由玉文,武錄森,郭建峰,郭春梅
(1.天津城建大學(xué),天津 300384;2.河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院,鄭州 450064)
室內(nèi)光環(huán)境是室內(nèi)環(huán)境的主要方面之一,光照對(duì)人的情緒,工作效率,認(rèn)知等方面發(fā)揮著重要的作用[1].設(shè)計(jì)合理的建筑節(jié)能采光形式能有效節(jié)約建筑的能耗,這已經(jīng)成為綠色建筑節(jié)能的關(guān)鍵措施[2].向俊米等[3]研究得出,合理的遮陽(yáng)設(shè)計(jì)能以低廉的成本達(dá)到良好的遮陽(yáng)效果,有效地改善居住建筑室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量.隨著國(guó)內(nèi)綠色建筑設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)的快速發(fā)展,建筑情況復(fù)雜、工作量巨大等因素導(dǎo)致了室內(nèi)光環(huán)境往往難以進(jìn)行實(shí)地測(cè)量,因此計(jì)算機(jī)模擬等輔助手段對(duì)綠色建筑評(píng)價(jià)提供了很大的幫助[4].
目前,在綠色建筑中與風(fēng)、光、熱相關(guān)的模擬軟件存在較多,軟件模擬過(guò)程的邊界問(wèn)題沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn).所以,只有對(duì)建筑中常用的數(shù)值模擬計(jì)算方法作標(biāo)準(zhǔn)化的規(guī)范,才能夠降低因?yàn)橛?jì)算方法不統(tǒng)一、模擬邊界條件、主觀人為因素導(dǎo)致綠色建筑考察指標(biāo)的不準(zhǔn)確[5].Reinhart等[6]通過(guò)發(fā)起問(wèn)卷調(diào)查得出在這些模擬軟件計(jì)算過(guò)程中,自然采光系數(shù)和照度值是最常用的輸出值;遮陽(yáng)類型的選擇也是根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果選擇的,他們統(tǒng)計(jì)了40多種采光數(shù)值模擬軟件,發(fā)現(xiàn)這些模擬軟件都是以Radiance為計(jì)算核心的.
許多學(xué)者通過(guò)采光模擬軟件對(duì)建筑外遮陽(yáng)技術(shù)進(jìn)行了一系列細(xì)致研究:趙忠超等[7]闡述了建筑采光模擬軟件的種類及特性,然后通過(guò)實(shí)測(cè)與模擬對(duì)比的方法,對(duì)幾種建筑采光模擬軟件進(jìn)行了計(jì)算精度的驗(yàn)證,得出Radiance和Ecotect在采光系數(shù)方面的模擬精度很高;同時(shí)在照度方面Radiance可以獲得比較準(zhǔn)確的模擬結(jié)果.Athienitis等[8]對(duì)百葉遮陽(yáng)的遮陽(yáng)角度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,在遮陽(yáng)百葉傾角為78°,太陽(yáng)高度角為15°的時(shí)候,室內(nèi)透光率最大.Manzan等[9]通過(guò)利用軟件模擬,對(duì)某辦公建筑的外遮陽(yáng)形式進(jìn)行了采光性能的優(yōu)化,達(dá)到了良好的節(jié)能效果.陳春燕等[10]運(yùn)用Radiance軟件,對(duì)某酒店標(biāo)準(zhǔn)層客房進(jìn)行了自然采光模擬,對(duì)比分析了有無(wú)陽(yáng)臺(tái)時(shí)室內(nèi)照度的變化,模擬得出在有陽(yáng)臺(tái)遮蔽時(shí)室內(nèi)照度顯著降低,95%以上均位于300 lux到2 400 lux區(qū)間范圍內(nèi),整體落在推薦值區(qū)間.蘇曉明等[11]利用Radiance軟件對(duì)教室模型進(jìn)行采光模擬,通過(guò)對(duì)比四種教室進(jìn)深尺寸對(duì)室內(nèi)光環(huán)境的影響,得出室內(nèi)光環(huán)境質(zhì)量隨著教室進(jìn)深尺寸的減小而提高,當(dāng)教室進(jìn)深為7.5m時(shí)的室內(nèi)采光質(zhì)量最好.王欣[12]利用光環(huán)境模擬軟件Ecotect和Radiance對(duì)五個(gè)氣候區(qū)的典型城市進(jìn)行模擬,分析了不同氣候區(qū)的不同窗墻比對(duì)建筑室內(nèi)照明能耗的影響,得到建筑遮陽(yáng)對(duì)室內(nèi)光環(huán)境的影響規(guī)律.
從以上的分析中可以看出,如何設(shè)計(jì)合理的建筑外遮陽(yáng)形式對(duì)建筑節(jié)能和室內(nèi)采光有重要的影響.但是現(xiàn)有研究大多僅考慮單一的遮陽(yáng)形式,未考慮采用不同的建筑外遮陽(yáng)形式對(duì)同一建筑房間所產(chǎn)生的影響.本文建立了辦公建筑的物理模型,以北京的氣象參數(shù)為例,模擬在夏至日晴天環(huán)境下,水平遮陽(yáng)、垂直遮陽(yáng)、綜合遮陽(yáng)和百葉遮陽(yáng)對(duì)室內(nèi)的照度、平均照度和照度均勻度的影響.
本次分析以形式較為簡(jiǎn)單的單間辦公室為研究對(duì)象.所建立的物理模型尺寸為5 m×4 m×3 m(長(zhǎng)×寬×高).為了滿足《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的要求,窗戶尺寸為2 m×2 m,窗墻比為1/5[13].另外由于《辦公建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)于辦公建筑室內(nèi)采光的規(guī)定,側(cè)窗采光離地面0.8 m以下的部分不計(jì)入有效的采光面積,所以本模型,窗戶下沿距離地面0.8 m.模型房間的室內(nèi)各個(gè)表面的反射率根據(jù)《辦公建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》設(shè)定,墻面為0.75,地板為0.25,天花板為0.75[14].窗戶為單層6 mm鋁合金框窗.室內(nèi)的工作臺(tái)面選取距離地面750 mm處.為了使模擬結(jié)果更加準(zhǔn)確,水平面選取0.2 m,高處選取0.3 m為一個(gè)計(jì)算網(wǎng)格,因此橫向和縱向的網(wǎng)格數(shù)分別為15和20個(gè).采光房間模型的剖面圖如圖1所示.
圖1 采光計(jì)算房間剖面
對(duì)于建筑,室內(nèi)的光環(huán)境是復(fù)雜多變的,受很多因素的影響,比如太陽(yáng)輻射照度、太陽(yáng)高度角、室外的天氣情況,并隨著這些因素的變化而不斷變化[15].出于對(duì)現(xiàn)實(shí)需求的考慮,筆者選取了6月21日(夏至日)晴天狀況下水平遮陽(yáng)、垂直遮陽(yáng)、綜合遮陽(yáng)和百葉遮陽(yáng)這四種遮陽(yáng)情況,做全天的室內(nèi)光照模擬.模擬氣象參數(shù)采用北京市的氣象參數(shù).圖2是夏至日室外照度變化圖.從圖中可以看出在晴天,室外照度變化非常劇烈,特別是早上和傍晚,而在中午,室外照度達(dá)到了最大值[16].另外,外遮陽(yáng)對(duì)室內(nèi)采光的影響在一天中也是不相同的,因?yàn)橥庹陉?yáng)主要遮擋太陽(yáng)直射,因此太陽(yáng)對(duì)窗戶的直射作用隨全年太陽(yáng)高度角和方位角的變化而變化[17].
圖2 夏至日室外照度變化曲線
水平遮陽(yáng)板置于窗戶上方,長(zhǎng)2 m寬1 m.圖3是不考慮水平遮陽(yáng)模擬照度變化趨勢(shì)圖.該圖顯示的是南向窗戶上不考慮水平遮陽(yáng)的條件下,室內(nèi)的平均照度值,照度最大值,照度最小值,照度均勻度變化趨勢(shì).從圖中可以看出,當(dāng)不考慮水平遮陽(yáng)時(shí),在南向上,室內(nèi)照度在全天中發(fā)生了較大的變化.照度分布的定量指標(biāo)是照度均勻度,其是最小照度與平均照度的比值.照度均勻度是一個(gè)相對(duì)較為宏觀的指標(biāo),其表征了工作平面上最低照度與平均照度的差異程度.從上午10點(diǎn)開(kāi)始,室內(nèi)照度開(kāi)始升高,12點(diǎn)增至最大,平均照度值為2 559 lux;但從下午13點(diǎn)開(kāi)始,室內(nèi)照度開(kāi)始減少,到下午5點(diǎn)照度值減為最小值,照度平均值為567 lux.另外房間的照度均勻度從上午8點(diǎn)到11點(diǎn)和下午14點(diǎn)之后波動(dòng)比較大,是因?yàn)樘?yáng)高度角的變化造成室內(nèi)照度的波動(dòng)較大.從上午11點(diǎn)到下午14點(diǎn)比較平穩(wěn),因?yàn)檫@段時(shí)間,房間內(nèi)照度相對(duì)較高,因此照度均勻度變化較小.
圖3 不考慮水平遮陽(yáng)模擬照度變化趨勢(shì)
圖4是考慮水平遮陽(yáng)時(shí)房間內(nèi)模擬照度的變化趨勢(shì)圖.從圖4中可以看出,當(dāng)增加水平遮陽(yáng)時(shí),室內(nèi)的光照從上午8點(diǎn)開(kāi)始增大,13點(diǎn)增至最大,平均照度值為1 057 lux,然后開(kāi)始減小,直到減到最小平均照度值為518 lux.而室內(nèi)的照度均勻值從上午8點(diǎn)到下午17點(diǎn)波動(dòng)較小,因?yàn)楫?dāng)增加水平外遮陽(yáng)時(shí),水平遮陽(yáng)可以阻擋更多的太陽(yáng)直射,使室內(nèi)的照度變化較小,因此增加了室內(nèi)的照度均勻度,且一天中,照度均勻度的變化比較平穩(wěn).
圖4 水平遮陽(yáng)模擬照度變化趨勢(shì)
圖5為模型房間有水平遮陽(yáng)和無(wú)水平遮陽(yáng)的平均照度對(duì)比圖,可以看出,模型房間在有水平遮陽(yáng)時(shí),室內(nèi)的平均照度明顯降低,可以有效減少房間內(nèi)的太陽(yáng)輻射.另外,可以看出,有水平遮陽(yáng)時(shí)室內(nèi)的平均照度變化明顯平緩,這樣增加了室內(nèi)的舒適感.因此,建筑設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)充分考慮外遮陽(yáng)的影響.
圖5 有水平遮陽(yáng)和無(wú)遮陽(yáng)平均照度對(duì)比曲線
垂直遮陽(yáng)適合于遮擋從窗戶兩側(cè)來(lái)的高度角較小的太陽(yáng)直射輻射.由于夏天太陽(yáng)在西偏北方向上,此時(shí)的太陽(yáng)輻射將從窗戶側(cè)面直射北向或西北偏北方向上的窗戶,因此,垂直遮陽(yáng)對(duì)遮擋北向和西北向早上和下午的斜射輻射有一定的作用.本次選擇在西北方向上設(shè)置垂直遮陽(yáng)來(lái)分析其對(duì)室內(nèi)光線的遮擋效果.筆者將垂直遮陽(yáng)板的挑出寬度設(shè)置為1 m.圖6是不考慮垂直遮陽(yáng)模擬照度變化趨勢(shì),顯示的是南向窗戶上不考慮垂直遮陽(yáng)的條件下,室內(nèi)的平均照度值、照度最大值、照度最小值、照度均勻度的變化曲線.
圖6 不考慮垂直遮陽(yáng)模擬照度變化趨勢(shì)
圖7是考慮垂直遮陽(yáng)室內(nèi)平均照度全天變化曲線,顯示的是南向窗戶上考慮垂直遮陽(yáng)的條件下,室內(nèi)的平均照度值、照度最大值、照度最小值、照度均勻度的變化曲線.圖8是有垂直遮陽(yáng)和無(wú)遮陽(yáng)平均照度對(duì)比圖.從圖8可以看出,盡管本次模擬設(shè)置垂直遮陽(yáng)的外挑長(zhǎng)度為1 m,但在早上,太陽(yáng)高度角比較小,無(wú)太陽(yáng)直射的情況下,室內(nèi)的平均照度水平比較低,主要靠天空漫反射,上午8點(diǎn)到上午12,垂直遮陽(yáng)對(duì)室內(nèi)照度的影響較小,變化率基本都在10%以下.而到下午,更多的太陽(yáng)輻射照入室內(nèi),室內(nèi)照度明顯升高,下午3點(diǎn)室內(nèi)的平均照度達(dá)到最大,為1 409 lux.因此在建筑設(shè)計(jì)中,垂直遮陽(yáng)的遮擋作用不能忽略.
圖7 垂直遮陽(yáng)室內(nèi)平均照度全天變化曲線
圖8 有垂直遮陽(yáng)和無(wú)遮陽(yáng)平均照度對(duì)比
綜合遮陽(yáng)是將水平遮陽(yáng)和垂直遮陽(yáng)兩種遮陽(yáng)方式結(jié)合起來(lái),圖9是綜合遮陽(yáng)室內(nèi)平均照度全天變化曲線.該圖顯示的是南向窗戶上考慮綜合遮陽(yáng)的條件下,室內(nèi)的平均照度值、照度最大值、照度最小值、照度均勻度的變化趨勢(shì).從圖9中可以看出,當(dāng)考慮綜合遮陽(yáng)時(shí),在南向上,室內(nèi)照度在全天中發(fā)生了較大的變化.從上午8點(diǎn)開(kāi)始,室內(nèi)照度開(kāi)始升高,這是因?yàn)殡S著太陽(yáng)高度角的升高,室內(nèi)接收了更多的太陽(yáng)輻射,到中午12點(diǎn)室內(nèi)照度達(dá)到了最大.另外,模型房間在有綜合遮陽(yáng)時(shí),對(duì)比南向窗戶無(wú)遮陽(yáng)條件下室內(nèi)的照度均勻度明顯升高,而且照度均勻度全天都比較平穩(wěn).
圖9 綜合遮陽(yáng)室內(nèi)平均照度全天變化曲線
圖10是有綜合遮陽(yáng)和無(wú)遮陽(yáng)平均照度對(duì)比圖,通過(guò)對(duì)圖10的分析,在晴天模型下,模型房間在有綜合遮陽(yáng)時(shí),室內(nèi)的平均照度明顯下降,而且平均照度全天都比較平穩(wěn).因此,增加綜合遮陽(yáng),在有效減少房間內(nèi)的太陽(yáng)輻射的同時(shí),也增加了室內(nèi)的舒適感,所以在綠色建筑設(shè)計(jì)階段,做室內(nèi)的采光數(shù)值模擬時(shí),不能忽略綜合遮陽(yáng)對(duì)室內(nèi)采光的影響.另外,通過(guò)對(duì)比分析室內(nèi)平均照度的差值,在夏至日,晴天模型下,當(dāng)中午12點(diǎn)時(shí),增加綜合遮陽(yáng),室內(nèi)的照度差值達(dá)到最大,為800 lux.而室內(nèi)照度的差值變化率也在12點(diǎn)達(dá)到最大,為65%,這為建筑設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)作用.
圖10 有綜合遮陽(yáng)和無(wú)遮陽(yáng)平均照度對(duì)比
百葉遮陽(yáng)是對(duì)其他幾種遮陽(yáng)方式的結(jié)合,可以改變的參數(shù)有很多.一般情況下,百葉遮陽(yáng)是通過(guò)調(diào)節(jié)百葉傾角來(lái)改變室內(nèi)的環(huán)境,以達(dá)到采光、通風(fēng)以及視野的需要.實(shí)驗(yàn)中設(shè)置百葉寬度和百葉間距均為0.1 m,百葉長(zhǎng)度與窗戶寬度相同,葉片總數(shù)為20個(gè),葉片可自由轉(zhuǎn)動(dòng).
圖11是百葉遮陽(yáng)室內(nèi)平均照度全天變化曲線圖,顯示的是南向窗戶在考慮百葉遮陽(yáng)的條件下,室內(nèi)的平均照度值、照度最大值、照度最小值、照度均勻度的變化曲線.從圖11中可以看出,當(dāng)考慮百葉遮陽(yáng)時(shí),在南向上,室內(nèi)照度在全天中發(fā)生了較大的變化.從上午8點(diǎn)開(kāi)始,室內(nèi)照度開(kāi)始升高,這是因?yàn)殡S著太陽(yáng)高度角的升高,室內(nèi)接收了更多的太陽(yáng)輻射,到中午12點(diǎn)室內(nèi)照度達(dá)到了最大,平均照度值為824 lux.另外房間的照度均勻度從上午8點(diǎn)到下午5點(diǎn)一直比較平穩(wěn).
圖11 百葉遮陽(yáng)室內(nèi)平均照度全天變化曲線
圖12是有百葉遮陽(yáng)和無(wú)遮陽(yáng)平均照度對(duì)比圖.通過(guò)對(duì)圖12的分析,在晴天模型下,模型房間在有百葉遮陽(yáng)時(shí),室內(nèi)的平均照度明顯降低而且變化比較平緩,在有效減少房間內(nèi)的太陽(yáng)輻射的同時(shí),也增加了室內(nèi)的舒適感.因此,在綠色建筑設(shè)計(jì)階段,做室內(nèi)的采光數(shù)值模擬時(shí),不能忽略百葉遮陽(yáng)對(duì)室內(nèi)采光的影響.另外,通過(guò)對(duì)比分析室內(nèi)照度的差值,在夏至日,晴天模型下,當(dāng)中午12點(diǎn)時(shí),室內(nèi)的照度差值達(dá)到最大,為1 500 lux.而室內(nèi)照度的差值變化率也在12點(diǎn)達(dá)到最大,為70%,這為建筑設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)作用.
圖12 有百葉遮陽(yáng)和無(wú)遮陽(yáng)平均照度對(duì)比
本文基于采光模擬軟件從室內(nèi)照度、照度均勻度等方面分析了四種基本的外遮陽(yáng)形式對(duì)室內(nèi)采光及整體光環(huán)境的影響.模擬結(jié)果顯示,水平遮陽(yáng)可以使室內(nèi)照度均勻度穩(wěn)定在0.4~0.5,另外增加水平遮陽(yáng)后,室內(nèi)平均照度的變化率最大可達(dá)62%;垂直遮陽(yáng)從上午8點(diǎn)到上午12點(diǎn)對(duì)室內(nèi)照度的影響較小,變化率基本都在10%以下.而到下午,隨著更多的太陽(yáng)輻射照入室內(nèi),室內(nèi)照度明顯升高,到下午3點(diǎn)達(dá)到最大,為1 409 lux;綜合遮陽(yáng)在中午12點(diǎn)時(shí),使室內(nèi)的照度差值達(dá)到最大,為800 lux,而室內(nèi)照度的差值變化率也在12點(diǎn)達(dá)到最大,為65%;百葉遮陽(yáng)在夏至日晴天環(huán)境下,中午12點(diǎn)時(shí)室內(nèi)的照度差值達(dá)到最大,為1 500 lux.
通過(guò)對(duì)四種遮陽(yáng)方式的比較可以看出在夏至日晴天環(huán)境下,綜合遮陽(yáng)的效果最好,平均照度和照度均勻度在一天內(nèi)各個(gè)時(shí)段變化比較平穩(wěn),在有效減少房間內(nèi)太陽(yáng)輻射的同時(shí),也增加了室內(nèi)的舒適感.本文通過(guò)對(duì)夏至日四種遮陽(yáng)方式有效性的模擬分析,評(píng)價(jià)建筑遮陽(yáng)構(gòu)件的遮陽(yáng)效果,用于指導(dǎo)相關(guān)的設(shè)計(jì)優(yōu)化,為確定合理的遮陽(yáng)位置和選取時(shí)間節(jié)點(diǎn)提供了參考.