盧 珍，黃險(xiǎn)峰，李聰敏

(1.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；2.廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(xué)生的閱讀、聽講、背誦等活動(dòng)，也關(guān)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(shí)數(shù)、人的主觀滿意程度、節(jié)能等[2]。采光指標(biāo)為建筑采光性能的優(yōu)劣提供了基本的評判標(biāo)準(zhǔn)，其中采光系數(shù)DF(daylight factor)是一個(gè)重要評價(jià)指標(biāo)，DF是基于全陰天模型下的靜態(tài)指標(biāo)，受到了國際標(biāo)準(zhǔn)的廣泛認(rèn)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(huì)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(xué)生的視覺舒適評價(jià)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(shí)在建筑設(shè)計(jì)時(shí)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(dòng)態(tài)采光評價(jià)指標(biāo)被提出，比較有代表性的是Daylight autonomy(DA)[7]和Useful daylight illuminance(UDI)[8]。這兩個(gè)指標(biāo)已經(jīng)在許多教育建筑的采光研究中得到了應(yīng)用[9-11]。但是，利用動(dòng)態(tài)指標(biāo)評價(jià)教育建筑的采光優(yōu)劣尚未得到全面的驗(yàn)證，尤其是針對特定氣候地區(qū)的建筑類型，需要進(jìn)行更多的研究工作。動(dòng)態(tài)采光的研究工作必須拓展到更廣的領(lǐng)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(xué)樓為研究對象，從當(dāng)?shù)亟虒W(xué)樓教室的基本特征出發(fā)，結(jié)合實(shí)地調(diào)研和Radiance軟件分析教室的采光狀況。從實(shí)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(jìn)行研究，通過運(yùn)用DF/DA/UDI評價(jià)指標(biāo)對不同側(cè)窗形式、朝向和窗地比的教室采光進(jìn)行對比，確立了采用UDI指標(biāo)評價(jià)雙側(cè)窗教室的方法。此外，在分析的過程中，將結(jié)合靜態(tài)采光指標(biāo)和動(dòng)態(tài)采光指標(biāo)的結(jié)果，探討動(dòng)態(tài)采光指標(biāo)的適應(yīng)性。

1 研究方法與內(nèi)容

1.1 動(dòng)態(tài)采光評價(jià)指標(biāo)

CBDM(Climate-Based Daylight Modelling)理論[15]的發(fā)展為動(dòng)態(tài)采光評價(jià)體系提供了基礎(chǔ)支撐，動(dòng)態(tài)采光評價(jià)綜合考慮了不同的天空狀況，以及實(shí)際建筑所處地區(qū)的氣候條件，將全年時(shí)間內(nèi)建筑物中某點(diǎn)的照度水平進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以得到它出現(xiàn)在某個(gè)范圍的概率。在此應(yīng)用DA和UDI兩個(gè)動(dòng)態(tài)采光指標(biāo)對教室的光環(huán)境進(jìn)行評價(jià)。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(gè)范圍，而不是某一確定的值，在對大量辦公空間的實(shí)際調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)空間照度水平在100～2 000 lx認(rèn)為是“有效的”。根據(jù)式(1)中DA的計(jì)算原理[3]，可以看出動(dòng)態(tài)采光評價(jià)的優(yōu)勢在于以當(dāng)?shù)氐臍庀髤?shù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對所研究的測試點(diǎn)進(jìn)行全年照度水平時(shí)間百分比統(tǒng)計(jì)，更加全面，更具有實(shí)際意義。

(1)

其中ti是指全年中每占用小時(shí)數(shù)，EDaylight指計(jì)算點(diǎn)的水平照度值，fwi是一個(gè)加權(quán)系數(shù)，Elim是設(shè)定的最低閾值。顯然，計(jì)算DA值的前提條件需要設(shè)定一個(gè)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(yīng)性問題，選取了廣西南寧地區(qū)的8所高校主要教學(xué)樓教室作為現(xiàn)場調(diào)研和研究對象，主要方式是通過實(shí)地調(diào)研和測量，通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)該地區(qū)教學(xué)樓主要建筑朝向?yàn)槟媳眰?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(shí)際調(diào)研的結(jié)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(jià)和采光性能，分類結(jié)果見表1。

表1 教室分類結(jié)果

基于該地區(qū)教室的基本特征，設(shè)計(jì)合理的問卷對教室光環(huán)境進(jìn)行主觀評價(jià)。研究該地區(qū)學(xué)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(jìn)行研究。使用TES-1330數(shù)字照度計(jì)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(jìn)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(shè)置三個(gè)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(shí)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(shí)間是在不同的天氣情況下進(jìn)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(shí)時(shí)記錄。最后獲得了192份訪談結(jié)果，其中男生100份，女生92份，所有對象均為在校大學(xué)生，年齡段為18～26歲。

1.3 模型建立與仿真

選取了一個(gè)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(shè)兩扇窗戶，在房間的南側(cè)設(shè)有1.6 m寬外走廊，走廊設(shè)一米高實(shí)心護(hù)欄。房間各表面光學(xué)特性取值見表2，這是通過現(xiàn)場實(shí)測獲取的結(jié)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(jìn)行分析，動(dòng)態(tài)采光計(jì)算的結(jié)果是由Radiance中的Daysim計(jì)算程序?qū)崿F(xiàn)的，該程序的驗(yàn)證和應(yīng)用已有多位研究者[16, 17]證實(shí)。導(dǎo)入南寧地區(qū)的氣象參數(shù)文件，設(shè)置好各表面的光學(xué)特性，選取工作面的高度為0.75 m，以0.1 m×0.1 m一個(gè)網(wǎng)格作為計(jì)算單元。最后獲取相應(yīng)的計(jì)算結(jié)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(jié)果及分析

2.1 問卷結(jié)果

問卷是基于室內(nèi)瞬間工作面水平照度值的訪談結(jié)果，調(diào)研是在雙側(cè)窗教室內(nèi)部隨機(jī)開展的。如圖2所示，將調(diào)研的結(jié)果分成六個(gè)范圍值進(jìn)行分析。可以看出，當(dāng)照度值小于100 lx時(shí)，視覺舒適度評價(jià)的結(jié)果是差的，不能滿足基本的視看要求；當(dāng)工作面照度值大于3 000 lx，52%同學(xué)的評價(jià)結(jié)果是不舒適的，但是也有10%同學(xué)認(rèn)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(jià)結(jié)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(jié)果還顯示，當(dāng)室內(nèi)較暗時(shí)，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(dāng)室內(nèi)過亮?xí)r，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(jié)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(jì)算與分析

動(dòng)態(tài)采光閾值的選取需要考慮實(shí)際情況，本文中DA指標(biāo)采光閾值參照我國關(guān)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(dāng)照度低于100 lx時(shí)，不能滿足視看基本需求，大于2 000 lx時(shí)則會(huì)造成視覺不舒適[19]。按照此設(shè)定后分別得到了不同類型教室的采光結(jié)果，其DA/DF/UDI值見表3。計(jì)算結(jié)果顯示采用不同評價(jià)指標(biāo)評價(jià)存在差異，按照結(jié)果排序有：DF(A>C>B>D)、DA(A>B>C>D)、UDI(D>B>C>A)。三種評價(jià)指標(biāo)體現(xiàn)出來的結(jié)果都不一樣，且采用DF和DA指標(biāo)的結(jié)果差異并不明顯，這主要是因?yàn)榇祟惤淌沂覂?nèi)采光充足。而使用UDI評價(jià)的結(jié)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(dá)到了37.87%，容易造成室內(nèi)過亮的情況?？梢姡琔DI的結(jié)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(huì)使室內(nèi)光環(huán)境產(chǎn)生顯著差異。

表3 采光評價(jià)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

進(jìn)一步討論UDI指標(biāo)用于4種類型教室的光環(huán)境分析，圖4所示是計(jì)算的UDI結(jié)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。可以看出，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(shè)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(shè)置高側(cè)窗，但是北面設(shè)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(shè)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(shè)置高側(cè)窗是一種有效改善光環(huán)境的手段。從計(jì)算結(jié)果來看，UDI指標(biāo)用于評價(jià)雙側(cè)窗教室的結(jié)果較為合理，但也仍然需要進(jìn)一步討論UDI值與室內(nèi)照度分布和變化的關(guān)聯(lián)。

圖4 教室UDI計(jì)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(dāng)?shù)貧夂蛱卣魉鶝Q定的，這種采光形式往往兼顧通風(fēng)、采光的功能，討論該類教室的采光評價(jià)有其必要性。以當(dāng)?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(jìn)深方向的變化情況，根據(jù)仿真的結(jié)果，分別得到了三類指標(biāo)沿進(jìn)深方向的平均值變化曲線，如圖5所示?？梢?，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(jìn)深達(dá)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(jià)采用UDI指標(biāo)較為合理，并將房間中UDI100～2 000 lx大于50%的進(jìn)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(jìn)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(rèn)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(shí)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(biāo)沿采光進(jìn)深方向的變化曲線Fig.5 Variation curves of different indexes along the direction of daylighting depth

為了進(jìn)一步驗(yàn)證“雙側(cè)窗教室舒適采光區(qū)域”的準(zhǔn)確性，根據(jù)實(shí)際情況分別計(jì)算了外廊設(shè)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(shè)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(jié)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(dāng)窗地比為0.2時(shí)，教室采光舒適區(qū)域較為理想，當(dāng)達(dá)到0.4時(shí)，導(dǎo)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(jié)果形象地反映出室內(nèi)采光沿進(jìn)深方向的變化趨勢，即靠近窗口處采光量充足，遠(yuǎn)離窗口處采光量減弱，由于人對于照度的適應(yīng)性，UDI可以方便應(yīng)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(dāng)窗地比增加到一定程度時(shí)，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(shè)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(shè)置陽臺是一種更符合實(shí)際情況的方案，從圖6和圖7中可以看出，陽臺設(shè)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(shè)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?yàn)楣庹者^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(shè)計(jì)人員提供一種簡單的判定和優(yōu)化途徑。

圖6 陽臺設(shè)置在南側(cè)時(shí)UDI指標(biāo)沿采光進(jìn)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(shè)置在北側(cè)時(shí)UDI指標(biāo)沿采光進(jìn)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(jié)論

本文對廣西南寧地區(qū)獨(dú)具特色的雙側(cè)窗教室的采光性能評價(jià)進(jìn)行了研究，分析結(jié)果都是基于仿真計(jì)算獲得的，在實(shí)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(guān)實(shí)測數(shù)據(jù)對實(shí)際的建筑模型進(jìn)行了修正。研究的主要結(jié)論如下：①針對廣西南寧地區(qū)雙側(cè)窗教室的調(diào)研結(jié)果表明，當(dāng)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(dòng)態(tài)采光指標(biāo)和靜態(tài)采光指標(biāo)的結(jié)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(biāo)評價(jià)更能夠全面反映室內(nèi)的采光特性。③本文基于UDI仿真結(jié)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(jìn)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(shè)計(jì)優(yōu)化具有參考意義。