既有居住建筑天然采光优化设计与节能研究

王 陆

（北规院弘都规划建筑设计研究院，北京 100037）

0 引言

现代化城市建筑朝向大多为南向，在日照时间不变的情况下，南向建筑能够更好地接收光照热量，从而提高居民生活环境的舒适度。随着群体生活水平的提高，人们对居住质量和居住环境舒适性的要求越来越高，越来越多的建筑开发商开始注重居室内采光设计，并积极探索冬季开窗或窗内温度降低时，如何合理利用天然采光等方法对室内温度进行宏观调控。下述将以某地区既有居住建筑为例，进行建筑天然采光的优化设计，以期通过该方式，提高建筑的综合节能效能。

1 既有居住建筑所在地区地理气候特点

所选的建筑项目位于城市郊区，具有地势平坦的特点。项目概况见表1。

表1 项目概况

该建筑所在地的小区为拆迁小区，小区内的居住群体大多为老年人。在对地区老年人进行走访与调查时发现，老年人的白天居家时间更长，因此，更需要一个适宜的居住环境与良好的采光环境。为优化现有工作，需要在设计前，考察项目所在地，掌握该地区的气候特征。

该建筑项目所在地的气候特征见表2。

表2 建筑项目所在地的气候特征

2 既有居住建筑天然采光优化设计

2.1 合理选择既有居住建筑遮阳结构

当前大部分既有居住建筑采用窗帘进行遮光、遮阳，方式较为单一[1]。窗帘能起到很好的遮蔽作用，但也能挡住屋内的视线。建筑遮阳设备可以防止刺眼的光和过度的光照，不妨碍所有的光进入，同时也不会影响内部的视线[2]。建筑遮阳方式包括水平式、垂直式、综合式以及挡板式等多种类型。针对遮阳类型的选择，需要结合建筑朝向以及其他相关影响因素，综合选择采光系数最高的遮阳类型。图1为4种常见遮阳类型示意图。

图1 四种常见遮阳类型示意图

针对不同的遮阳方式，其外遮阳系数应符合下述等式关系，如公式（1）和公式（2）所示。

公式（1）为水平遮阳板的外遮阳系数计算公式；公式（2）为垂直遮阳板的外遮阳系数计算公式。式中：SDH为水平遮阳系数；SDv为垂直遮阳系数；ah、av、bh、bv为计算系数；PF为遮阳板外挑系数；当PF为大于1的数时，计算中PF取值为1。通常情况下，在朝向均为南，其他影响因素不变的情况下，水平式遮阳结构的遮阳效果最优，其次为垂直式遮阳结构。窗户是既有居住建筑的主要通风和采光口，不同材质的窗体在不同的空间中，其透射率和反射率不同，因此自然采光效果不同[3]。在优化既有居住建筑遮阳设施结构以后，还可以通过更换窗户玻璃的方式优化既有居住建筑天然采光。窗户玻璃材料的透射比越大，则室内采光系数和动态采光平均数都会增加[4]。因此可以将当前建筑中使用的不满足要求的窗户玻璃更换为具有更大透射比的玻璃，例如双层LOW-E玻璃，其透射比可高达0.78，将该材质的玻璃安装在窗户上，可以提高进入室内的天然光量。

2.2 基于内外反光板布设的建筑节能优化设计

为进一步优化既有居住建筑节能效果，优化建筑天然采光效果，提出增设内外反光板的设计措施。设计中应注意反光板的安装位置要比人的眼睛高，即安装在灯光孔的内部或外部。反光板需要使用不同的材质，如木材、金属和玻璃等材料制成，如果发光板具有较高的反射比，就能够将更多的光量反射到室内[5]。同时，在夏天，反射镜可以有效地遮挡阳光的高角度，起到遮挡阳光的效果，从而减少了室内的热量，减少了空调的能量消耗，并防止了可能的眩光。在冬天，反光板能将低角度的阳光反射到室内，从而提高“光量”，提高室内需要的热[6]。图2为反光板布置位置示意图。

图2 反光板布置位置示意图

按照图2所示确定布置位置，在此基础上，为确保内外反光板布设符合采光要求，需要对其遮盖率进行合理设置。遮盖率计算如公式（3）所示。

式中：α为反光板的遮盖率；RB为测量探头移至试样的黑色工作面上显示器中所显示的数值；RW为测量探头移至试样的白色工作面上显示器中所显示的数值。根据得出数值，调节反光板的遮盖率，防止出现反光板设置后室内光线亮度过高或过低的问题。

反光板根据其不同设置方式可分为外反光板和内外反光板，不管安装有外反光板或内外反光板，极大程度地改善居住建筑内部的光照均匀性，这就意味着安装反光板可以改善既有居住建筑内部的照明均匀性，并且，安装外反光板比设置内外反光板的均匀度更高[7]。该设计使用铝板作为反光板，模拟反光板的设计方式，对建筑采光的影响见表3。

表3 反光板的设计方式对建筑采光的影响

2.3 创新增设导光管系统

导光管也可称为光导照明装置，其组成部分包括采光区、传输区和漫射区。图3为导光管系统结构图。

图3 导光管系统结构图

在采光区户外装置采用投影或折射的原理来采集自然光线，并把它们导入系统中。在传输区，导光管内壁能实现近乎完全的反射，并能在光道中实现长距离高效率地传输光线。在漫射区，把采集的光均匀散射到需要照明的区域，增加了室内的光照均匀性。同时，该系统在不需要供电的情况下可以正常运行，既节省了能源，又减少了电力使用的安全风险。针对既有居住建筑在有无导光管系统的情况下室内采光效果进行分析，见表4。

表4 增设导光管系统前后既有居住建筑采光效果

从表中数据可知，在增设导光管系统后，无论是采光系数、动态采光平均时数等均明显提升，说明创新增设导光管系统能够提高采光效果，进而体现既有居住建筑的节能性。

除此之外，室内装饰材料也会在一定程度上影响既有居住建筑的天然光采光效果。当室内装饰的反射比增加时，室内采光系数和动态采光平均值都会随之增加。此时根据实际室内采光情况，针对不符合要求的室内顶棚应当更换为反射比更大的白色乳胶漆，其反射比可达到0.83。当室外自然光进入室内时，其中的一部分会被地面反射，然后被地面反射到不同的地方[8]。因此地板的反射比也会在极大程度上影响到室内天然采光，基于此将地板换为具有更大反射比的浅色木地板，以优化天然采光效果。由于墙体装饰材料的改变，室内采光的采光系数值、采光达标率以及室内动态照明时数都没有发生改变，说明墙体装饰材料的差异对室内自然采光的影响较小，因此在对既有居住建筑进行室内采光优化时，墙体装饰材料并未列入优化措施。

3 优化前后既有居住建筑天然采光与节能效果分析

根据上文提出的工程项目可知，此既有建筑群居群体为老年人，与青年人相比，老年人白天在家时间更长，因此更需要充足的光照为其提供适宜的居住环境。

因此，除上述提出的内容，可以通过设置玻璃幕墙、金属构件、玻璃隔断等方式，形成建筑内自然光“天幕”空间，实现多个自然光区域相互交织形成“天幕”，增加建筑内自然光的引入量。为满足建筑整体的采光优化设计需求，应在设计中，充分利用各空间部位的自然光资源，根据居住功能需求，对各房间自然光分布进行充分设计引导，通过改变窗户方向，增大自然光导入量与引入量，从而提高窗户周围空间自然光散射作用。

3.1 优化前后建筑内部走廊自然光照度变化情况

完成以上设计后，随机选择某天，在完成设计规划的建筑走廊进行一系列的采光测试。在测试过程中，辅助使用ST-92照度计，沿着测试区域的中心线方向，布置测点，要求测点的间距为3000 mm，测试的高度为150 mm。通过以下计算公式，实时计算测点位置的照度，如公式（4）所示。

式中：E为测点照度；φ为光通量；n为光源数量；N为照明灯具数量；MF为照明灯具在使用中的维护系数；UF为照明灯具的利用系数；A为灯具的有效照明面积。

根据测试当前的气候情况可知，当日气候为晴间多云，整理沿走廊方向的自然光照度变化情况，如图4所示。

从图4可知，优化后建筑走廊空间的照度显著增加，说明优化后建筑整体采光效果更佳。

图4 沿走廊方向的自然光照度变化情况

3.2 优化前后建筑能耗情况统计

在该基础上，对建筑采光优化前与采光优化后的能耗情况进行统计，其结果见表5。

表5 建筑采光优化前与采光优化后的能耗情况

4 结论

根据上述研究，得到以下3个结论：1）根据沿走廊方向的自然光照度变化情况可知（图4），优化后，相同测点位置的自然光照度增加，说明优化设计后，建筑走廊的采光更佳。2）根据表5建筑采光优化前与采光优化后的能耗情况可知，优化后的建筑能耗降低，证明采油优化设计可以起到控制建筑耗能的作用。3）为进一步优化建筑天然采光，可从以下几个方面进行建筑自然采光的持续深化设计：对阳光照射性能好的屋顶，可以采用大面积的玻璃窗作为装饰，以达到增加室内采光效果的目的；为了提升建筑物的阳光照射性能，可在屋顶上设置2层以上的玻璃窗，进一步加强自然光的光照。提供建筑自然采光能力是未来我国建筑行业的关注与研究重点，在后续的工作中，将加强对建筑项目所在地的气候条件调研，结合实际情况，设计优化的自然采光方案，以提供居民更适宜的生活与居住环境。