造策略的制定需遵循以下原則：在改造過程中，不得破壞建筑原有結(jié)構(gòu)，保持傳統(tǒng)風(fēng)貌特征，且加裝的采光裝置應(yīng)具備可拆卸性。

基于上述原則提出3種室內(nèi)天然采光優(yōu)化方案：

1）采用高透射比采光玻璃替換原有玻璃，以提高透光效率；

2）在室內(nèi)飾面涂刷淺色涂料，增強(qiáng)天然光的反射效果；

3）結(jié)合現(xiàn)有通風(fēng)口，加裝被動式采光通風(fēng)一體化裝置（導(dǎo)光管），以提升室內(nèi)光照強(qiáng)度。

多點(diǎn)漫射可調(diào)節(jié)的導(dǎo)光通風(fēng)管示意圖，如圖5所示。

針對靠崖窯窯體建筑結(jié)構(gòu)特征，采用垂直導(dǎo)光管將降低導(dǎo)光管系統(tǒng)效率。因此，利用窯臉通風(fēng)窗，設(shè)計(jì)并申請了實(shí)用新型專利[16]。該裝置具有安裝便捷、可拆卸的特點(diǎn)，在增加室內(nèi)天然光照度的同時，還可實(shí)現(xiàn)通風(fēng)調(diào)節(jié)功能，用戶可根據(jù)實(shí)際需求靈活控制其開啟與關(guān)閉。

導(dǎo)光通風(fēng)管加裝策略剖面圖，如圖6所示。

為量化評估靠崖窯室內(nèi)采光改善效果，綜合考慮采光現(xiàn)狀、建筑風(fēng)貌保護(hù)、結(jié)構(gòu)安全性和經(jīng)濟(jì)性等因素，對3種天然采光優(yōu)化方案的影響因素進(jìn)行系統(tǒng)分析。

1）高透射比采光玻璃替換方案（因素A）：根據(jù)GB 50033－2013《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[13]，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性考量，選用透射比為0.92的 3mm 透明亞克力玻璃（因素A1）作為優(yōu)化材料。

2）室內(nèi)淺色飾面涂料方案（因素B）：該方案涉及墻面、頂棚和地面的飾面處理。根據(jù)GB 50033一2013《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[13]，墻面與頂棚采用反射系數(shù)最高的石膏涂料，反射系數(shù)為0.91（因素 B1）；地面則采用反射系數(shù)為0.75的白水泥涂料（因素B2），以最大限度提升光反射效果。

3）導(dǎo)光管加裝方案（因素C）：選用DS530型多點(diǎn)漫射可調(diào)節(jié)導(dǎo)光通風(fēng)管，根據(jù)各窯洞采光現(xiàn)狀差異確定支管數(shù)量（窯洞1安裝3個支管（因素C1），窯洞2安裝2個支管（因素C2），窯洞3安裝4個支管（因素C3））。

導(dǎo)光管漫射器角度設(shè)置在 100^° 左右時，能夠提供較為穩(wěn)定的照度輸出[17]。然而，導(dǎo)光管系統(tǒng)的效率會隨著管道長度的增加和彎管數(shù)量的增多而降低，且各支管的系統(tǒng)效率存在顯著差異。導(dǎo)光管頂部的無動力風(fēng)帽在室內(nèi)外溫差超過 0.5° 或風(fēng)速達(dá)到 0.2m?s^-1 時，即可啟動旋轉(zhuǎn)換氣功能，其排氣口平均風(fēng)速可達(dá) 3.4m?s^-1 。根據(jù)JGJ/T374一2015《導(dǎo)光管采光系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》[18]的相關(guān)規(guī)定，確定導(dǎo)光管等效長度。導(dǎo)光管采光系統(tǒng)效率 （η）^[19-20] 的計(jì)算式為

η=τ₁×η_TTE×τ₂.

上式中： τ₁ 為集光器的可見光透射比； τ₂ 為漫射器的透射比； η_TE 為導(dǎo)光管的傳輸效率。

根據(jù)導(dǎo)光管反射膜材料反射比及其等效長度計(jì)算公式，參照各等效長度直管導(dǎo)光管傳輸效率，得出η 和帶有彎曲角度的導(dǎo)光管傳輸效率參考值。

導(dǎo)光管的等效長度 （V） 計(jì)算式為

V=L/D

上式中： L 為導(dǎo)光管的長度； D 為導(dǎo)光管的直徑。

河南地區(qū)太陽高度角范圍為 32^°～79^° ，集光器和漫射器均采用透光率達(dá)0.99的AR（增透）鍍膜玻璃 （T₁，T₂） ，計(jì)算得出各支管的系統(tǒng)效率。各支管采光系統(tǒng)效率，如表5所示[21-22]。

表5各支管系統(tǒng)采光效率

3.1.2靠崖窯天然光環(huán)境多因素組合策略單一優(yōu)化措施難以完全滿足采光改善需求。因此，將上述優(yōu)化方案進(jìn)行系統(tǒng)整合，形成了4種組合改造策略：策略1為AC組合；策略2為BC組合；策略3為AB組合；策略4為ABC組合。窯洞組合改造策略，如表6所示。

3.2 改造策略應(yīng)用及效果對比

針對3個典型研究空間，采用Dali軟件進(jìn)行4種優(yōu)化策略的模擬分析，重點(diǎn)評估各策略下的室內(nèi)照度和采光系數(shù)變化。

模擬分析過程數(shù)據(jù)，如圖7、8，表 7～12 所示。

3.3 通風(fēng)效果

導(dǎo)光通風(fēng)管的引入對窯洞室內(nèi)風(fēng)環(huán)境產(chǎn)生了顯著影響。為量化評估其通風(fēng)效果，在加裝導(dǎo)光通風(fēng)管前后的室內(nèi)（通風(fēng)狀況），采用綠建斯維爾通風(fēng)軟件Vent對3個窯洞進(jìn)行模擬分析。模擬結(jié)果表明，導(dǎo)光通風(fēng)管有效增強(qiáng)了窯洞夏季室內(nèi)空氣的循環(huán)流動，顯著改善了室內(nèi)風(fēng)速分布。這一改進(jìn)對于緩解窯洞內(nèi)部潮濕問題具有積極作用。

窯洞夏季改造前后剖面通風(fēng)模擬對比圖，如圖9所示。圖9中： v 為風(fēng)速。

3.4 改造策略選擇與分析

針對采光條件分別為差、較差和極差的3種典型居住功能窯洞，提出了相應(yīng)的改造策略。提出的策略不僅能夠改善目標(biāo)窯洞的采光狀況，同時還能優(yōu)化室內(nèi)通風(fēng)環(huán)境，且這些策略同樣適用于其他采光條件較好的窯洞。改造策略達(dá)標(biāo)情況，如表13所示。

由表13可知以下2點(diǎn)結(jié)論。

1）對于窯洞1、3，僅策略4（表5、6，圖10（b））能夠同時滿足平均天然光照度和采光系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)要求。主要?dú)w因于窯洞1、3均采用北向單側(cè)采光模式，并具有較大的空間進(jìn)深，窯洞1的窯臉受到部分遮擋，而窯洞3的窯臉則處于完全遮擋狀態(tài)（圖10（a））。

2）對于窯洞2，由于窯臉前無任何遮擋物（圖10（a）），策略1、4均能達(dá)到采光標(biāo)準(zhǔn)，而基于經(jīng)濟(jì)性考量，宜采用策略1進(jìn)行改造（表5、6，圖10（c））。

經(jīng)濟(jì)效益估算

4.1 年節(jié)電費(fèi)用

根據(jù)GB/T 50034一2013《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)規(guī)定，臥室照明滿足照度為 150lx^[23] 。節(jié)電項(xiàng)目概算，如表14所示。 表14節(jié)電項(xiàng)目概算

4.2 成本

鑒于導(dǎo)光管系統(tǒng)的使用周期為 25a ，期間無需進(jìn)行維修管理，同時，室內(nèi)裝修的后期維護(hù)費(fèi)用難以準(zhǔn)確預(yù)估，故僅針對采光改造的一次性增量投入成本進(jìn)行計(jì)算。增量成本分項(xiàng)內(nèi)容如下：墻的面積為83.61m² ，石膏粉刷材料單價為1000元·t^-1 ，預(yù)算總價為66.89元，增量成本為66.89元；屋頂?shù)拿娣e為 61.45m² ，石膏粉刷材料單價為1000元·t^-1 ，預(yù)算總價為49.16元，增量成本為49.16元；地面的面積為 45.57m² ，白水泥抹面材料單價為 1 000 元·t^-1 ，預(yù)算總價為89.35元，增量成本為89.35元；玻璃面積為 2.61m²?3mm 透明亞克力材料單價為8元·m^-2 ，預(yù)算總價為20.88元，增量成本為66.89元；導(dǎo)光管有3個，規(guī)格為 DS530×3 ，材料單價為4000元·個 ^-1 ，預(yù)算總價為12000元，增量成本為12000 元;增量成本合計(jì)12226.28元。

4.3 投資回收期

采用投資回收期 （T） 作為經(jīng)濟(jì)可行性評估指標(biāo)[24]，計(jì)算公式為

T=M/N.

式（1）中： M 為采光改造總成本； N 為年節(jié)電費(fèi)用。

根據(jù)計(jì)算， T=12 226. 28/1 392. 42=8. 8a 。因此，改造投資可在10a內(nèi)收回成本，該改造策略具有經(jīng)濟(jì)可行性。

5結(jié)論

1）通過對豫中地區(qū)3個典型靠崖窯民居建筑的現(xiàn)狀實(shí)測與模擬數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，研究對象作為居住功能的窯洞普遍存在室內(nèi)天然采光不足的問題，其采光指標(biāo)未能達(dá)到相關(guān)規(guī)范要求。

2）基于保護(hù)地域性建筑風(fēng)貌、維持原有結(jié)構(gòu)完整性，以及確保經(jīng)濟(jì)可行性等原則，對3個窯洞模擬各種改造策略，并對其效果進(jìn)行了評估。對于天然采光較差的窯洞，宜采用提高玻璃透射比與導(dǎo)光管的技術(shù)解決方案。對于天然采光極差和差的窯洞，宜采用提高玻璃透射比、淺色內(nèi)墻粉刷與導(dǎo)光管的綜合改造方案。天然光平均照度和采光系數(shù)達(dá)到規(guī)范要求，同時，有效改善室內(nèi)空氣流通狀況。3）經(jīng)濟(jì)效益分析顯示，提出的改造策略組合具有較好的經(jīng)濟(jì)可行性。經(jīng)估算，相關(guān)改造措施的一次性投入成本可在10a內(nèi)收回，具有可實(shí)施價值。

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（責(zé)任編輯：陳志賢 英文審校：方德平）