一種新型組合式側(cè)窗采光系統(tǒng)
——以重慶高校普通教室為例

陳春宇,嚴(yán)永紅

(1.重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院,重慶 400045；2.山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點實驗室,重慶 400045)

引言

天然光對居住者的健康、生產(chǎn)效率和節(jié)約能源都有著重要價值。天然光可預(yù)防近視[1]、促進(jìn)眼球的發(fā)育[2]、改善情緒[3,4]、調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律[5]，缺乏日光會對睡眠周期產(chǎn)生不利影響[6]。天然光還可促進(jìn)人的行為積極性，提高學(xué)習(xí)能力和生產(chǎn)效率[7-9]。充分利用天然采光可減少能耗[10,11]。

目前在重慶高校單側(cè)窗普通教室中天然光通常并未得到充分利用。由于側(cè)窗采光方式[12]和地處日光資源匱乏的光氣候V區(qū)[13]，陰天時天然采光效果不佳，且普遍存在近窗區(qū)照度過高而遠(yuǎn)窗區(qū)照度不達(dá)標(biāo)等問題，光環(huán)境質(zhì)量有待改善。

目前已有許多天然采光系統(tǒng)試圖改善單側(cè)窗建筑空間的采光質(zhì)量[14]。其原理通常是利用幾何結(jié)構(gòu)收集窗口附近的日光并將其重定向到室內(nèi)深處。常見的有反光板、棱鏡、采光百葉窗等[15]。根據(jù)可調(diào)節(jié)程度采光系統(tǒng)還可分為靜態(tài)[16]和動態(tài)[17,18]兩類，后者通常采光性能更好[17]，但需要精細(xì)的可移動結(jié)構(gòu)和精準(zhǔn)的調(diào)控裝置[15]，成本較高且可能會分散室內(nèi)人員的注意力[19]，因此出現(xiàn)了許多采用特殊幾何設(shè)計可反射不同光線的靜態(tài)采光系統(tǒng)，但多針對晴天為主地區(qū)開發(fā)。目前對于重慶等陰天為主地區(qū)的成本可控、維護(hù)簡便的側(cè)窗采光系統(tǒng)的研究較少。

本文以此為切入點，在實地調(diào)研的基礎(chǔ)上，提出組合式側(cè)窗采光系統(tǒng)，兼顧采光性能、適用性、可行性等三方面因素，可同時滿足重慶高校單側(cè)窗普通教室在冬季北向等陰天時的采光需求和夏季南向等晴天時的遮陽需求，并通過采光模擬軟件對該系統(tǒng)各組件的最佳設(shè)計進(jìn)行研究。

1 重慶單側(cè)窗普通教室采光現(xiàn)狀

1.1 調(diào)研對象與方法

普通教室作為學(xué)生使用時間最長的學(xué)習(xí)地點，其光環(huán)境質(zhì)量的重要性不言而喻[20,21]。本文選取重慶大學(xué)B區(qū)第二綜合樓的單側(cè)窗普通教室作為調(diào)研對象，分別在冬至日、春分日的晴天和陰天時(表1)進(jìn)行實地測量。選取2南2北正對的4間教室(表2)，樓層為9樓，避免周圍環(huán)境遮擋。

表1 測量信息Table 1 Measurement information

表2 教室信息Table 2 Classroom information

采用照度計、激光測距儀等儀器測量天然采光下課桌平面照度在一天中的變化，測量操作嚴(yán)格按照《采光測量方法》(GB/T 5699—2017)相關(guān)規(guī)定，測量高度取 0.75 m，測試點采用1 m×1 m 網(wǎng)格布局，測量時關(guān)閉人工光。

1.2 調(diào)研結(jié)果與分析

調(diào)研發(fā)現(xiàn)(表3)，在冬至晴天、冬至陰天、春分晴天、春分陰天4種天空條件下，晴天的照度水平好于陰天，南向教室好于北向教室，春分時期好于冬至?xí)r期。春分日晴天時4間教室的平均照度均滿足450 lx標(biāo)準(zhǔn)要求，冬至日晴天時僅有1間教室的照度達(dá)標(biāo)。

表3 各教室在進(jìn)深方向和一天中各時刻的照度值變化Table 3 Changes in the illuminance value of each classroom in the depth direction and at each time of the day

全陰天空下，所有教室的采光情況都十分不理想，平均照度均遠(yuǎn)低于450 lx。春分日時，教室平均照度較低僅147～281 lx，冬至日時甚至低于100 lx，僅50～96 lx，無法滿足教室的視覺作業(yè)需求。

全晴天空下，冬至日時的教室采光情況仍不理想。春分日的所有教室在所有時刻的照度值均高于450 lx滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，其中北向教室照度最高時刻在16:30—17:00，南向教室的平均照度最高時刻在14:30之前；冬至日時南向教室在15:30—16:00之后低于450 lx，而北向教室在所有時刻均低于450 lx。

總體而言，所調(diào)研的4間教室均存在照度水平較低、進(jìn)深方向照度分布不均勻的問題，重慶高校單側(cè)窗教室光環(huán)境質(zhì)量堪憂，需采用性能高效、可行性高、可靠性強的采光系統(tǒng)進(jìn)行改善，滿足晴天、南向教室的遮陽需求和陰天、北向教室的采光需求。

2 一體式窗口采光系統(tǒng)

2.1 采光系統(tǒng)的設(shè)計

采光系統(tǒng)從可調(diào)節(jié)程度來看，手動控制的動態(tài)采光系統(tǒng)由于人員操作的不頻繁性和不準(zhǔn)確性，實際的采光效果較理論值要差[19]；電動控制的動態(tài)系統(tǒng)可靠性更強但成本更高，且基于日光追蹤的控制方法在重慶等陰天為主的地區(qū)適用性較差。相關(guān)系統(tǒng)有LBNL[15]研發(fā)的利用滾軸實時調(diào)節(jié)反射面位置的動態(tài)反光板系統(tǒng)[圖1(a)]、Lee[22]提出的寬度可調(diào)的伸縮式反光板系統(tǒng)[圖1(b)]和Eltaweel[17]設(shè)計的根據(jù)太陽高度角和方位角實時調(diào)整葉片水平和垂直方向偏轉(zhuǎn)角度的雙軸式采光百葉窗系統(tǒng)[圖1(c)]等。

圖1 動態(tài)采光系統(tǒng)Fig.1 Dynamic lighting system

靜態(tài)系統(tǒng)利用特殊的組件形狀實現(xiàn)對全年不同角度的光線的重定向，同樣具有較好的采光性能，然而常見的靜態(tài)系統(tǒng)均不太適用于重慶地區(qū)的采光更新設(shè)計。如由參數(shù)計算形成的可均勻地重定向光線的OLS系統(tǒng)[23][圖2(a)]、基于CPC原理[24]的與立面深度結(jié)合的Anidolic系統(tǒng)[25,26][圖2(b)]和綜合采光百葉窗與棱鏡組件的Soralux系統(tǒng)[19,27][圖2(c)]。其中Anidolic系統(tǒng)涉及與立面墻體的深度結(jié)合，不適用已建成建筑；OLS系統(tǒng)和Soralux系統(tǒng)的葉片寬間比過高且所有入射光線均在系統(tǒng)內(nèi)多次反射損耗較大，更適合晴天為主地區(qū)。對于重慶等日光資源缺乏地區(qū)，允許通過適量的直射陽光并且采用單次反射的方式減少損耗是十分有必要的。

圖2 靜態(tài)采光系統(tǒng)Fig.2 Static lighting system

在重慶等陰天為主地區(qū)，各類采光系統(tǒng)的組合應(yīng)用可取得更好的采光性能。Lee[28]將反光板與三角棱鏡結(jié)合，提高了室內(nèi)光線的均勻度和節(jié)能效果，但建議在冬天時拆除棱鏡片以避免阻擋光線。Lim[29]將采光百葉窗與反光板組合應(yīng)用，將有效采光深度從窗口高度的2.5倍顯著提高到3.6倍。

通過調(diào)研在明確了采光系統(tǒng)的設(shè)計需求的基礎(chǔ)上，結(jié)合以上國內(nèi)外相關(guān)研究并對比了各類系統(tǒng)的特點后發(fā)現(xiàn)，挑出于立面的反光板可引入更多天然光，采光百葉窗則具有體積小易與立面融合的優(yōu)勢。因此，本文提出適合重慶高校普通教室的性能高效、適用性強、經(jīng)濟(jì)效率高的組合式側(cè)窗采光系統(tǒng)(圖3)。該系統(tǒng)將窗口分成上部的高透射采光窗和下部透射率適宜的觀景窗，在上段設(shè)置采光百葉窗并集成于高透射率雙層玻璃內(nèi)提高系統(tǒng)的防塵性能，在中段設(shè)置反光板提高對天然光的收集能力，在下段設(shè)置穿孔帷幕提高近窗區(qū)的遮陽性能。

圖3 組合式側(cè)窗采光系統(tǒng)Fig.3 Combined side window daylighting system

2.2 采光系統(tǒng)的組件

本文提出的組合式側(cè)窗采光系統(tǒng)以采光百葉窗為核心組件，以高透射率采光窗口和反光板為附加采光組件，以穿孔帷幕為附加遮陽組件。

采光百葉窗是常用的采光系統(tǒng)之一，如清華大學(xué)超低能耗示范樓[30]采用了電動控制的室外采光百葉窗系統(tǒng)。本系統(tǒng)的采光百葉窗組件的葉片形狀采用直板式設(shè)計，減少了加工難度，并且將葉片設(shè)置于高透射率的雙層玻璃間增加防塵能力。

反光板挑出深度更寬可引入更多的光線，能明顯提高遠(yuǎn)窗區(qū)域的照度水平。Ahmad[31]研究表明反光板在陰天時也能提升遠(yuǎn)窗區(qū)的照度，將照度均勻度提高30%～90%。Littlefair[16]研究表明反光板可提高15%的核心區(qū)照度。本系統(tǒng)采用了采光性能更好[32]的室外室內(nèi)結(jié)合式反光板組件，形狀采用直板式和CPC彎曲式，高度的設(shè)置注意避免眩光且不阻礙視線和通行。

在利用反光板組件提高了遠(yuǎn)窗區(qū)的照度后，系統(tǒng)的采光效率得到增強，但對近窗區(qū)的光線控制能力減弱，因此利用系統(tǒng)下段的穿孔帷幕組件提升遮陽能力。Uribe[33]研究表明，穿孔材料可在維持較好的視看效果的同時具有良好的遮陽效果，可避免眩光，還可降低制冷能耗。

2.3 采光系統(tǒng)的細(xì)部處理

采光系統(tǒng)的材料的反射系數(shù)大于 80%較為適宜[34]，鏡面材料可能增加采光數(shù)量，但會在頂棚上形成“光斑”[35]需謹(jǐn)慎使用，可進(jìn)行凹凸處理。系統(tǒng)中反射組件的上表面采用鋁板[36]等反射率為90%的高反射材料提高采光性能；下表面采用反射率為50%的深色啞光涂層避免眩光，還可另附一層吸聲材料避免反射噪聲。

采光系統(tǒng)具有較好的可維護(hù)性，上段的采光百葉窗組件利用雙層高透射玻璃徹底密封，中段的反光板組件則具有一定的傾斜坡度并且與立面留出一定縫隙方便排水和清潔。此外，各組件均有足夠的強度，保證系統(tǒng)的安全性和可靠性。

3 采光系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

3.1 模型建立

在調(diào)研的基礎(chǔ)上，利用模擬軟件對采光系統(tǒng)各組件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。通過單因素實驗、正交實驗和遺傳算法探索各組件的性能影響因素和規(guī)律，最終得出適合重慶高校普通教室的組合式側(cè)窗采光系統(tǒng)的最佳設(shè)計參數(shù)。

采用Grasshopper平臺上基于Radiance和Daysim采光模擬引擎的Ladybug和Honeybee插件。采光模擬參數(shù)采用Jacobs[37]在研究中提出的高精度模擬的推薦值，即-ab=4、-ad=1024、-ar=256、-aa=0.1；測試點的高度設(shè)為0.75 m，網(wǎng)格采用0.5 m×0.5 m布局[38]。選擇南向和北向這兩個典型的教室朝向，并根據(jù)調(diào)研時采集的具有代表性教室數(shù)據(jù)建立仿真模型(表4)。

表4 教室模型Table 4 Classroom model

3.2 評價指標(biāo)

采用全年天然光有效照度比(UDI)和天然采光眩光指數(shù)(DGI)等兩項指標(biāo)來評估教室的采光效果。

UDI相比于采光系數(shù)、日光自治率(DA)等，可評估全年各種天空條件下整體的采光情況且排除了易引起眩光的過高照度，能夠更全面且合理地衡量天然采光情況。其中天然光有效照度范圍結(jié)合了Nabil和Mardaljevic等[39,40]建議的100～2 000 lx和《建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50033—2013)規(guī)定的普通教室天然采光照度標(biāo)準(zhǔn)值為450 lx等兩項取值，設(shè)定在450～2 000 lx(即UDI450_2000 lx)。

《建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50033—2013)中規(guī)定DGI小于20眩光程度為“無感覺”、20～23為“輕微感覺”，本文以此為依據(jù)采用DGI并結(jié)合UDI>2000 lx對采光系統(tǒng)可能造成的眩光進(jìn)行綜合判斷。選取南向和北向教室各自眩光最嚴(yán)重時刻在眩光最嚴(yán)重視看角度的DGI評估室內(nèi)視覺舒適度。通過事先模擬，最終確定南向和北向教室眩光最嚴(yán)重時刻分別為12月和6月正午，眩光最嚴(yán)重視看角度均為遠(yuǎn)離窗戶的前排區(qū)域在1.2 m坐姿高度[41]看向黑板方向。

3.3 優(yōu)化過程

本文分三步優(yōu)化適合重慶高校普通教室的組合式側(cè)窗采光系統(tǒng)。將易加工、易安裝、對立面影響較少的采光百葉窗集成密封于上部采光窗的雙層玻璃中，提高了防塵能力，采光性能更穩(wěn)定，因此將采光百葉窗作為組合式側(cè)窗采光系統(tǒng)的核心組件，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行性能優(yōu)化。

首先是對核心組件采光百葉窗的設(shè)計進(jìn)行研究。通過文獻(xiàn)查閱確定其葉片角度、間寬比、寬度、安裝高度等影響因素[圖4(a)]的水平取值，利用單因素實驗探索各因素的影響規(guī)律，找到南向和北向教室各自的最佳取值范圍并細(xì)分，展開正交試驗，得到采光百葉窗的最佳設(shè)計組合。

其次，通過Grasshopper平臺中的遺傳算法[42]插件Gapalagos，采用類似生物進(jìn)化的自然選擇過程來優(yōu)化與采光百葉窗組合的直板式和CPC彎曲式反光板組件。CPC原理是指所有通過焦點射向拋物線上的光線都將被反射成平行的光線這一特性[43,44]，被廣泛運用于太陽能收集裝置和燈具設(shè)計等領(lǐng)域[45]。直板式反光板由室外和室內(nèi)部分的寬度和角度等4個設(shè)計參數(shù)控制，CPC彎曲式反光板則由拋物線的焦點位置、CPC曲線度數(shù)、拋物線寬度等參數(shù)控制[圖4(b)]。為節(jié)省模擬時間，遺傳算法的目標(biāo)指標(biāo)采用遠(yuǎn)窗區(qū)的采光系數(shù)。

圖4 采光系統(tǒng)各組件的設(shè)計參數(shù)Fig.4 Design parameters of each component of the daylighting system

最后，在重慶日照強烈時全天開啟采光系統(tǒng)的穿孔帷幕組件，提高遮陽性能。開啟時間選擇在重慶標(biāo)準(zhǔn)年總照度值較高、日照時數(shù)較長[46]的5月到8月。在前兩步的基礎(chǔ)上優(yōu)化與之搭配的遮陽帷幕的穿孔率，對比單一式和組合式共9種穿孔情況[圖4(c)]，確定最佳穿孔率。從而最終確定適合重慶高校普通教室的組合式側(cè)窗采光系統(tǒng)。

4 模擬結(jié)果與分析

4.1 核心組件

采光百葉窗組件的各影響因素的單因素實驗水平取值如表5所示，實驗時按照單一變量原則，將各因素保持在基準(zhǔn)水平僅依次改變需觀察的因素水平。

表5 采光百葉窗組件各影響因素及水平取值Table 5 Various influencing factors and level values of daylighting shutter components

結(jié)果表明(表6)，設(shè)置采光百葉窗后，教室 UDI450_2000 lx有著明顯改善，隨著角度的增大呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。其中北向教室的最佳角度比南向大，這是因為在北向更大的葉片角度可反射更多的天然光，在南向較低的角度有利于控制近窗區(qū)過多的光線。

表6 采光百葉窗各因素水平變化對教室UDI450_2000 lx、DGI、UDI>2000 lx的影響規(guī)律Table 6 The influence of changes in the level of various factors of daylighting blinds on classroom UDI450_2000 lx,DGI,UDI>2000 lx

隨著間寬比的增大，南向教室的UDI450-2000 lx逐漸降低，北向教室則先升高后降低，較低的間寬比更有利于遮陽。隨著寬度的變化，UDI450-2000 lx變化不明顯。組件尺寸的變化對采光性能的影響較小，可根據(jù)實際情況進(jìn)行等比例調(diào)整。隨著高度的增高，UDI450_2000 lx逐漸降低，因此在不遮擋視野、不影響通行的情況下安裝高度應(yīng)越低越好。大量已有研究將高度設(shè)在2 m左右[14,19,47]，結(jié)合我國平均身高[41]和相關(guān)規(guī)范的規(guī)定，本文的組合式側(cè)窗采光系統(tǒng)設(shè)置在2.2 m高度。

設(shè)置采光百葉窗組件后，UDI>2000lx隨著角度、間寬比、高度的減少而降低，對寬度的變化不敏感，教室整體DGI變化不顯著，南向教室均在21.5左右能輕微感受到眩光，北向教室在19.5左右不會感受到眩光。

在單因素實驗得到的最佳取值范圍上將因素水平細(xì)分，進(jìn)行L25(53)正交實驗。最終得到南向教室的最佳采光百葉窗組件為“A18/D50/W100”，可提升93%的近窗區(qū)UDI450_2000 lx；北向為“A18/D80/W220”，可分別提高72%和30%的近窗和遠(yuǎn)窗區(qū)UDI450_2000 lx。

4.2 附加組件

通過遺傳算法，經(jīng)過數(shù)千次模擬分別得到與集成于高透射玻璃內(nèi)的最佳采光百葉窗組件搭配的直板式和CPC彎曲式反光板組件的最優(yōu)設(shè)計。結(jié)果表明(表7)北向教室適合采用CPC彎曲式反光板組件，可分別提高81%和73%的近窗和遠(yuǎn)窗區(qū)UDI450_2000 lx；南向教室則適合采用直板式反光板組件，可分別提高100%和19%的近窗和遠(yuǎn)窗區(qū)UDI450_2000 lx。

在核心組件的基礎(chǔ)上附加采光組件優(yōu)化了系統(tǒng)的采光性能后，再附加遮陽組件進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)的遮陽性能，研究其僅在日照強烈時期開啟時的最佳穿孔率組合。結(jié)果表明(表7)南向和北向的最佳穿孔率均為50%，可將UDI>2000 lx控制在2%、DGI控制在22，極大地降低了眩光的可能，對南向近窗區(qū)UDI450_2000 lx也有高達(dá)59%的提升。

表7 附加采光組件和遮陽組件對教室UDI450_2000 lx、DGI、UDI>2000 lx的優(yōu)化Table 7 Additional lighting and shading components optimize classroom UDI450_2000 lx,DGI,UDI>2000 lx

4.3 系統(tǒng)性能

比較采光系統(tǒng)的每一步優(yōu)化策略對教室UDI450_2000 lx在空間和時間上的改善作用(表8)。結(jié)果表明，最佳采光百葉窗顯著提升了近窗區(qū)UDI450_2000 lx和全年UDI450_2000 lx。集成反光板組件后，遠(yuǎn)窗區(qū)UDI450_2000 lx有較明顯提升，且再次提高了全年上午和下午的UDI450_2000 lx。設(shè)置5月到8月全天開啟的穿孔帷幕組件后，近窗區(qū)和正午時的UDI450_2000 lx有明顯改善，在南向教室的春秋季的正午還可按需開啟以進(jìn)一步提高教室的采光質(zhì)量。

表8 采光系統(tǒng)優(yōu)化策略在空間和時間上的UDI450_2000 lx表現(xiàn)Table 8 UDI450_2000 lx performance of daylighting system optimization strategy in space and time

經(jīng)過三步優(yōu)化(表9)，組合式側(cè)窗采光系統(tǒng)可顯著改善重慶等陰天為主地區(qū)的高校普通教室的采光質(zhì)量。南向教室近窗區(qū)UDI450_2000 lx提升了142%，遠(yuǎn)窗區(qū)提升了20%；北向教室近窗區(qū)提升了102%，遠(yuǎn)窗區(qū)提升了68%。南向教室UDI>2000 lx控制在33%以下，北向教室在8%以下，極大地減少了眩光可能性。

表9 組合式側(cè)窗采光系統(tǒng)的UDI450_2000 lx和UDI>2000 lx Table 9 UDI450_2000 lx and UDI>2000 lx of combined side window daylighting system

5 結(jié)論

調(diào)研發(fā)現(xiàn)重慶高校單側(cè)窗普通教室采光效果不理想，需進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以提高陰天、遠(yuǎn)窗區(qū)、北向教室的照度水平，并控制晴天、近窗區(qū)、南向教室過多的光線。

本文將采光百葉窗、反光板和穿孔帷幕組合，提出了經(jīng)濟(jì)效率高、可操作性強的適合冬季以陰天為主、夏季以晴天為主地區(qū)的側(cè)窗采光系統(tǒng)，極大地改善了教室采光質(zhì)量，提高了均勻度。將南向教室UDI450_2000 lx提升到70.2%，北向教室提升到81.5%，提高了天然光利用率，有著重要的健康和節(jié)能價值，還可為其它地區(qū)和側(cè)窗建筑空間的采光優(yōu)化策略提供理論基礎(chǔ)和設(shè)計指導(dǎo)。