李云慧

摘要：我國(guó)大部分地區(qū)處于溫帶，天然光充足，有利于建筑對(duì)天然光的利用。中小學(xué)校教學(xué)建筑充分利用天然光可以給學(xué)習(xí)營(yíng)造創(chuàng)造良好的光環(huán)境，有益于學(xué)生身心健康;另外一方面中小學(xué)校教學(xué)建筑充分利用天然光有利于節(jié)約電力能源，有益于社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。強(qiáng)化設(shè)計(jì)人員對(duì)中小學(xué)校教學(xué)建筑采光設(shè)計(jì)不僅國(guó)家工程建設(shè)技術(shù)規(guī)范要求，也是社會(huì)科學(xué)發(fā)展的要求。

關(guān)鍵詞：學(xué)校建筑;天然光;采光系數(shù);照度

1 中小學(xué)校教學(xué)建筑采光技術(shù)應(yīng)用的重要意義

我國(guó)大部分地區(qū)處于溫帶，天然光充足，有利于建筑對(duì)天然光的利用。中小學(xué)校建筑可以充分利用天然光，一方面天然光的辨認(rèn)能力優(yōu)于人工光，充分利用天然光不僅可以給學(xué)習(xí)營(yíng)造創(chuàng)造良好的光環(huán)境，提高學(xué)生學(xué)習(xí)和生活的環(huán)境質(zhì)量，有益于學(xué)生身心健康;另外一方面中小學(xué)校建筑充分利用天然光有利于節(jié)約能源，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。

2 中小學(xué)校教學(xué)建筑采光設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

根據(jù)?《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50033 - 2013）、《中小學(xué)校設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50099-2011），中小學(xué)校建筑采光設(shè)計(jì)的要點(diǎn)主要有以下方面：

2.1 教育建筑的普通教室的采光不應(yīng)低于采光等級(jí)Ⅲ級(jí)的采光標(biāo)準(zhǔn)值，側(cè)面采光的采光系數(shù)不應(yīng)低于3.0% ，室內(nèi)天然光照度不應(yīng)低于4501x。

2.2 中小學(xué)學(xué)校建筑普通教室、 科學(xué)教室、 實(shí)驗(yàn)室、 史地、 計(jì)算機(jī)、 語(yǔ)言、美術(shù)、書法等專用教室及合班教室、圖書室均應(yīng)以自學(xué)生座位左側(cè)射人的光為主教室為南向外廊式布局時(shí)，應(yīng)以北向窗為主要采光面。

2.3 教學(xué)用房室內(nèi)各表面的反射比值頂棚0.70～0.80、前 墻0.50～0.60。

2.4 各教室前端側(cè)窗窗端墻的長(zhǎng)度不應(yīng)小 于 1.00m，窗間墻寬度不應(yīng)大于 1.20m。

2.5 側(cè)面采光時(shí)，采光口距離地面高度0.75米以下的部分不計(jì)入有效采光面積。

2.6 教學(xué)用房及教學(xué)輔助用房的窗玻璃應(yīng)滿足教學(xué)要求，不得采用彩色玻璃。

3 基本原理

《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50033-2013以采光系數(shù)平均值作為采光設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3.1 采光系數(shù)

在室內(nèi)參考平上的一點(diǎn)，由直接或間接地接收來自假定和已知天空亮度分布的天空漫射光而產(chǎn)生的照度與同一時(shí)刻該天空半球在室外無(wú)遮擋水平面上產(chǎn)生的天空漫射光照度之比。

室內(nèi)某一點(diǎn)的采光系數(shù)C，計(jì)算公式為：

式中：? En—室內(nèi)照度;

Ew—室外照度（lx）。

3.2 平均采光系數(shù)

通常按單個(gè)房間計(jì)算平均采光系數(shù)，即房間內(nèi)劃分網(wǎng)格上各個(gè)交點(diǎn)上的采光系數(shù)算術(shù)平均值。

3.3 采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值

在規(guī)定的室外天然光設(shè)計(jì)照度下，滿足視覺功能要求時(shí)的采光系數(shù)值?！督ㄖ晒庠O(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50033-2013中規(guī)定的采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值和室內(nèi)天然光照度標(biāo)準(zhǔn)值為參考平面上的平均值。在同一室外天然光設(shè)計(jì)照度值的條件下，對(duì)于同一個(gè)房間，滿足采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值即滿足室內(nèi)滿足天然光照度標(biāo)準(zhǔn)值。

4 計(jì)算方法

采光設(shè)計(jì)計(jì)算通常采用軟件模擬進(jìn)行計(jì)算，斯維爾軟件提供了三種計(jì)算模式：模擬法、公式法和公式擴(kuò)展法。

4.1 模擬法

在Dali中，模擬法就是調(diào)用計(jì)算工具Radiance進(jìn)行采光模擬計(jì)算，最后將計(jì)算結(jié)果返回到Dali進(jìn)行處理分析，這是最真實(shí)、最常用的方法。

Radiance是由美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室以及瑞士洛桑生態(tài)技術(shù)聯(lián)邦局開發(fā)的采光模擬核心程序，采用了蒙特卡洛算法優(yōu)化的反向光線追蹤算法，相對(duì)于光能傳遞算法來說光線追蹤更適合于精確的建筑采光分析。

圖5.3 模擬值與理論計(jì)算的關(guān)系

經(jīng)過大量的計(jì)算和軟件模擬對(duì)比，發(fā)現(xiàn)Radiance軟件模擬出的數(shù)值與理論計(jì)算的結(jié)果均離散在歸納函數(shù)附近。說明Radiance軟件可以提供精確度高的結(jié)果。國(guó)際上采光標(biāo)準(zhǔn)制定與論文基本上都采用Radiance進(jìn)行模擬，國(guó)際上大部分商用采光分析軟件都基于Radiance程序內(nèi)核開發(fā)，該程序的分析計(jì)算結(jié)果受到廣泛認(rèn)可。

4.2 公式法、公式擴(kuò)展法

公式法就是經(jīng)過實(shí)際測(cè)量和模型試驗(yàn)確定的，在大量經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上總結(jié)得到的采光系數(shù)平均值公式的計(jì)算方法，即《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB 50033-2013中“采光計(jì)算”一節(jié)提供的公式方法，一般用于粗算。

4.2.1 側(cè)面采光可按下列公式進(jìn)行計(jì)算。

5 采光計(jì)算參數(shù)取值

本文以XX市濱江小學(xué)教學(xué)樓為例采用模擬法進(jìn)行采光分析計(jì)算，具體如下：

5.1 模擬分析條件說明

天空模型：CIE全陰天天空。

計(jì)算光線反射次數(shù)：2次

分析參考平面：功能房間取距地面0.75m，公共空間取地面

分析計(jì)算網(wǎng)格劃分的間距：根據(jù)房間面積的情況對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行合理劃分，如下表所示;

房間面積（m²）

網(wǎng)格大小（m）

≤10

0.25

10～100

0.50

≥100

1.00

周邊環(huán)境：考慮分析區(qū)內(nèi)的建筑物之間遮擋

室內(nèi)環(huán)境：忽略室內(nèi)家具類設(shè)施的影響，只考慮永久固定的頂棚、地面和墻面、。

5.2 建筑飾面材料參數(shù)

室內(nèi)采光效果受內(nèi)部和外部?jī)煞N因素的影響。內(nèi)表面反射比就是內(nèi)部影響因素之一，外部因素除了天空亮度外，建筑外表面反射情況也是重要的影響因素。本項(xiàng)目中建筑內(nèi)外飾面材料，如頂棚、墻面、地面、建筑外表面，其材質(zhì)、顏色對(duì)應(yīng)不同的反射比，給室內(nèi)光環(huán)境來帶不同的采光效果，反射比數(shù)據(jù)參考《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50033-2013附錄D中的表D.0.5 飾面材料的反射比ρ值，具體參數(shù)情況見下表：

5.3 門窗類型參數(shù)

窗戶決定了建筑內(nèi)部的采光水平。工程中最為常見也最廣為使用的一種采光途徑就是在建筑側(cè)墻上安裝窗戶或者在建筑頂部安裝天窗等采光構(gòu)件。窗的位置、尺寸、形態(tài)等都會(huì)對(duì)室內(nèi)采光帶來不同程度的影響。建筑中的常用的透光門也會(huì)對(duì)自然光的傳播提供便利。這些透光構(gòu)件的性能參數(shù)與采光系數(shù)的計(jì)算息息相關(guān)。

本項(xiàng)目中透光門、窗戶的性能參數(shù)包括門窗尺寸、擋光系數(shù)、窗框類型、玻璃類型、可見光透射比和反射比，參數(shù)具體數(shù)值情況詳見下文。

5.3.1 普通窗

門窗表（略）

門窗計(jì)算參數(shù)：外窗可見光透射比0.89、玻璃反射比0.08

計(jì)算需考慮外窗玻璃的污染折減系數(shù)影響，系數(shù)取值0.9。

5.4 房間模擬結(jié)果

本項(xiàng)目為住宅建筑，根據(jù)《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB 50033-2013要求，需計(jì)算建筑內(nèi)臥室、起居室的采光系數(shù)，此為標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制性條文要求;同時(shí)還需計(jì)算廚房、衛(wèi)生間、過道、餐廳、樓梯間的采光系數(shù)，此為非標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制性條文要求。計(jì)算結(jié)果見下表： （匯總簡(jiǎn)略表）

5.4.1 采光效果分析彩圖

采光系數(shù)分析彩圖可以直觀地反應(yīng)建筑內(nèi)各個(gè)房間的采光效果，本項(xiàng)目中各樓層中標(biāo)準(zhǔn)要求房間的室內(nèi)采光情況如下所示：

6 結(jié)語(yǔ)：

通過上述采光分析可知本項(xiàng)目各普通教室的采光系數(shù)不應(yīng)低于3.0% ，滿足《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB 50033-2013要求。

通過以上案例采光分析計(jì)算可以總結(jié)如下：在對(duì)中小學(xué)校教學(xué)建筑進(jìn)行采光設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮，教室房間進(jìn)深不宜過大、外窗之間的窗間墻盡可能小，在樓地面0.75米以上高度的外窗為有效外窗，外窗設(shè)計(jì)應(yīng)充分利用其層高，同時(shí)建筑層間挑檐及外廊對(duì)建筑采光產(chǎn)生影響，采光設(shè)計(jì)應(yīng)合理的設(shè)計(jì)房間內(nèi)各表面的反射比值、外窗可見光透射比值、玻璃反射比值，建筑室內(nèi)墻面飾面盡可能選擇白色或淺色飾面，外窗玻璃宜采用白玻且不應(yīng)采用彩色玻璃，設(shè)計(jì)在綜合考慮以上要素后通過計(jì)算不小于規(guī)范采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)則認(rèn)為采光符合要求。

中小學(xué)校教學(xué)建筑充分利用天然采光不僅可以給學(xué)生學(xué)習(xí)營(yíng)造創(chuàng)造良好的光環(huán)境，有益于學(xué)生保護(hù)視力及身心健康;同時(shí)有利于節(jié)約電力能源，有益于經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。

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