不同使用時(shí)段對(duì)中小學(xué)教育建筑室內(nèi)采光及窗墻比模式的影響

杜詩(shī)祺，王銘豪，王軼鍇，朱 煒，于文波

(1.浙江大學(xué)城市學(xué)院,浙江 杭州 310015；2.浙江工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,浙江 杭州 310014)

學(xué)校作為學(xué)生學(xué)習(xí)和進(jìn)行各種活動(dòng)的主要場(chǎng)所,擁有舒適的光環(huán)境可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和教師的工作效率,同時(shí)對(duì)降低照明所需的能耗也有幫助。在設(shè)計(jì)過程中,優(yōu)化中小學(xué)建筑的采光環(huán)境是必然的趨勢(shì)。

目前,大量的研究發(fā)現(xiàn)中國(guó)許多中小學(xué)教室都存在著采光不合理的現(xiàn)象。袁景玉等[1]對(duì)教學(xué)建筑自然采光問題的現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)與分析,提出了教學(xué)建筑自然采光需要注意采光均勻、避免眩光等要求；賀棟等[2]從建筑形式、開窗設(shè)計(jì)和遮陽設(shè)施等方面對(duì)教學(xué)建筑的自然采光進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；陳小琴[3-4]、孟超[5]、李春會(huì)[6]、王化玲[7]等分別對(duì)重慶市、北京市、廣州市和鄭州市的教學(xué)建筑進(jìn)行實(shí)地調(diào)研后,發(fā)現(xiàn)大多數(shù)教室窗地面積比不達(dá)標(biāo),其中：孟超提出了使用自然光控制裝置來調(diào)節(jié)教室采光；黃子銘[8]針對(duì)廣州地區(qū)中小學(xué)校側(cè)窗采光系統(tǒng)進(jìn)行影響因子的模擬分析,得出了窗高系數(shù)對(duì)采光效果的影響；衡濤等[9]在天然采光模型的探索實(shí)驗(yàn)中得到當(dāng)窗墻比為1∶2.5 和 1∶3.0 時(shí),教室內(nèi)的采光系數(shù)較大；當(dāng)窗墻比為1∶5、1∶4.5、1∶4、1∶3.5 時(shí),教室內(nèi)采光均勻度較好。

在當(dāng)前的研究中,缺少針對(duì)區(qū)分中小學(xué)建筑使用功能與使用時(shí)間的不同產(chǎn)生對(duì)自然采光不同要求的深入研究。本研究在對(duì)長(zhǎng)江三角洲地區(qū)的教學(xué)建筑展開的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)：中小學(xué)的放學(xué)時(shí)間存在時(shí)間差,多數(shù)小學(xué)通常在下午15：00—15：30的時(shí)間段放學(xué),而中學(xué)放學(xué)時(shí)間則一般是在下午17：00左右。

尋找合適的建筑窗墻形態(tài)能為中小學(xué)建筑在前期設(shè)計(jì)中提供更為科學(xué)的設(shè)計(jì)方案,以獲得更好的自然采光環(huán)境。

本課題對(duì)研究變量結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)進(jìn)行高密度的數(shù)據(jù)分析,針對(duì)中小學(xué)使用時(shí)間段的差異,結(jié)合建筑模型模擬,分析窗墻形態(tài)組合的優(yōu)化解。

1 光環(huán)境模型的建立及模擬分析

1.1 模型與分析網(wǎng)格

本次研究的模擬對(duì)象為一單側(cè)開窗的10 m×8 m×3.6 m的標(biāo)準(zhǔn)教室模型。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ皖愋椭饕獮榇皦Ρ?∶5、1∶4.5、1∶4、1∶3.5、1∶3、1∶2.5, 同時(shí)控制窗高分別為 1.6、1.8、2 m,窗地距離0.9 m,共計(jì) 18 組模型,見圖1、圖 2。

圖1 18組模型軸測(cè)

圖2 模型窗墻形態(tài)關(guān)系折線

根據(jù)中小學(xué)建筑的平面布置與桌面座椅間距, 將標(biāo)準(zhǔn)教室劃分成8×6的網(wǎng)格,并選取了其中6×6共36個(gè)分析點(diǎn),見圖3(點(diǎn)1 所在一側(cè)為靠窗面)。對(duì)分析點(diǎn)使用軟件 DIALUX 分別模擬夏至、秋分、冬至三個(gè)極端日期中午12：00、下午15：00、下午17：00時(shí)室內(nèi) 600 mm 高工作面的照度值。軟件選取日照模擬地區(qū)為上海地區(qū),時(shí)間為北京時(shí)間。

圖3 分析網(wǎng)格

1.2 室內(nèi)照度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(GB 50033—2013)》：上海市教學(xué)建筑室內(nèi)天然光照度的標(biāo)準(zhǔn)值為300 lx，見表1。

表1 各采光等級(jí)參考平面上的采光標(biāo)準(zhǔn)值

2 模擬數(shù)據(jù)分析

將得到的數(shù)據(jù)繪制成折線圖，見圖4～6(此處挑選了趨勢(shì)較明顯的各日期15：00時(shí)的分析點(diǎn)照度折線圖)。

由圖4～6可知所有側(cè)窗形式,室內(nèi)工作面照度點(diǎn)之間的關(guān)系曲線趨勢(shì)總體相似。室內(nèi)越靠近窗戶的點(diǎn)工作面照度越大,隨著分析點(diǎn)與窗戶的距離增大,照度降低。在距窗戶一定距離的地方照度值存在一個(gè)突變,超過突變距離后,室內(nèi)工作面照度降低幅度減小。

圖4 夏至15：00分析點(diǎn)照度折線

2.1 窗墻形態(tài)對(duì)采光要求及人眼舒適度的影響

本研究分別將 300 lx與1 000 lx定為閾值,將位于300～1 000 lx(人眼舒適照度范圍：經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),照度過大會(huì)對(duì)人眼產(chǎn)生眩光、不舒適等現(xiàn)象)的值定為舒適值,低于300 lx的為不適值。將各日期12：00、15：00的分析點(diǎn)照度經(jīng)計(jì)算做成不適率折線見圖7、舒適率折線見圖8；將各日期12：00、15：00、17：00的分析點(diǎn)照度經(jīng)計(jì)算做成不適率折線見圖9、舒適率折線見圖10(不適率=不滿足舒適照度區(qū)間的取值點(diǎn)個(gè)數(shù)/分析點(diǎn)個(gè)數(shù)；舒適率=滿足舒適照度區(qū)間的取值點(diǎn)個(gè)數(shù)/總?cè)≈迭c(diǎn)個(gè)數(shù))。

圖5 秋分15：00分析點(diǎn)照度折線

圖8 12、15 點(diǎn)舒適率

圖9 12、15、17 點(diǎn)不適率

圖10 12、15、17 點(diǎn)舒適率

根據(jù)采光不適率折線圖7、圖9可以看出：1∶4.5 與1∶5窗墻比的不適率較高,窗墻比為 1∶2.5 與 1∶3 的不適率較低；窗高為 2 m 時(shí),室內(nèi)分析點(diǎn)不適率較低。根據(jù)舒適率折線圖8、圖10可以看出：1∶2.5的舒適率在夏至最高,但在冬至舒適度較低；窗墻比 1∶3、1∶3.5、1∶4 的雖然在夏至日舒適度略低,但三個(gè)日期都比較穩(wěn)定,且秋分、冬至舒適率明顯高于1∶2.5的窗墻比。在窗高方面,窗高為 2 m 時(shí),室內(nèi)采光達(dá)標(biāo)率和舒適率越高。

從采光要求同時(shí)滿足人眼舒適度綜合考慮,小學(xué)宜取2 m窗高和1∶3.5的窗墻比,但由于放學(xué)時(shí)間早的原因也可以取1.8 m 的窗高,同時(shí)選擇1∶3的窗墻比能獲得較好的采光。窗高為2 m、窗墻比為1∶3.5的窗墻形態(tài)則最適合中學(xué)建筑,窗墻比1∶3和1∶4的次之。

2.2 進(jìn)深方向上工作面照度的突變

進(jìn)深方向工作面照度的突變及變換會(huì)影響使用者的舒適度。

將2、8、14、20、26、32 共 6 個(gè)分析點(diǎn)連接起來研究突變的原因,取秋分日15：00點(diǎn)與17：00的數(shù)據(jù)做成折線圖,見圖 11、圖12。

圖11 秋分15點(diǎn)突變折線

圖12 秋分 17 點(diǎn)突變折線

從圖11、圖12中可得發(fā)生突變的范圍主要為第 2個(gè)分析點(diǎn)到第6個(gè)分析點(diǎn),根據(jù)分析網(wǎng)格計(jì)算發(fā)生突變的位置位于距窗邊 2.3 m 內(nèi)范圍內(nèi)。

15∶00時(shí),窗墻比為 1∶3.5,窗高為1.8 m的窗墻形態(tài)成了照度突變的分界,窗墻比大于 1∶3.5 時(shí),照度突變較大；17∶00點(diǎn)時(shí)當(dāng)窗墻比大于 1∶3.5時(shí),室內(nèi)進(jìn)深方向的突變值主要由窗墻比決定,窗墻比越大,進(jìn)深方向上工作面照度的值的突變程度就越大,當(dāng)窗墻比小于1∶3.5時(shí),窗高度越大,進(jìn)深方向突變?cè)叫　?/p>

因此,從進(jìn)深方向工作面照度的突變對(duì)使用者舒適度的影響情況來看, 小學(xué)建筑更適合小于1∶3.5的窗墻比；中學(xué)建筑需同時(shí)滿足15時(shí)與17時(shí)進(jìn)深突變避免過大的情況,可選擇小于1∶3.5的窗墻比,同時(shí)可適當(dāng)調(diào)高窗高。

2.3 采光均勻度分析

將各分析點(diǎn)的數(shù)據(jù)利用采光均勻度公式[10]計(jì)算。

C=EW/EN×100%

(1)

式中：EN為在全陰天空漫射光照射下,室內(nèi)給定平面上的某一點(diǎn)由天空漫射光所產(chǎn)生的照度，lx；

EW為在全陰天空漫射光照射下,與室內(nèi)某一點(diǎn)照度同一時(shí)間、同一地點(diǎn),在室外無遮擋水平面上由天空漫射光所產(chǎn)生的室外照度，lx。

E=Cmin/Cav×100%

(2)

式中：Cmin為采光系數(shù)最低值；

Cav為采光系數(shù)平均值。

因距窗邊 6 個(gè)分析點(diǎn)在進(jìn)深方向上存在突變。

本研究分別將 6 個(gè)分析點(diǎn)納入均勻度計(jì)算與不納入均勻度分別計(jì)算繪制采光均勻度折線，見圖13～18。

圖13 夏至未去分析點(diǎn)均勻度折線

圖14 夏至去分析點(diǎn)均勻度折線

圖15 秋分未去分析點(diǎn)均勻度折線

圖16 秋分去分析點(diǎn)均勻度折線

圖17 冬至未去分析點(diǎn)均勻度折線

圖18 冬至去分析點(diǎn)均勻度折線

從圖11、13、15與圖12、14、16對(duì)比可以看出,在去掉離窗較近的6個(gè)分析點(diǎn)之后,采光的均勻度大大降低,由此可知,窗邊 6 個(gè)分析點(diǎn)對(duì)整個(gè)教室平面的采光均勻度有很大的影響,故在平面布置時(shí)不宜在這 6 個(gè)分析點(diǎn)附近擺放課桌椅。

對(duì)圖11、13、15進(jìn)行分析：在夏至和秋分時(shí), 隨著窗墻比的變化,采光均勻度無顯著的變化,但隨著窗高度的增大,采光的均勻性也變好。從圖17與圖13、15的對(duì)比可以看出,冬至的采光均勻性遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有夏至與秋分的好。當(dāng)側(cè)窗高為 2.0 m時(shí), 室內(nèi)的采光均勻性是最好的,且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過 1.6 m與1.8 m的窗,并不隨窗墻比的改變而浮動(dòng),1.6 m 與1.8 m的窗高則對(duì)采光均勻度影響不大。

15點(diǎn)時(shí),窗高為1.6 m的室內(nèi)采光均勻度受窗墻比影響較大且均勻度較低。故在小學(xué)建筑的設(shè)計(jì)過程中建議：在窗高為 1.8 m 時(shí),宜選擇 1∶4.5 的窗墻比,此時(shí)室內(nèi)采光均勻性較好；當(dāng)窗高為 2 m 時(shí),室內(nèi)采光均勻度受窗墻比制約因素較小,窗墻比為 1∶3 與 1∶3.5 的效果略好于其他幾組。17點(diǎn)時(shí),2 m 窗高的室內(nèi)采光均勻度遠(yuǎn)大于 1.8 m和1.6 m的窗,故中學(xué)建筑宜選擇2 m的窗高。此時(shí),在夏至窗墻比對(duì)室內(nèi)照度均勻性影響不大,在秋分和冬至?xí)r受較大影響,1∶4 與 1∶4.5 的窗墻比則在這兩個(gè)日期的室內(nèi)照度均勻性較好。

3 小 結(jié)

1)從進(jìn)深方向工作面照度的突變對(duì)使用者舒適度的影響情況來看,小學(xué)建筑更適合小于1∶3.5的窗墻比；中學(xué)建筑在選擇窗墻比小于1∶3.5的窗墻形態(tài)時(shí),同時(shí)可適當(dāng)調(diào)高窗高。

2)結(jié)合進(jìn)深方向工作面照度突變與采光均勻度考慮,距窗邊 2.3 m 范圍內(nèi)不適宜擺放課桌椅。

3)綜合多種因素,小學(xué)建筑適合的窗墻比為 1∶3.5,窗高為 1.8 m 左右；中學(xué)建筑適合窗墻比為 1∶3.5、1∶4,窗高為 1.8～2 m。

4 不足與展望

1)本文只列舉了幾個(gè)常見情況下有代表性的窗墻比及窗高,實(shí)際設(shè)計(jì)過程中則包含更多窗墻形態(tài)可能性。

2)本文只考慮了一年中幾個(gè)具有代表性的時(shí)間節(jié)點(diǎn)的工作面照度值。

3)本文并未深入研究自然采光對(duì)黑板垂直面上帶來的眩光問題及陽光直射導(dǎo)致工作面產(chǎn)生眩光的問題。