结合建筑遮阳分析的教室侧窗采光中不同窗口数量与尺寸的应用与优化

(山东建筑大学建筑城规学院 山东 济南 250101)

引言

侧窗采光是一种直接在建筑的外墙上开设采光口的采光设计策略[1]。绝大多数的教学楼重于立面的外部造型不是从侧窗的采光性能和内部光环境质量出发进行侧窗的设计。中小学学生每天至少有8个小时的时间是在学校中度过的，室内光环境的好坏对于学生的身心都有着不可忽视的影响。[2]

在光环境的设计中，影响室内光环境质量的两个因素尤为重要：“采光均匀度”和“防眩光”[3]。因此在一定朝向与房间尺寸确定的条件下，根据一定窗地比改变侧窗不同的尺寸和排布位置，对于远窗侧室内的采光均匀度、照度均会有所改善，近一步减弱了因光线过强或过弱导致的学生视觉疲劳。本文针对教学建筑的一个9.0m*7.5m的南向普通教室几种不用窗口数量与尺寸下的室内DF/DA/UDI等数据，分析了侧窗采光教室的天然光分布问题，同时利用窗口外遮阳设计进行辅助优化，得出基于遮阳板优化尺寸及采光评价指标共同作用下的窗户数量与尺寸组合形式作为采光设计指导。

一、分析软件选择及物理模型建立

(一)分析软件选择

采光选用DesignBuilder、Ecotect和Daysim。DesignBuilder最适当地校核所使用的自然光，实行照明控制系统和电器照明节约的计算[4]。Ecotect可用于建筑方案的设计建模阶段，能够快速直观地评估建筑的采光水平[5]。Daysim软件可以进行动态光环境模拟，在全年的天气数据基础上进行模拟，并且可以逐时分析，其模拟计算比静态采光软件更灵活，更准确[6]。

(二)教室模型建立

选择山东地区常见的双侧窗采光教室单元为模拟对象，研究地点选取济南市，南偏东15°为最佳偏转角度，夏季南向窗接受太阳辐射强度可高达2000W/m2，西向窗接受太阳辐射强度近4000W/m2，在这种强烈的太阳辐射条件下，阳光直射到室内，将严重地影响建筑室内热环境，增加建筑空调能耗[7]。

教室平面尺寸为9.0M*7.5M，教室的层高尺寸设定为3.9M，开窗面积是一定的，窗地比为0.224，计算出窗户总面积为15.12m2，模拟相同窗户面积不同窗户的排布数量及窗户尺寸对教室采光的差异。

二、教室侧窗采光指标分析与比较

(一)不同窗户排布数量下室内采光结果与分析

表1 窗户不同排布数量的采光评价指标分析(来源：笔者自绘)

图1天然采光评价指标汇总(笔者自绘)

1.DF指标进行方案择优分析

教室的采光系数(DF)随着教室窗户排布数量的变化相差的不是特别明显，其中窗户数量为1的1号教室室内采光系数最高，为6.55%。随着窗户数量的增加，窗间墙随之增加，室内采光系数逐步下降，说明窗间墙的数量及尺寸增加对于外部进入室内的光线还是有一定的遮挡。

进一步研究窗户数量及窗间墙宽度如何具体影响室内采光环境，在窗户总面积及窗户宽度不变的条件下，由表1的1号方案采光系数(DF)变化曲线可以看出窗间墙数量0到1时，窗间墙宽度增加最大，此时采光系数(DF)衰减速度最快；2号方案窗间墙数量1到2时，采光系数(DF)衰减速度较快；3号方案与4号方案窗间墙总面积相同，仅仅数量不同，此时的采光系数(DF)变化曲线较之前衰减幅度降低。1-4方案采光系数(DF)数值均在可用范围内，使用DF指标进行方案择优时4种立面类型采光能力的排序结果为1>2>3>4，该结果说明仅在天空漫射光情况下分析建筑采光问题时采光口面积大且遮挡较少的立面类型占有优势[8]。

图2 采光系数(DF)变化趋势图(笔者自绘)

2.DA/UDI动态指标进行方案择优分析

从DA与DAcon来看，这4组不同窗户排列数量的教室室内和有效采光度较大[9]，空间有效利用天然光的能力都较强。从DAmax来看，随着窗户数量的增加，即窗间墙的增加，DAmax的数值在下降，即产生眩光的可能性在下降(图3)。且窗户数量由2到3时DAmax衰减显著；窗户数量由3到4时由于窗间墙总面积不变，较前一方案DAmax变化衰减程度小。由此可见，使用DA指标进行方案择优时4种立面类型采光能力的排序结果为4>3>2>1，该结果与仅仅使用静态评价指标DF指标的结果不同，进一步说明建筑侧窗的采光设计并非开窗面积越大越好[10]。

图3 采光量(DA)变化趋势图(笔者自绘)

从UDI角度来分析，四组数据相差不大，其中4号有效照度值即UDI在100-2000lux区域的时间百分比最高，为62.87%(图4b)。1号窗户排列数量的教室有效照度值UDI>2000lux最高(图4c)，表明有过量的天然光线透过无窗间墙的整扇窗户进入该教室室内采光区域，室内易形成眩光，对学生视力有极大影响。将daysim的模拟数据导入ecotect，如图4b所示，4组窗户不同排列数量的教室在UDI(100lux-2000lux)的时间百分比模拟情况中的差别并不显著，在具体采光指标数据分析中应当结合其他采光指标进行结合分析。

综上所述，当考虑到立面的朝向、南侧窗户遮阳设计、使用者行为等动态因素时，建筑采光设计的评价结果与仅仅使用静态采光系数DF指标存在巨大的差异。在窗地比一定的情况下，窗间墙面积减少，室内采光系数DF增高，教室室内南侧近窗处的照度值会相应的增大，极易形成不利于学生书写的眩光，需采取必要的遮阳措施。

图4 有效采光度(UDI)变化趋势图(笔者自绘)

(二)不同窗口尺寸组合下室内采光结果与分析

窗户高度的设置与其内部天然光能够到达的范围存在着一定的函数关系[11]。保持窗地比、窗户数量以及窗台距地的高度不变，模拟比较窗户的高度与宽度的关系对于室内采光效果的影响。通过2.1章节的分析，选用3号方案时室内光环境能达到比较理想状态，因此研究窗户尺寸对采光影响程度时选取窗户数量为3进行量化研究。

1.DF/DA/UDI综合指标进行方案择优分析

分析数据显示b方案教室的采光系数最高，为6.39%，随着窗户宽度增加，采光系数增大。

从DA与DAcon的数据表明这3组方案教室的采光量和连续采光都较大，空间有效利用天然光的能力都较强。从UDI角度来分析，3组数据相差不大，其中b方案教室的有效照度值即UDI在100-2000lux区域的时间百分比最高，a方案教室的UDI>2000最高(图4)，表明有过量的天然光线透过无窗间墙的整扇窗户进入该教室室内采光区域，室内易形成眩光。将daysim的模拟数据导入ecotect，如表2所示，3组不同高宽比窗户的教室在UDI(100lux-2000lux)的时间百分比模拟情况中的差别并不明显，在具体采光指标数据分析中应当结合其他采光指标进行结合分析。

图4 有效采光度(UDI)变化趋势图(笔者自绘)

由此可见，使用DF/DA/UDI综合指标进行方案择优分析时，3种立面形式采光能力的排序结果为b>c>a。当侧窗窗台距地的高度不变时，选择窗户宽度和高度比小于1的采光口即图4中的b可以形成相对柔和、均匀度较好的自然光环境。

表2 不同窗户高宽比的照度分析(来源：笔者自绘)

三、遮阳设计辅助选取窗户组合形式

研究表明，建筑外遮阳在一定程度上能够合理控制进入室内的太阳光线，减少建筑室内空调与照明系统的能耗，改善室内光环境[12]。因此，在进行室内光环境优化时，使用不同长度的固定遮阳板进行遮阳设计，同时对比分析几种采光方式下的照明辅助能耗和室内光环境质量，找出遮阳优化下的窗户组合形式。[13]

遮阳方式选用外遮阳，设置距离窗户上沿为300mm的遮阳板，遮阳板长度分别设置为0/500/1000/1500/2000mm共5种长度进行室内采光计算。[14]

表3 不同长度固定遮阳板的室内采光质量评价(来源：笔者自绘)

根据室内采光系数模拟图和有效采光率数值结果表明，遮阳板长度在0-0.5m范围内室内有效采光面积相差不大。直射太阳光线对近窗侧采光质量影响不大，仅在冬季对远窗采光有一定程度的衰减。遮阳板长度1.5-2m增大时，室内有效采光率下降最明显，说明遮阳板长度对于室内采光质量有一定程度的影响。此时，选择遮阳板长度在0-0.5m范围内较为合理。

教育建筑的普通教室的采光不应低于采光等级Ⅲ级的采光标准值，即侧面采光的采光系数不应低于3.0%[15]。图5遮阳板长度在0-1.5m范围内室内采光系数均满足规范要求。当遮阳板尺寸到达2米时，由于尺寸过大直接阻挡部分光线进入室内，采光质量较差。同时，遮阳板长度过长使得太阳得热程度深，所以内部需要人工进行能源供给，全年冷负荷降低不明显，热负荷提高缓慢，全年总能耗提高显著。因此，选择南向水平遮阳板尺寸在0.5-1米之间，效果最好。

图5 采光系数(DF)汇总图(笔者自绘)

四、结论

经过上述理论研究及数据模拟，选择南向水平遮阳板尺寸在0.5-1米之间，窗户数量为3个且窗户宽度和高度比小于1的采光口即图4中的b可以形成相对柔和、均匀度较好的自然光环境方案，此时室内光环境效果最好。

在进行地域性的教室采光环境设计时充分考虑地域性光气候特征、立面朝向、动态遮阳等因素，可以确保室内光环境在更多的时间内可以达到理想效果。