廣西地區(qū)雙側(cè)采光教室的動態(tài)采光評價

盧 珍，黃險峰，李聰敏

(1.廣西大學 土木建筑工程學院，廣西 南寧 530004；2.廣西防災減災與工程安全重點實驗室，廣西 南寧 530004)

引言

對教室提供良好的光環(huán)境十分必要，教室天然采光不可或缺。天然光可以影響學生的閱讀、聽講、背誦等活動，也關系著師生的生理和心理健康，從而影響師生的行為和績效[1]。天然采光涉及以下因素：建筑參數(shù)、地理位置、日照時數(shù)、人的主觀滿意程度、節(jié)能等[2]。采光指標為建筑采光性能的優(yōu)劣提供了基本的評判標準，其中采光系數(shù)DF(daylight factor)是一個重要評價指標，DF是基于全陰天模型下的靜態(tài)指標，受到了國際標準的廣泛認可，但不適用于晴天空或多云天空陽光直射的場景[3]。此外，改變建筑朝向和房間的位置，采光系數(shù)的值也不會受到改變[4]。Korsavi等[5]研究發(fā)現(xiàn)，有陽光直接照射的座位區(qū)，學生的視覺舒適評價滿意度較高，對眩光的感知與其他地區(qū)存在較大的差異。同時在建筑設計時氣候的影響備受重視[6]。隨著基于氣候的采光模型發(fā)展，動態(tài)采光評價指標被提出，比較有代表性的是Daylight autonomy(DA)[7]和Useful daylight illuminance(UDI)[8]。這兩個指標已經(jīng)在許多教育建筑的采光研究中得到了應用[9-11]。但是，利用動態(tài)指標評價教育建筑的采光優(yōu)劣尚未得到全面的驗證，尤其是針對特定氣候地區(qū)的建筑類型，需要進行更多的研究工作。動態(tài)采光的研究工作必須拓展到更廣的領域，綜合考慮多方面因素。

在側(cè)窗采光研究中，很多針對的是單側(cè)窗[12-14]房間，對于雙側(cè)窗的采光研究少。本文以廣西南寧地區(qū)的教學樓為研究對象，從當?shù)亟虒W樓教室的基本特征出發(fā)，結合實地調(diào)研和Radiance軟件分析教室的采光狀況。從實地調(diào)研過程中發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)存在大量的雙側(cè)采光教室。因此，本文將側(cè)重于雙側(cè)窗教室的采光性能進行研究，通過運用DF/DA/UDI評價指標對不同側(cè)窗形式、朝向和窗地比的教室采光進行對比，確立了采用UDI指標評價雙側(cè)窗教室的方法。此外，在分析的過程中，將結合靜態(tài)采光指標和動態(tài)采光指標的結果，探討動態(tài)采光指標的適應性。

1 研究方法與內(nèi)容

1.1 動態(tài)采光評價指標

CBDM(Climate-Based Daylight Modelling)理論[15]的發(fā)展為動態(tài)采光評價體系提供了基礎支撐，動態(tài)采光評價綜合考慮了不同的天空狀況，以及實際建筑所處地區(qū)的氣候條件，將全年時間內(nèi)建筑物中某點的照度水平進行統(tǒng)計，以得到它出現(xiàn)在某個范圍的概率。在此應用DA和UDI兩個動態(tài)采光指標對教室的光環(huán)境進行評價。其中DA的定義是指全年內(nèi)房間的照度水平滿足最低閾值的百分比[7]，如DA_450 lx=75%,則表明該空間在全年內(nèi)照度值高于450 lx的概率為75%。UDI是Mardaljevic 和Nabil[8]于2006年提出來的，其目的是使得房間內(nèi)的照度是“有效的”，既不能過暗也不能過亮，它也是考慮全年內(nèi)天然光照度出現(xiàn)的概率，但是對于照度的取值限定了一個范圍，而不是某一確定的值，在對大量辦公空間的實際調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)空間照度水平在100～2 000 lx認為是“有效的”。根據(jù)式(1)中DA的計算原理[3]，可以看出動態(tài)采光評價的優(yōu)勢在于以當?shù)氐臍庀髤?shù)作為基礎數(shù)據(jù)，對所研究的測試點進行全年照度水平時間百分比統(tǒng)計，更加全面，更具有實際意義。

(1)

其中ti是指全年中每占用小時數(shù)，EDaylight指計算點的水平照度值，fwi是一個加權系數(shù)，Elim是設定的最低閾值。顯然，計算DA值的前提條件需要設定一個合理的閾值，不同建筑類型所要求的最低閾值不一樣。

1.2 教室采光現(xiàn)狀調(diào)研

為了探討地域建筑的采光適應性問題，選取了廣西南寧地區(qū)的8所高校主要教學樓教室作為現(xiàn)場調(diào)研和研究對象，主要方式是通過實地調(diào)研和測量，通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)該地區(qū)教學樓主要建筑朝向為南北側(cè)居多，采光形式多采用雙側(cè)窗，且開窗面積大、窗地比較高，建筑的遮陽形式主要為水平遮陽。根據(jù)實際調(diào)研的結果，將雙側(cè)窗教室的開窗形式分成4大類，以探討該類教室的采光評價和采光性能，分類結果見表1。

表1 教室分類結果

基于該地區(qū)教室的基本特征，設計合理的問卷對教室光環(huán)境進行主觀評價。研究該地區(qū)學生在教室對不同照度水平的感受，以及可接收的室內(nèi)有效照度范圍，采取問卷調(diào)查的方式進行研究。使用TES-1330數(shù)字照度計記錄水平工作面的照度值，以此照度作為參考值，對受試者進行訪談式的問卷調(diào)研，以盡可能保證問卷的有效性。調(diào)查共設置三個問題：①您此刻觀看工作面的舒適感如何？②您是否感覺到刺眼？③您是否想采取措施來(增加或減少)光照？最后記錄好時間和受試者基本信息(包括性別、年齡等)。值的提出的是調(diào)研的時間是在不同的天氣情況下進行的，以避免由于天氣原因造成差異，盡管表面照度值已經(jīng)被實時記錄。最后獲得了192份訪談結果，其中男生100份，女生92份，所有對象均為在校大學生，年齡段為18～26歲。

1.3 模型建立與仿真

選取了一個南北向的雙側(cè)窗采光教室作為參照房間，按照分類的四種雙側(cè)窗類型建立模型，控制四種類型房間窗地比控制不變，即總的窗口面積是一樣的。參照房間尺寸為9 m×8 m×3.3 m，南北兩側(cè)各設兩扇窗戶，在房間的南側(cè)設有1.6 m寬外走廊，走廊設一米高實心護欄。房間各表面光學特性取值見表2，這是通過現(xiàn)場實測獲取的結果。通過Rhino軟件建立教室模型，如圖1所示，并利用Grasshopper插件調(diào)用Radiance進行分析，動態(tài)采光計算的結果是由Radiance中的Daysim計算程序?qū)崿F(xiàn)的，該程序的驗證和應用已有多位研究者[16, 17]證實。導入南寧地區(qū)的氣象參數(shù)文件，設置好各表面的光學特性，選取工作面的高度為0.75 m，以0.1 m×0.1 m一個網(wǎng)格作為計算單元。最后獲取相應的計算結果。

表2 參照教室表面材料特性

圖1 參照房間模型Fig.1 The classroom model for reference

2 結果及分析

2.1 問卷結果

問卷是基于室內(nèi)瞬間工作面水平照度值的訪談結果，調(diào)研是在雙側(cè)窗教室內(nèi)部隨機開展的。如圖2所示，將調(diào)研的結果分成六個范圍值進行分析?？梢钥闯?，當照度值小于100 lx時，視覺舒適度評價的結果是差的，不能滿足基本的視看要求；當工作面照度值大于3 000 lx，52%同學的評價結果是不舒適的，但是也有10%同學認為是舒適的，這反映出人對于天然光作用下的高照度耐受性存在差異；評價結果一般及以上的主要分布在300～2 000 lx，在該區(qū)間具備良好的視覺舒適條件。此外，出現(xiàn)刺眼感覺造成不舒適的水平照度都超過2 000 lx。圖3的調(diào)查結果還顯示，當室內(nèi)較暗時，人們更加趨向于開啟照明燈具來改善光環(huán)境，而非調(diào)整座位；當室內(nèi)過亮時，人們也更傾向于拉上窗簾。

圖2 基于水平照度的視覺舒適度調(diào)查結果Fig.2 Results of visual comfort survey based on horizontal illumination

圖3 室內(nèi)較暗和較亮環(huán)境下人的行為模式Fig.3 Behaviour modes in darker and brighter indoor environments

2.2 仿真計算與分析

動態(tài)采光閾值的選取需要考慮實際情況，本文中DA指標采光閾值參照我國關于教室的采光規(guī)范[18]，選用450 lx作為采光閾值；UDI的有效照度范圍取值為100～2 000 lx，表示當照度低于100 lx時，不能滿足視看基本需求，大于2 000 lx時則會造成視覺不舒適[19]。按照此設定后分別得到了不同類型教室的采光結果，其DA/DF/UDI值見表3。計算結果顯示采用不同評價指標評價存在差異，按照結果排序有：DF(A>C>B>D)、DA(A>B>C>D)、UDI(D>B>C>A)。三種評價指標體現(xiàn)出來的結果都不一樣，且采用DF和DA指標的結果差異并不明顯，這主要是因為此類教室室內(nèi)采光充足。而使用UDI評價的結果存在較大差異，最理想的雙側(cè)窗類型為北面落地窗+南面高側(cè)窗，能夠增加室內(nèi)有效照度，而采用雙低側(cè)窗類型的教室室內(nèi)照度大于2 000 lx的概率達到了37.87%，容易造成室內(nèi)過亮的情況?？梢姡琔DI的結果不僅可以直觀反映全年室內(nèi)大于或在某范圍內(nèi)照度值的概率，對于所研究的雙側(cè)窗教室而言，還能反映室內(nèi)出現(xiàn)過亮，直觀顯示容易造成視覺不舒適的區(qū)域。此外，可以看出在相同開窗面積情況下，開窗位置不同會使室內(nèi)光環(huán)境產(chǎn)生顯著差異。

表3 采光評價指標計算結果

進一步討論UDI指標用于4種類型教室的光環(huán)境分析，圖4所示是計算的UDI結果彩圖。其中圖4(a)(c)(e)(g)代表了雙側(cè)窗教室全年照度值在100～2 000 lx之間的概率，用來反映教室內(nèi)的全年有效照度；圖4(b)(d)(f)(h)是全年照度值大于2 000 lx的概率，用來反映室內(nèi)出現(xiàn)過亮，容易造成視覺不舒適的概率?？梢钥闯?，對于A類型雙低側(cè)窗教室，在窗口處照度水平過高；B類型在北面采用了落地窗，同樣也造成了窗口過亮的現(xiàn)象；C類型在南面設置高側(cè)窗使得室內(nèi)有效照度區(qū)間(100～2 000 lx)變大，改善了南側(cè)照度過高的現(xiàn)象；D類型也是在南側(cè)設置高側(cè)窗，但是北面設置了落地窗，落地窗同樣也造成了靠近窗口處照度過高的現(xiàn)象。綜上，在靠近低側(cè)窗口和落地窗口都容易出現(xiàn)照度值過高的情況，在采用低側(cè)窗的情況下，不論是北面還是南面窗口附近都出現(xiàn)了過亮的情況，在南面合理設置高側(cè)窗之后，有效降低了室內(nèi)過亮的現(xiàn)象。4種類型教室在保證南北窗口面積不變的情況下，在南側(cè)設置高側(cè)窗是一種有效改善光環(huán)境的手段。從計算結果來看，UDI指標用于評價雙側(cè)窗教室的結果較為合理，但也仍然需要進一步討論UDI值與室內(nèi)照度分布和變化的關聯(lián)。

圖4 教室UDI計算彩圖Fig.4 Result of UDI calculation of classroom

3 討論

雙側(cè)窗采光教室在我國夏熱冬暖地區(qū)較為多見，是由當?shù)貧夂蛱卣魉鶝Q定的，這種采光形式往往兼顧通風、采光的功能，討論該類教室的采光評價有其必要性。以當?shù)刈畛Ｒ姷碾p低側(cè)窗為例(即A類型教室)，討論室內(nèi)照度沿進深方向的變化情況，根據(jù)仿真的結果，分別得到了三類指標沿進深方向的平均值變化曲線，如圖5所示。可見，其DA變化曲線都超過了50%，且變化范圍不大；DF值都大于5%，采光系數(shù)值較大，特別是靠近北側(cè)窗口處；而UDI變化趨勢出現(xiàn)了明顯的先升后降的拋物線趨勢，在房間進深達到6 m處，UDI值小于50%，這說明在北側(cè)窗口處由于窗口面積較大且沒有任何擋光措施，造成了該區(qū)域出現(xiàn)過亮，使得在有效照度范圍100～2 000 lx的百分比下降，影響人的視覺舒適性。針對以上情況，本文建議對于雙側(cè)窗教室的采光評價采用UDI指標較為合理，并將房間中UDI100～2 000 lx大于50%的進深范圍定義為“雙側(cè)窗教室舒適采光區(qū)域”，具體含義是指在有效照度區(qū)間100～2 000 lx范圍內(nèi)，室內(nèi)進深范圍平均照度水平值在該區(qū)間大于50%的概率，若超過50%則定義為雙側(cè)窗教室舒適采光區(qū)域，反之，則認為光環(huán)境需要改善。這里的教室舒適采光區(qū)域相比于采光系數(shù)DF更具有實際意義，不僅反映了全年不同天空情況下的照度水平，也考慮了人的主觀舒適性，即舍棄了容易引起眼睛不適感的高照度值。

圖5 不同指標沿采光進深方向的變化曲線Fig.5 Variation curves of different indexes along the direction of daylighting depth

為了進一步驗證“雙側(cè)窗教室舒適采光區(qū)域”的準確性，根據(jù)實際情況分別計算了外廊設置在北側(cè)和南側(cè)、不同窗地比下的教室有效采光區(qū)域。需要說明的是這里的窗地比設置按照如下方式組合：窗地比0.4(外廊側(cè)窗0.15+外廊對面?zhèn)却?.25)；窗地比0.3(外廊側(cè)窗0.1+外廊對面?zhèn)却?.2)；窗地比0.2(外廊側(cè)窗0.1+外廊對面?zhèn)却?.1)。得到如圖6和圖7的結果：以UDI等于50%為分界線，教室的舒適采光區(qū)域隨著不同窗地比和陽臺朝向發(fā)生了明顯的改變，UDI曲線呈現(xiàn)倒U形，隨著窗地比的增加，舒適采光區(qū)域減小，在靠近窗口處出現(xiàn)了過亮的情況。當窗地比為0.2時，教室采光舒適區(qū)域較為理想，當達到0.4時，導致離非陽臺側(cè)窗口約兩米范圍內(nèi)光環(huán)境不適宜。UDI的結果形象地反映出室內(nèi)采光沿進深方向的變化趨勢，即靠近窗口處采光量充足，遠離窗口處采光量減弱，由于人對于照度的適應性，UDI可以方便應用到控制適宜采光照度范圍中；可以說明的是窗地比的增加并不意味著室內(nèi)采光環(huán)境就越來越好，反而當窗地比增加到一定程度時，有必要采取合理的擋光措施，來降低窗口處的照度水平；無論是陽臺設置在南側(cè)和北側(cè)都起到了較好的擋光作用，顯然，南側(cè)設置陽臺是一種更符合實際情況的方案，從圖6和圖7中可以看出，陽臺設置在南側(cè)使得室內(nèi)采光舒適區(qū)間增加約1 m范圍。在沒有設置陽臺一側(cè)UDI的值在近窗處都出現(xiàn)了明顯的下降趨勢，這是因為光照過高所造成的；為了控制最大化的“雙側(cè)窗教室舒適采光區(qū)域”，可以使得UDI變化曲線更多的分布在50%等值線以上。綜上，“雙側(cè)窗教室舒適采光區(qū)域”的定義可以直觀反映出雙側(cè)窗采光教室室內(nèi)的采光水平，這可以為建筑采光設計人員提供一種簡單的判定和優(yōu)化途徑。

圖6 陽臺設置在南側(cè)時UDI指標沿采光進深方向的變化曲線Fig.6 Variation curves of UDI index along the direction of daylighting depth when the balcony is set on the south side

圖7 陽臺設置在北側(cè)時UDI指標沿采光進深方向的變化曲線Fig.7 Variation curves of UDI index along the direction of daylighting depth when the balcony is set on the north side

4 結論

本文對廣西南寧地區(qū)獨具特色的雙側(cè)窗教室的采光性能評價進行了研究，分析結果都是基于仿真計算獲得的，在實際的建模過程中，為了對比不同類型教室的差異，通過大量相關實測數(shù)據(jù)對實際的建筑模型進行了修正。研究的主要結論如下：①針對廣西南寧地區(qū)雙側(cè)窗教室的調(diào)研結果表明，當室內(nèi)水平照度值在300～2 000 lx范圍內(nèi)，人們的視覺舒適度表現(xiàn)最好。②對比動態(tài)采光指標和靜態(tài)采光指標的結果存在明顯差異，對于雙側(cè)窗教室而言，采用有效采光照度UDI指標評價更能夠全面反映室內(nèi)的采光特性。③本文基于UDI仿真結果所提出的“雙側(cè)窗教室舒適采光區(qū)域”可以較好反映出室內(nèi)沿進深方向的采光水平，全面考慮了教室中出現(xiàn)較暗和過亮的區(qū)域，這對于教室的采光設計優(yōu)化具有參考意義。