不同采光頂形式的建筑光環(huán)境模擬分析

金 姍

(沈陽建筑大學市政與環(huán)境工程學院，遼寧 沈陽 110168)

采光頂作為改善進深大建筑室內采光的一項有效技術措施，近年來應用越來越廣泛。玻璃采光頂是一種以改善室內光環(huán)境為主要目的的建筑屋頂的建造形式，由于采光頂具有視覺效果佳、結構簡單、減少燈光布置等優(yōu)點，在公眾建筑設計中很受設計師歡迎，出現頻率極高，其中最主要的應用場所有商場、體育館、火車站等。不同的采光頂形式下的室內光環(huán)境有著一定的差別，本文探究平頂型、穹頂型、坡型3種形式下采光頂的室內光環(huán)境的差異，選擇適合該建筑的最佳的采光頂形式。

1 模型建立

本文以沈陽市某具有采光頂結構的商場為原型，該原型的建筑尺寸為長140m，寬100m，高22.5m，共5層，1～5層層高均為5.5m，建筑總面積14000m2，體型系數為0.123，通過查閱公共建筑節(jié)能設計標準，該建筑屬于甲類公共建筑，規(guī)范對每一類型的建筑都有各自的要求，該類建筑每一面的窗墻比應≤0.6，若屋頂有透光部分，則該部分的建筑面積應小于屋頂總面積的20%。該建筑采光頂尺寸為長35m，寬25m，具有2個尺寸相同的采光頂，采光頂總面積為1750m2，滿足節(jié)能設計標準要求，內部結構為具有不同功能類型的房間若干個，每個房間各自獨立，側墻不透光，基礎設施完善。

1.1 模擬條件設置

1.1.1 模擬條件設置

冬至日為全年中太陽高度角最小，太陽光掃過的面積也是最小的，所以冬至日為最不利條件，該天滿足條件，則全年都可滿足。

1.1.2 玻璃材質選擇

玻璃的熱工性能對采光頂有直接的影響，目前市場上大多數普通玻璃的熱工性能較差，所以有很大的可能會在玻璃表面產生露水，而且北方冬季室內外的溫度差比較大，普通玻璃的內表面極易達到空氣的露點溫度而產生結露現象，從而產生冷凝水，冷凝水對玻璃有著極強的腐蝕作用，故為避免該種不利情況產生，結合大量文獻，找到解決方案為增加玻璃的層數，采用復合中空玻璃來提高采光頂的熱工性能。根據規(guī)范規(guī)定，該類建筑的采光頂玻璃材質的傳熱系數應≤2.3，側窗玻璃材質的取值為≤1.7。具體參數如下：選取中空夾層玻璃，傳熱系數K=2.3，側窗玻璃的傳熱系數K=1.5。

1.1.3 墻體、屋面材質設置

通過查閱相關規(guī)范，得到該地區(qū)該類建筑的各項參數的規(guī)定值，甲類公共建筑嚴寒C區(qū)，外墻材質的傳熱系數應≤0.43，屋面材質的傳熱系數應≤0.35。具體參數見表1、表2。

表1 墻體參數設置

表2 屋頂參數設置

1.2 建立模型

根據上述模擬條件，采用Ecotect軟件建立數學模型，Ecotect是一項可持續(xù)建筑設計分析軟件，Ecotect軟件可以對室內的光環(huán)境進行詳細的分析與計算，可設置多種不同工況，模擬不同情景，同時可以得到采光系數、光照時間等室內光環(huán)境評價指標。

在建筑中，由于太陽在天空中的位置無時無刻不在變化，而且不確定因素干擾較多，光環(huán)境極其復雜，若對建筑每個時間段都進行模擬工作量很大，故模型的采光分析中采用的是最不利的情況進行采光分析，最不利情況為陰天情況，模型建立如圖1～3。

2 室內光環(huán)境模擬

本文分析的室內光環(huán)境主要從以下3個方面來評價，分別為采光系數、光照時間、光照均勻度。

通俗來講，采光系數是指在有遮擋建筑物里的某一點，與室外同一水平面無遮擋的同一點，在同一時間接收到太陽照度的比值。某一平面上的一點，受太陽光照射的時間稱之為光照時間。光照均勻度是參考平面上的采光系數最低值與平均值之比。

2.1 室內光環(huán)境評價方法

根據上述3個室內光環(huán)境評價指標，查閱相關文獻及規(guī)范，整理得到具體限制值，如表3。

表3 采光等級對應采光系數表

按照規(guī)范規(guī)定，工業(yè)建筑以距離地面1m為基準面，民用建筑選取的基準面為距離地面0.75m，公用建筑以地面為基準面。本建筑類型為公共建筑中的商業(yè)建筑，故選取每一層的地面為確定采光系數的基準面，采光系數最高不宜超過7%。光照時間理論上不小于2h。

對于具有頂部采光需求的建筑，每一等級的光照均勻度均應≥0.7。

2.2 采光頂形式對光環(huán)境的影響分析

運用軟件分別對平頂型采光頂、圓弧型采光頂以及坡型采光頂進行模擬，在保證其它條件都相同的情況下，通過改變采光頂的形式對具有不同類型采光頂的建筑進行光環(huán)境模擬分析，分別對采光系數、光照時間、光照均勻度進行模擬對比分析。通過模擬，得出的模擬結果見圖4～6。

圖4 測點10采光系數變化 圖5 測點10光照時間變化 圖6 光照均勻度變化

3 光環(huán)境模擬分析結果

從以上采光系數、光照時間、采光均勻度的數據整理來看，平型采光頂、圓弧形采光頂、坡型采光頂的采光系數大致相同，沒有特別大的變化，隨著樓層的增加，采光系數不斷增加，3種形式的采光系數較規(guī)范規(guī)定超出一小部分，應采用適當的遮陽手段進行調節(jié)；從光照時間上來看，每一層的光照時間隨著樓層的增加不斷增加，這是由于樓層越高，陽光的散射越大，光照時間更長，3種形式的采光頂中，平頂型采光頂的光照時間要優(yōu)于圓弧形采光頂和坡型采光頂；圖6是采光均勻度的數據整理圖，每一層分別取了256個測點進行采光均勻度的分析，得出的結論為平頂型采光頂和坡型采光頂的均勻度相較于圓弧形采光頂的要好，一層的采光均勻度相較于其它層來說較好,這是由于一層距離采光頂較遠，接收到陽光有限，與其它沒有采光頂的位置接收到的陽光大致相同。

綜上所述，平頂型采光頂與坡型采光頂的室內光環(huán)境與圓弧形采光頂相比較好，從整體數據來看，平頂型采光頂更加適合該建筑模型。