居住建筑自然采光设计的模拟与实践

1、居住建筑自然采光设计的模拟与实践胡文斌1,刘丽娜2,王飞21 华南理工大学建筑设计研究院,广州510640;2 华南理工大学土木与交通学院,广州510640;摘要:通过理论分析和数学模拟,并借助ECOTECT软件,本文对居住建筑的进深、窗墙比、窗台高、透光率、窗户形状等对室内自然采光的影响进行了计算与分析,并对独立型别墅及一梯四户型住宅进行了模拟分析,得出了一些结论,可供建筑设计者在综合分析居住建筑自然光合理利用时作参考。关键字:居住建筑自然采光 EcotectSimulate and Practice on Daylighting Design for Residential Archite

2、ctureHu Wenbin1,Liu Lina2 ,Wang Fei21.Architectural Design&Research Institute South China University of Technology,Guangzhou,5106402.School of Civil Engineering and Transportation South China University of Technology, 510640 Abstract:With the theoretical analysis, mathematical simulation and Ecotect

3、, this paper calculate and analyze the effect of depth, wall ratio (WWR,sill and transmittance and window configuration to indoor daylight distribution. The conclusion was arrived by simulate separate Villadom and a staircase four households,and it can be used as a reference for utilization of dayli

4、ghting.Keywords:Residential Architecture Daylighting Ecotect1 自然采光的重要性自然光具有一定的杀菌能力,是人体健康所必需的,它不仅可以预防肺炎等传染性疾病,还可以调节人体生物钟节奏,对人体的心理健康起着很重要的作用1,且能形成比人工照明系统更为健康和更兴奋的工作环境,可提高工作效率。在建筑中充分利用自然光,能够非常显著地减少能耗和运行费用。同时多用自然采光,可以相应减少电力消耗和相关的污染2。因此,光是建筑环境的重要组成部分,优秀的采光设计可以提高建筑的使用舒适度,减少照明和空调能耗。2 模拟软件介绍本文中采用功能较全的Ecotec

5、t分析软件对居住建筑进行分析。它是由英国Square One公司开发的生态建筑设计软件3。Ecotect采光分析中采用的是全阴天模型,这是一种最不利的采光条件,它非常适合于对建筑进行综合采光评价。Ecotect使用英国建筑研究中心(BRE的分项法(Split Flux来计算采光系数。采光系数是室内某一点的天然光照度和同一时间的室外全阴天水平面天然光照度的比值,这里的室外照度是指全阴天时的天空扩散光,不考虑直射阳光。分项法假设到达房间内任一点上的天然光由三个独立的部分组成:天空组分、外部反射组分和室内反射组分。Ecotect可以针对各种自然采光和人工照明环境作精确地分析和评估,同时给出包括采光参

6、数、照度和亮度在内的一系列标准控制指标,用以评价户型设计、进深设计、外窗设计以及外部遮阳构件设计等方面的对室内自然采光的影响。通讯作者:刘丽娜,华南理工大学土木与交通学院,510640联系电话:158*E-mail:liulina07073 自然采光影响因素分析3.1窗墙面积比窗墙面积比对室内自然采光的影响较大,在距外墙4m 范围以内,窗墙面积比对室内照度有显著影响,超出4m 以后,影响很小4。但是,并不是窗户面积越大越好,因为室内照度太高的话,会影响室内工作人员的视觉舒适度,也会增加太阳辐射热和传热负荷,从而增加空调负荷。同时也要考虑建筑结构的承重荷载。随着窗墙面积比增加,空调能耗线性增加,

7、照明能耗线性减少5。总能耗随窗墙面积比的增加而增加,但影响较小。据文献分析,冬季不需采暖的香港及珠三角地区窗墙面积比为45%左右时,总能耗最低4。故窗墙面积比既不能过大也不能过下,根据建筑采光设计标准要求卧室、书房等房间的窗地面积比不小于1/7,推算出不同进深房间需要的最小窗墙面积比如表1所示。3.2建筑进深 建筑进深对室内自然采光影响很大,随着进深的增加,室内采光系数迅速衰减,当进深大于6m,宜采用双侧采光方式。对于开间为3.6m 的房间,当窗墙面积比控制在0.4,窗的宽高比控制在0.8时,室内纵向采光系数随进深的变化曲线为下图1所示。由图1可以看出,当进深为6m 时,采光系数已接近1.0,

8、达到标准要求的下限。 从采光的角度来说,当进深大于6.0m时,最小窗墙面积比为29%,如果要满足节能要求,此时将无法选到即可满足节能要求又可以满足采光要求的玻璃,因此,大于6.0m 进深的房间应采用双侧采光。结合户型设计,双侧采光方式具体形式可以为:(1一侧为出生活阳台的推拉门,另一侧为出工作阳台的透光平开门;(2一侧为出生活阳台的推拉门,另一侧为与厨房相邻的透光推拉门。图2、图3给出双侧采光的效果分析。 图2 双侧采光效果分析 图3 双侧采光效果分析3.3外窗形式 进深/m 2.4 3.64.2 4.95.46.0 6.67.2 最小窗墙面积比 11% 17%20%23%26%29%31%

9、34%表1不同进深房间需要的最小窗墙面积比图1 采光系数随进深的变化关系外窗形式对室内采光有一定影响,评价外窗形式对采光的影响从两个角度出发:一是采光系数的大小;二是采光系数分布的均匀性。平窗和凸窗的采光均匀性很相似,但凸窗的顶板和侧板对采光有一定影响,当侧板长度为500600mm 时,在距离外窗2m 范围内,凸窗房间的采光系数比平窗房间的采光系数低1030%,超过2m 范围内,二者采光系数比较接近。转角窗属于两侧采光,在转角处,采光系数比较高,接近40左右,比标准要求的下限高出40倍,容易产生明暗强烈对比,引起视觉不适。故在同等条件下,平窗的采光性能最好,其次是凸窗,再次是转角窗,应避免出现

10、偏窄的竖窗和条形窗。图4、图5给出了不同的外窗形式对室内采光的影响。图4 平窗、凸窗对室内采光影响 图5 转角窗对室内采光影响3.4外遮阳的形式不同形式的外遮阳对室内采光、自然通风和节能的影响较大,从采光角度来说,垂直百叶对室内采光影响是全局性的,即房间所有区域采光系数下降;水平遮阳板和综合遮阳板的影响只是局部,即靠近外窗1.52.0m 范围内;垂直遮阳板对室内采光影响很小。从自然通风的角度来说,与风向成夹角的垂直遮阳和综合遮阳具有捕风效果,可以引导空气进入室内。从节能的角度来说,综合遮阳的节能效果最好。综合考虑采光、通风和节能后,在情况可能的前提下,应优先采用垂直遮阳、带偏角的垂直遮阳和综合

11、遮阳,其次是水平遮阳,再次是垂直百叶(但东西向外窗可以优先采用。图6、图7给出了水平遮阳板、垂直遮阳板外挑长度与室内采光的关系,H 和V 分别为水平、垂直遮阳板外挑长度。3.5玻璃可见光透射比 室内采光和玻璃遮阳是一对矛盾,强调室内自然采光效果很大程度上会降低外窗的遮阳效果。当无法权衡玻璃透光和玻璃遮阳效果时,建议采用普通单片玻璃+水平外遮阳、普通单片玻璃+综合凸窗 平窗转角窗平窗转角窗 外遮阳和普通中空玻璃+综合外遮阳的组合方式。因为普通单片玻璃和普通中空玻璃的可见光透过率比较高,通透性比较好,而外遮阳构件遮光效果仅影响距外窗2.0m范围,所以比较适合对采光和遮阳均有较高要求的房间。玻璃可见

12、光透射比对室内所有区域的采光效果有影响,综合考虑室内采光和建筑节能,不同窗墙面积比情况下,玻璃最小透射比和玻璃选择可以参照下表2选择。表2 不同窗墙面积比情况下,玻璃最小透射比和玻璃选择建议窗墙面积比玻璃透射比玻璃选择建议0.2 0.82 单片普通玻璃、普通中空玻璃0.25 0.76 压花玻璃、高透型单片Low-E玻璃、普通单片玻璃+水平外遮阳0.3 0.57 吸热玻璃、低透型单片Low-E玻璃、普通单片玻璃+综合外遮阳0.35 0.48 Low-E中空玻璃、普通中空玻璃+综合外遮阳3.6窗户宽度当开间大小一定时,窗户宽度对室内采光效果影响很大,一般室内平均照度随着随着窗户宽度的增加而增加,但

13、幅度比较小,在设计时应尽量使开间大小与窗户宽度的比值保持在1:3以下,并且窗户宽度和高度比值控制在接近1:0.81:2的范围内。图8、图9给出了窗户宽度为开间大小的1/3和1/2时对室内采光的影响。 图8窗户宽度为开间大小1/3时采光效果图9窗户宽度为开间大小1/2时采光效果4 应用实例分别以独立型别墅及一梯四户型住宅为例,分析它们自然采光的优劣及进行采光设计时的注意事项,验证了Ecotect软件在采光模拟分析中的可靠性。4.1独立型别墅采光分析该别墅位于广东省佛山市,模型及采光分析如下图10、11、12、13所示。 图10 独立别墅采光分析模型图11 独立别墅采光分析模型图12 首层采光系数

14、分布 图13 二层采光系数分布分析结论:1、独立别墅应特别注意室内外照度明暗剧烈变化对人视觉带来的负面冲击,首层走廊采用连续的600mm 宽竖向格栅,形成明暗鲜明的间断采光带,明处采光系数高达2325,而相邻房间的采光系数只有35,相差近58倍,当人从房间进入走道,很容易对格栅中心的强烈采光效果产生不适应而导致瞬时眩晕。建议格栅采用可见光透过率小于0.6的磨砂玻璃、压纹玻璃和着色玻璃降低走道采光系数。2、首层卧室利用跨层的垂直空间(中庭和大玻璃幕墙,使得室内采光分配更加均匀,照度远高于一般的功能房间。3、二层书房进深小,且采用双侧采光,照度比较理想。4、二层主人房的浴室没有外窗,室内采光较差,

15、建议可以在与卧室相邻的隔墙采用玻璃砖或磨砂玻璃间隔。5、独立别墅具有优越的室内自然采光条件,各个房间都可以设置直接对外的窗户,并且可以支配跨层的垂直空间(中庭,使得室内采光分配更加均匀。4.2一梯四户型住宅采光分析该住宅位于广东省广州市,模型及采光分析如下图14、15、16 所示。 图14 一梯四户型采光分析模型 图15 一梯四户型采光分析模型 卧室 书房 主人房浴室走道分析结论： 1、大进深的客厅采用单侧采光方式，对室内照度影 响较大，建议在厨房与客厅相邻处采用透光门，利 用厨房采光间接改善客厅照度。 2、一梯四户型住宅也具备良好的自然采光条件。 图 16 5 结语 标准层采光系数分布 本文分析了影响自然采光的主要因素，并给出了设计参考值，为设计师在初步设计时提供了参 考。 通过以上分析可知在居住建筑自然采光设计时应仔细考虑窗的面积及方位,从而得到较好的人工 自然采光口;通过合理的设计窗墙面积比、房间进深、外窗形式、外遮阳形式、窗户宽度等得到合理 的采光效果。同时应在初步设计时充分利用模拟软件进行辅助设计和分析。 参考文献 1 邵雪