張 濱 李桂文 趙建平

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院，哈爾濱 150006;2.中國建筑科學(xué)研究院，北京 100044)

1 前言

路易斯·康在一次對(duì)窗戶的討論中提到:“窗戶是一種自然照明設(shè)備，因?yàn)樗鼘?duì)光線進(jìn)行分配，這不同于一般的人工設(shè)施，他雖然是一種設(shè)備、一臺(tái)小型機(jī)器，但不需要發(fā)動(dòng)機(jī)。它只是一種經(jīng)過精心思考的形狀。［1］”在天然光環(huán)境設(shè)計(jì)的角度，建筑、房間和窗戶的形式都決定了天然光的攝入量，它不僅可以對(duì)天然光進(jìn)行分配，影響人工照明，并可以影響熱量攝取或熱量損失及通風(fēng)。窗戶可以為室內(nèi)提供理想的采光條件，室外景觀也盡收眼底，人們都希望能擁有這種宜人的感覺，于是大面積的玻璃窗在住宅中越來越普遍，甚至是在寒冷和嚴(yán)寒地區(qū)。窗戶是節(jié)能設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)，窗戶的熱工性能比外墻差很多，窗越大，溫差傳熱量越多，雖然目前的窗體和玻璃技術(shù)可以有效地降低窗戶的傳熱系數(shù)，但是從減低建筑能耗的角度出發(fā)，我國的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)中作為強(qiáng)制性條文明確地限制了不同朝向住宅建筑的窗墻面積比。在這種情況下，采光與節(jié)能對(duì)于窗戶形式的雙重要求就在一定程度上形成了矛盾，對(duì)于建筑師來說，應(yīng)該如何在建筑設(shè)計(jì)初期通過對(duì)建筑和窗戶形式的設(shè)計(jì)有效地平衡這種矛盾呢?針對(duì)這一問題，本文提出了“采光能效”的概念，其目的是使建筑師了解建筑和窗戶形式的變化對(duì)建筑采光和耗熱的影響作用和規(guī)律，以及兩者之間的變化關(guān)系，從而可以有效地從環(huán)境性能和節(jié)能設(shè)計(jì)的角度進(jìn)行方案設(shè)計(jì)和調(diào)整。

圖1 采光能效的概念圖解

2 采光能效的概念和內(nèi)涵

在建筑設(shè)計(jì)中建筑形式的變化可以改變室內(nèi)的采光效果同時(shí)也會(huì)引起耗熱量指標(biāo)的變化，但是建筑形式變化之于建筑采光和耗熱量指標(biāo)影響的效果應(yīng)該如何比較，如何描述兩者的變化關(guān)系，如何在保證采光效果的前提下對(duì)兩者的變化關(guān)系進(jìn)行設(shè)計(jì)權(quán)衡和判斷，是本文希望能夠利用“采光能效”這一概念來說明的問題。其概念為:當(dāng)建筑形式發(fā)生變化時(shí)，同一變化條件引起的計(jì)算點(diǎn)的采光系數(shù)相對(duì)于建筑耗熱量指標(biāo)的平均變化率，即在某一變化過程中采光系數(shù)相對(duì)于建筑耗熱量指標(biāo)變化的快慢程度。

但是采光系數(shù)和建筑耗熱量指標(biāo)兩者單位不同、級(jí)數(shù)不同、物理意義也不相同，在具體的應(yīng)用中，為了使數(shù)據(jù)具有可參照性，消除建筑采光和建筑耗熱量指標(biāo)兩者在單位、量級(jí)上的差異，首先應(yīng)用極值處理法對(duì)其進(jìn)行指標(biāo)的無量綱化處理。極值處理法的表達(dá)式為［2，3］:

式中，xij表示第i個(gè)被評(píng)價(jià)指標(biāo)在第j個(gè)指標(biāo)上的值，即 xj(j=1，2，…，m)的觀測(cè)值為{xij|i=1，2，…，m;j= 1，2，…，m}。Mj= max{xij}，mj=min{xij}。該方法在本文的具體應(yīng)用過程可以表示為，在同一種建筑形式的變化過程區(qū)間中，某一點(diǎn)的采光系數(shù)和建筑耗熱量的變化量與整個(gè)過程的各自的最大變化量相比，使兩者的計(jì)算結(jié)果都在 (0～1)之間，通過這樣的計(jì)算使兩者轉(zhuǎn)換成為具有可比性的數(shù)值。根據(jù)采光能效的定義，采光系數(shù)和建筑耗熱量指標(biāo)的關(guān)系可表示為圖1，由圖1可知，采光能效的概念，可由下式表示:

式中，η為采光能效值，該值即為函數(shù) f(q′H)從 q′H1到 q′H2的平均變化率。

圖2 采光能效變化規(guī)律示意圖

當(dāng)如圖1所示的采光能效概念的圖解呈線性關(guān)系變化時(shí)，表示整個(gè)變化過程中采光能效的值不變，直線的斜率為該條件下的采光能效值;當(dāng)呈非線性關(guān)系變化時(shí)A點(diǎn)與B點(diǎn)直線的斜率即是自A點(diǎn)至B點(diǎn)的平均采光能效;而曲線上某點(diǎn)的切線斜率即為該點(diǎn)的采光能效值。

在不同設(shè)計(jì)要求下，采光系數(shù)和建筑耗熱量指標(biāo)的變化關(guān)系可以表示為圖2中的四種情況，其中區(qū)域B中的曲線表示隨著采光系數(shù)值的增加，建筑耗熱量指標(biāo)減小，這種情況為最理想的設(shè)計(jì)結(jié)果，設(shè)計(jì)師在這種情況下不需要對(duì)采光和建筑耗熱兩者進(jìn)行權(quán)衡和比較;區(qū)域D中兩者的變化關(guān)系為隨著采光系數(shù)的減小，建筑耗熱量指標(biāo)增加，這種情況是不利于建筑室內(nèi)物理環(huán)境指標(biāo)的變化形式，在設(shè)計(jì)中應(yīng)避免這種情況的出現(xiàn)，所以本文關(guān)于“采光能效”討論不包括區(qū)域B和D所描述的兩種情況。

3 住宅不同空間采光能效值的確定

圖2中A和C區(qū)域中采光系數(shù)和建筑耗熱量的變化過程都是一種反作用的作用方式，這時(shí)在保持有利于室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的一種因素的變化趨勢(shì)下，另一因素則向著不利于室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的一方發(fā)展，當(dāng)這種變化趨勢(shì)不可避免時(shí)，需要對(duì)不利的一方進(jìn)行約束，該約束值的確定取決一定功能的空間中采光質(zhì)量和建筑節(jié)能在環(huán)境整體評(píng)價(jià)中的權(quán)重，也可以理解為采光質(zhì)量相對(duì)于建筑節(jié)能的重要性程度。采光能效值作為判斷采光系數(shù)相對(duì)于耗熱量變化的快慢程度的衡量指標(biāo)，是表達(dá)兩者變化量關(guān)系的量值。從變化的角度理解，采光相對(duì)于建筑耗熱量的重要性程度，可以理解為當(dāng)采光系數(shù)變化單位物理量時(shí)，建筑耗熱量指標(biāo)相應(yīng)所變化的量，也即是采光能效值。

基于此，本文利用專家打分的方法，請(qǐng)15位建筑光學(xué)和建筑熱工方面的專家對(duì)住宅不同功能空間中采光與節(jié)能權(quán)重進(jìn)行了打分，分析結(jié)果如表1所示。

表1 不同住宅空間采光能效分析表

以臥室為例，當(dāng)采光能效值呈現(xiàn)區(qū)域A的變化規(guī)律時(shí)，變化相同采光系數(shù)時(shí)建筑耗熱量指標(biāo)的增加量逐漸加大，當(dāng)采光能效值為0.86時(shí)，建筑耗熱量指標(biāo)的變化量為1，等于兩者的權(quán)重比值，當(dāng)采光系數(shù)繼續(xù)增加時(shí)，采光能效值的值小于0.86時(shí)，這時(shí)采光系數(shù)相對(duì)于建筑耗熱量指標(biāo)的的變化速度變慢，超出了約束值的范圍，所以在這種情況下0.86是臥室采光能效值的最小值。在住宅臥室的天然光環(huán)境設(shè)計(jì)中，當(dāng)采光能效值小于于0.86則認(rèn)為采光系數(shù)與建筑耗熱量的相對(duì)增加速度是不利于室內(nèi)物理環(huán)境的綜合效果的，是不經(jīng)濟(jì)的，應(yīng)該在滿足采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，適當(dāng)?shù)臏p小窗戶面積，或利用適宜的建筑節(jié)能技術(shù)減小建筑的耗熱量指標(biāo)。同理可得當(dāng)兩者呈現(xiàn)區(qū)域C中所示的變化規(guī)律時(shí)，0.86為采光能效的最大值。

4 以窗戶面積為條件的采光能效計(jì)算與應(yīng)用

至此，采光能效的概念得以比較全面的呈現(xiàn)，而這一概念涉及到了室內(nèi)物理環(huán)境設(shè)計(jì)的不同層面，在具體的設(shè)計(jì)實(shí)踐如何應(yīng)用，還需要從實(shí)踐的角度認(rèn)識(shí)和說明。

本文利用Daysim軟件對(duì)圖3所示戶型中的主臥室進(jìn)行了采光分析，如圖，主臥室朝向?yàn)槟舷颍瑢痈?900mm，采光窗的寬度為1800mm，窗高為2000mm，窗臺(tái)高度為300mm，窗墻面積比為0.31。設(shè)房間墻面、屋頂和地面的反射比分別為0.75、0.75和0.35，中空玻璃的透射比取0.81，窗結(jié)構(gòu)的擋光折減系數(shù)取0.75，窗玻璃的污染折減系數(shù)取0.9，取A點(diǎn)為計(jì)算點(diǎn)，軟件的分析結(jié)果見圖4。由圖中可見，A點(diǎn)的采光系數(shù)為0.71，不滿足采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求，需要改變窗戶形式以改善室內(nèi)的采光效果。使用增加窗洞口面積的方法來改變A點(diǎn)的采光系數(shù)時(shí)，選擇增加窗戶寬度和減少窗上沿高度兩種方法，對(duì)主臥室的采光窗面積進(jìn)行調(diào)整以改善A點(diǎn)的采光系數(shù)值。

(1)增加窗戶寬度

在原有窗戶面積的基礎(chǔ)上，依次增加窗戶的寬度，使窗墻面積比在0.3～0.5之間變化，可得室內(nèi)A點(diǎn)的采光能效的示意圖，如圖5所示，說明隨著窗戶寬度的增加采光能效的值保持不變，與上一節(jié)的分析結(jié)果相同，此時(shí)采光能效的值等于直線的斜率，為1.09大于1，即在整個(gè)變化過程中采光系數(shù)和建筑耗熱量指標(biāo)的相對(duì)變化速度都在合理的范圍之內(nèi)。在采光能效的計(jì)算過程中可得當(dāng)窗戶寬度為2400mm時(shí)，A點(diǎn)的采光系數(shù)可以達(dá)到1%，窗戶寬度為2400mm時(shí)，A點(diǎn)的采光系數(shù)值見圖6，可見此時(shí)A點(diǎn)的采光系數(shù)為1.07%，窗墻面積比為0.42，滿足了建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和住宅建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖3 戶型示意圖

圖4 采光系數(shù)分析結(jié)果1

圖5 變化窗戶寬度時(shí)采光能效分析結(jié)果

圖6 采光系數(shù)分析結(jié)果2

(2)增加窗戶高度

同樣以原有窗戶為基礎(chǔ)，在窗墻面積比允許的范圍內(nèi)，依次減少窗戶上沿的高度以增加窗戶的高度，可得室內(nèi)A點(diǎn)的采光能效的示意圖，如圖7所示，由圖中可以看出以窗戶上沿高度變化為條件時(shí)，采光能效的值隨窗戶面積的變化而變化，當(dāng)采光能效的值0.86時(shí)，所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)為M點(diǎn)，取M點(diǎn)即為變化窗戶上沿高度時(shí)的臨界點(diǎn)，此時(shí)窗戶高度為2200mm時(shí)，窗墻面積比為0.35，A點(diǎn)的采光系數(shù)值見圖8，由圖中可知，此時(shí)A點(diǎn)的采光系數(shù)值為0.98%，接近于1%。而當(dāng)采光能效臨界點(diǎn)對(duì)應(yīng)的采光系數(shù)不能滿足建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求時(shí)，應(yīng)另行選擇其它采光能效值較大的變化條件進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到最大程度的節(jié)約建筑能耗的目的。

圖7 變化窗戶高度時(shí)采光能效分析結(jié)果

圖8 采光系數(shù)分析結(jié)果3

5 總結(jié)

可見，采用采光能效這一概念，我們可以明確建筑形式變化時(shí)采光系數(shù)和耗熱量指標(biāo)兩者的變化的相對(duì)情況，從而可以使建筑師根據(jù)設(shè)計(jì)需要對(duì)設(shè)計(jì)方案作出相應(yīng)的判斷和調(diào)整，在保證室內(nèi)采光效果的同時(shí)最大限度地實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能，是整合了采光和建筑耗熱量要求的一種全新的設(shè)計(jì)方法。

［1］［美］瑪麗·古佐夫斯基著.可持續(xù)建筑的自然光運(yùn)用.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2005－12－6第一版:265.

［2］郭亞軍，易平濤.線性無量綱化方法的性質(zhì)研究.統(tǒng)計(jì)分析，2008，2:93.

［3］謝銘杰，韓兆洲.線性無量綱化方法的局限性.統(tǒng)計(jì)與決策，2005.3:130.