南昌大學(xué)游泳館建筑側(cè)窗采光優(yōu)化設(shè)計研究

文／陶文茹 南昌大學(xué)建筑工程學(xué)院 碩士研究生

引言

光是大自然的最重要的元素之一，在人類營建方面有著非常重要的影響。光不僅能塑造建筑空間氛圍，也能改善建筑內(nèi)部空間的物理環(huán)境，提高人在建筑中的居住感受。光不僅僅是在感觀上給予人類以熱能需求，也在心理上給了人類極大的幫助，太陽光作為取之不盡用之不竭的清潔能源，通過建筑墻面的窗戶進(jìn)入建筑室內(nèi)，不僅豐富了室內(nèi)色彩，同時也給室內(nèi)提供熱量和舒適的光環(huán)境。因此在建筑設(shè)計中合理地利用光是非常重要的。游泳館建筑作為大型的公共體育類建筑，有著大跨度、大進(jìn)深的建筑限制，對自然采光的要求較為嚴(yán)格，需要保證游泳館室內(nèi)穩(wěn)定、充足的室內(nèi)自然光照度，才能滿足游泳者使用需求。在大型游泳館建筑中，通常會采用側(cè)窗采光和天窗采光這兩種方式來獲得自然采光，《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50189-2015）中規(guī)定公共建筑的屋頂透光部分面積不應(yīng)大于屋頂總面積的20%，使得天窗采光的實際面積受到限制，而側(cè)窗采光沒有嚴(yán)格的面積限制，在設(shè)計時則可以布置靈活，并且側(cè)窗有利于室內(nèi)外空間滲透及自然通風(fēng)等優(yōu)點，常被運用于游泳館建筑中。目前大多數(shù)的游泳場館的外立面窗墻比是滿足規(guī)范需求的，但是很難完全保證泳池區(qū)域的天然光照度能達(dá)到白天不開燈或者少開燈的程度，由于各地區(qū)的光照強(qiáng)度不一致，各地的游泳館對于外立面開窗面積比例要求也會有所不同，所以如何在滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的足夠光照度的前提下，創(chuàng)建出富有特色的游泳場館是需要經(jīng)過一系列分析計算的。

本文以南昌大學(xué)游泳館的室內(nèi)游泳池區(qū)域為研究對象，在側(cè)窗自然采光的情況下，通過分析研究側(cè)窗采光是否滿足建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中的采光系數(shù)和室內(nèi)天然光照度要求等問題。本文利用采光分析軟件Ecotect 對其進(jìn)行模擬分析，并通過對比的方式對南昌地區(qū)未來建設(shè)游泳館建筑提出合適的建筑采光設(shè)計策略。

1 建筑模型建立以及計算參數(shù)

南昌大學(xué)游泳館位于南昌大學(xué)3 號門東側(cè)，兩層白色建筑，建筑方向東偏北15 度，室內(nèi)面積1.9 萬平方米，一層為健身房和淋浴區(qū)，二層為泳池入口，并設(shè)有50×25 米標(biāo)準(zhǔn)游泳池和標(biāo)準(zhǔn)跳水區(qū)域，目前是江西省設(shè)施最為先進(jìn)、完備的室內(nèi)游泳場所。建筑整體設(shè)施恒溫恒控，并設(shè)有全自動溫控系統(tǒng)，整體建筑頂部為太陽能集熱，并設(shè)有最先進(jìn)的數(shù)字化監(jiān)控，可以通過網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控對各種集熱器進(jìn)行調(diào)控，部分屋頂采用可開啟式，用以建筑室內(nèi)采光，但絕大部分時間處于關(guān)閉狀態(tài)。與此同時，建筑側(cè)面設(shè)有一系列的條形豎窗用于增加側(cè)面進(jìn)光量，造型上更優(yōu)美豐富。

基于實地測量得出本次模擬模型建筑尺度為187×46 米，層高為14.7 米，其中，研究對象室內(nèi)泳池區(qū)域尺寸為76×46 米，層高9.8 ～13.8米不等。由于南昌市位于中國光氣候分區(qū)中的IV區(qū)，所以室外臨界照度為4500lux（表1）。

2 相關(guān)規(guī)范要求

為了在建筑采光設(shè)計中，貫徹國家的法律法規(guī)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策，充分利用天然光，創(chuàng)造良好光環(huán)境、節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境和構(gòu)建綠色建筑，相關(guān)部門于2013 年制定了《建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50033-2013），此標(biāo)準(zhǔn)明確了體育類建筑的采光系數(shù)和室內(nèi)天然光照度標(biāo)準(zhǔn)值的要求（表2）。本次實驗主要針對側(cè)面采光的條件下，游泳館室內(nèi)天然光照度標(biāo)準(zhǔn)值的量。

表2 體育建筑的采光標(biāo)準(zhǔn)值（《建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB 50033-2013）（表格來源：作者自繪）

其中采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值指的是在規(guī)定的室外天然光設(shè)計照度下，滿足視覺功能要求時的采光系數(shù)值；室內(nèi)天然光照度標(biāo)準(zhǔn)值指的是對應(yīng)于規(guī)定的室外天然光設(shè)計照度值和相應(yīng)的采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值的參考平面上的照度值。

3 模擬結(jié)果分析

本次采光分析僅把泳池空間區(qū)域作為研究對象，經(jīng)計算可得側(cè)窗面積與泳池外立面面積的比值即窗墻比為0.3，經(jīng)過采光分析軟件Ecotect 的分析之后得到數(shù)據(jù)為采光系數(shù)8.28%，室內(nèi)自然光照度為372.41lux，由圖1、圖2 可知采光系數(shù)在建筑南北側(cè)窗邊的數(shù)值較大，這一部分基本上都在10%以上，是建筑采光的主要區(qū)域。而在東西兩側(cè)墻和泳池中間部分則稍微弱于標(biāo)準(zhǔn)值，采光系數(shù)大致都在5%左右，但是大體上區(qū)別不太明顯。

不同于采光系數(shù)，由數(shù)據(jù)可知，室內(nèi)天然光照度是在整個測試區(qū)域的中間，即泳池部分基本上都弱于標(biāo)準(zhǔn)值，并且清楚可知的是室內(nèi)天然光照度遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)值的范圍，基本上泳池部分全部都沒有到達(dá)300lux；而建筑南北側(cè)窗邊的數(shù)據(jù)都在400lux 以上，有的甚至高達(dá)1000lux，室內(nèi)天然光照度的數(shù)值區(qū)別較為明顯。由于游泳館進(jìn)深過大的構(gòu)造特點，導(dǎo)致了室內(nèi)天然采光照度在室內(nèi)不同區(qū)域內(nèi)有明顯的數(shù)據(jù)偏差，在越接近窗的區(qū)域，采光照度越強(qiáng)，而泳池區(qū)域則明顯變?nèi)?，特別是中心區(qū)域，可明顯看出采光照度不足。

在《建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50033-2013）中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)是采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值和室內(nèi)天然光照度標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)為參考平面上的平均值。由數(shù)值可知，模型數(shù)據(jù)室內(nèi)自然光照度為372.41lux是超過了規(guī)范所設(shè)置的平均值的，所以在定義上，南昌大學(xué)游泳館的游泳池部分是滿足《建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中對于采光系數(shù)與室內(nèi)天然光照度的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的，是可以滿足運動員日常訓(xùn)練或娛樂活動的。

4 對比分析

由已知資料得知建筑外立面的開窗方式對建筑內(nèi)部的采光系數(shù)和室內(nèi)天然光照度的數(shù)值會有一定的影響，所以本次測試只針對于南昌大學(xué)游泳館的側(cè)面開窗方式為研究對象，即一系列豎向條形窗，對比方案也只是在南昌大學(xué)游泳館模型的基礎(chǔ)上加以修改，在數(shù)量模型中，僅改動條形窗的尺寸大小以及增加或減少條形窗的數(shù)目量，做單一變量的數(shù)據(jù)對比，得到大致所需要的窗墻比。

還有其他類似于開窗方式、開窗的角度是如何影響采光系數(shù)和室內(nèi)天然光照度，均不在本論文中加以討論。

本次對比分析所選取泳池的側(cè)窗面積與外立面面積的比值即窗墻比分別為0.19、0.25、0.3、0.34、0.41。其中面積單位為平方米（m2），照度單位為勒克司度（lux），分析數(shù)據(jù)如表3、圖3。

表3 不同窗墻比下的采光系數(shù)以及采光照度（表格來源：作者自繪）

從圖4、圖5 中可以看出，當(dāng)窗墻比隨著線性增加時，采光系數(shù)和室內(nèi)天然光照度也基本成線性增長趨勢，而根據(jù)《建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50033-2013）中的要求，體育建筑訓(xùn)練場所要求的室內(nèi)天然光照度標(biāo)準(zhǔn)值為300lux，從圖中可以知道，當(dāng)游泳館泳池空間建筑外立面窗墻比為0.2 以上時，即可以滿足國家規(guī)范對室內(nèi)天然光照度的要求，也能滿足對采光系數(shù)的要求。然而由于體育建筑空間大，水面會影響光的折射和反射，進(jìn)而真正要達(dá)到游泳池區(qū)域的室內(nèi)天然光照度應(yīng)該要使窗墻比在0.35 到0.4 之間，這樣才能使得泳池區(qū)域基本達(dá)到300lux 的照度，從而滿足游泳者基本的訓(xùn)練和娛樂要求。

與此同時，規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求整個體育建筑采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值要達(dá)到2%，但不同位置會導(dǎo)致進(jìn)光量不同，入口區(qū)域及泳池周圍過道進(jìn)光量會明顯大于泳池，所以要保證泳池區(qū)域天然光強(qiáng)度達(dá)到2%時，其窗墻比在0.35 到0.4 之間，比值過大會造成進(jìn)光量過多而導(dǎo)致反射眩光等問題。

當(dāng)人的視線感觸到光亮度的分布差距大時，特別是在空間或時間上存在著極端的亮度對比，則會引發(fā)不舒適眩光，降低視覺條件。由圖可知南昌大學(xué)游泳館泳池空間室內(nèi)天然光照度有著較大的亮度對比，泳池區(qū)域與建筑外立面甚至達(dá)到了500lux 以上的照度值差距。這必然會產(chǎn)生部分的不舒適眩光，但是這是側(cè)窗采光必然會產(chǎn)生的一個現(xiàn)象。其次泳池內(nèi)部空間巨大，水面也會波動，隨著光線的不穩(wěn)定性，斜射光線打入水面從而導(dǎo)致的眩光也會對人產(chǎn)生影響。

要避免這一情況，可在側(cè)立面增加遮光材料來限制光線，而根據(jù)《室內(nèi)工作系統(tǒng)照明》（GB／T 13379—1992）第4.4.2 條規(guī)定，減小窗戶眩光的措施有：①采用室內(nèi)外遮擋措施降低窗亮度或減少天空視域；②工作人員的視線不宜面對窗口；③在不降低采光窗數(shù)目的前提下，提高窗戶周圍表面的反射比和亮度。但這在很大程度上失去了側(cè)窗采光的意義。

5 采光節(jié)能分析

游泳館若僅采用全天然采光，的確可以節(jié)省能源，但是對于大型公共建筑來說，特別是游泳館建筑這種體量大、進(jìn)深大的建筑來說，僅靠天然采光恐怕很難維持建筑對光線的要求，所以常用的做法就是將天然采光與人工照明相結(jié)合。在不同時間段、不同的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行合理的安排，保證天然采光與人工照明相配合，既可以節(jié)約能源又可以減少直射光線的影響。

在建筑物采光節(jié)能中，需要充分地考慮各種熱工和采光的影響，應(yīng)選取符合采光規(guī)范的照明措施，特別是游泳館這種大型、大跨公共建筑，應(yīng)該考慮頂部照明等與自然光相結(jié)合的照明設(shè)備。而在考慮側(cè)面采光設(shè)備時，需要考慮與側(cè)面遮陽相調(diào)節(jié)的設(shè)施。

南昌大學(xué)游泳館就是利用這種方式進(jìn)行采光，游泳池區(qū)域共45 盞照明用燈，每臺功率為240W。

《建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB 50033-2013 中節(jié)能計算公式：

其中A ＝76×46m ＝3496m2，Pn ＝45×240 ＝10800W，Td ＝2789h，t′D ＝235h，F(xiàn)D ＝1，F(xiàn)′D ＝0.5。

經(jīng)計算We ＝31390.2（kWh/年），Ue ＝8.98（kWh/m2·年）即每年可以節(jié)省31390.2 千瓦時的照明用電量，相當(dāng)于每平方米每年可節(jié)省8.98 千瓦時的照明用電量?，F(xiàn)如今國家乃至整個社會都在提倡碳中和，節(jié)省部內(nèi)電能源在提倡綠色節(jié)約能源的如今是非常值得推崇的。而要進(jìn)一步增大節(jié)省的年照明用電量We，公式中可以變動的只有tD 和t′D，所以要盡可能地多利用天然光，使得全部利用天然采光的時數(shù)tD 增大，這樣可以節(jié)省更多的照明用電量，為創(chuàng)造更加低碳的社會作出貢獻(xiàn)。

結(jié)論

在完成一系列的實驗之后，得到了以下關(guān)于南昌地區(qū)的游泳館建筑側(cè)窗采光優(yōu)化策略的結(jié)論：

（1）南昌地區(qū)未來建設(shè)游泳館，應(yīng)充分考慮場地的特點，就建筑方向東偏北15 度來看，泳池空間部分的窗墻比至少在0.2 以上，才能滿足建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)；而為了滿足泳池部分整體室內(nèi)天然光照度達(dá)到300lux，則泳池空間部分的窗墻比應(yīng)該在0.35 ～0.4 之間，同時要特別注意對泳池空間的利用。

（2）建筑只采用側(cè)窗采光時候，通常容易產(chǎn)生不舒適眩光，視線偏差可視條件差等問題，為消除這些現(xiàn)象，可以采用以下措施：第一，利用室內(nèi)外遮擋措施，如多重遮陽、降低窗亮度、減少天空視區(qū)域亮度變化窗的光線角度等。第二，工作人員及使用者的視線不直接面對窗口；巧妙設(shè)置入口下水等位置，減少直視窗口的可能性。第三，在建筑本身不降低采光窗數(shù)目的前提下，提高窗戶周圍表面的反射比和亮度，從而提高窗戶周圍的對比度，以減少眩光。這些措施都可以有效地減少眩光對運動員造成的干擾。

（3）在前期方案設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)不同地區(qū)的光照特點，根據(jù)地形特點，采取相對有效的設(shè)計及結(jié)構(gòu)措施，盡可能地充分利用好自然光，在滿足建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的前提下，盡可能多地利用天然光照明，從而節(jié)約能源。同時在裝修設(shè)計時，應(yīng)該提早考慮到自然光與燈光相配合，考慮延長室內(nèi)使用時間。

（4）在游泳館建筑采光設(shè)備的選擇上，對于大跨度、大進(jìn)深應(yīng)考慮頂部采光設(shè)備及導(dǎo)光管采光設(shè)備，在導(dǎo)光材料的選擇上透射率不應(yīng)該低于5%，側(cè)面采光時，可考慮增加棱鏡改變光線入射角度及增加反光板改善大進(jìn)深建筑的采光。