大进深农村住宅采光数值模拟与优化研究*

王民治 李 伟 林 耕

(天津城市建设学院规划与建筑系，天津 300384)

1 引言

随着我国村镇城市化进程的加快，有关农村住宅的设计与研究也愈加显得重要。作为住宅室内环境质量的重要组成部分，采光尤其受到农村住宅用户的重视。本文以天津蓟县邦均镇某具有封闭中庭的大进深农村住宅为例，利用数值模拟方法对该住宅的采光现状、存在问题以及采光优化方案进行了模拟与比较分析，提出了有关该类型农村住宅采光设计的一些建议，从而为农村住宅采光设计提供量化的数值参考依据。

2 实例现状概述

该住宅位于天津蓟县邦均镇三百户村，该村人口集中，大约1600人。该村镇住宅布局比较集中，大都拥有一个庭院，并围绕庭院布局各生活生产房间，多南北朝向布置起居和卧室 (如图1所示)，东西朝向布置一些辅助用房。

由于该户人口较多，需要足够数量的使用房间以满足其日常生活起居。实际中，该住户采用了加大进深的办法以增加功能房间的数量，而没有采用其他方法。究其原因:一是因为二层或三层小楼房住宅形式会增加土建成本预算，同时也会对邻户或者后方住宅人家产生遮挡;二是因为当地居民的生活习惯，平房形式的住宅符合住户的日常生活起居习性，其他形式的住宅还不能满足住户的需求。因此，在符合基本生活模式的住宅形式基础上，住户加大了房屋的进深以获得足够量的主要使用房间数。

图1 实例住宅平面及实景照片与软件模型

平面房间布置上，门厅、过厅和穿套空间构成到达各房间的交通线路 (如图1所示)，门厅左侧是三个南北向延伸的卧室;门厅右侧中部是两个小卧室;小卧室北向是两个储藏空间，南向为家庭起居室;起居室右侧是厨房、餐厅等一些辅助空间。由于该实例住宅主要使用房间的平面功能相对复杂，房间较多。因此，在空间划分的同时，如果不做出相应的处理，势必会造成一些房间的自然采光差的局面。

为解决中部主要使用房间的采光问题，该住户采用了以下措施:①通过利用密闭式采光中庭 (如图2所示)来增加和改善室内部分主要使用房间的自然采光，如卧室2、卧室3和卧室4受到中庭采光的影响;再如中庭右侧的杂物间1亦是受到中庭空间的采光影响。②利用开启局部小天窗来解决和处理部分使用房间光线不足的情况。如厨房的位置，由于餐厅和厨房的南北纵深方向上设计进深较大，厨房仅仅依靠南向餐厅来获得自然光照是很微弱的，需要增加室外自然光照或是增加人工照明。然而，正是因为厨房和杂物间2的屋面位置分别开启了小天窗 (如图2所示)，使得在补充和改善室内原有采光方面起到了显著的效果。③利用隔墙上窗洞口 (如图1所示)补充采光。为补充卧室2和卧室3的采光量，在南向卧室1和卧室2的隔墙上加开了窗户，以此来增加卧室2和卧室3的采光量。

图2 实例住宅中的天窗

3 室内采光现状数值模拟与分析

为进一步了解该住宅室内房间的采光情况，我们利用数值模拟的手段对各个房间的采光情况进行了模拟分析。作为目前室内采光分析中一种十分重要的手段［1～2］，数值模拟具有灵活性强、准确性高的特点，是一种较为先进的采光分析方法。我们采用的模拟软件为英国IES建筑性能集成化分析软件(IES VIRTUAL ENVIRONMENT，版本:6.2)。该住宅各房间模拟后室内现状采光 (如图3所示)，其各房间现状采光系数最低值如表1所示。

图3 室内房间采光模拟结果

表1 室内各房间采光模拟数值

从上面表格可以看出，多数房间是满足我国采光设计标准中对于主要使用房间采光系数最低值的规定的，只有少数房间没有达到采光设计标准要求。

为了分析采光中庭对该住宅采光效果的影响，我们还模拟了该住宅不设采光中庭时的各主要使用房间的采光情况，即通过在软件建立的模型中把采光中庭上方的高侧窗取消 (只留中庭北向的高侧窗)的情况。其模拟结果如图4所示。此时，受到中庭空间影响的各主要使用房间如卧室2、卧室3和卧室4的采光系数最低值分别为0.26%、3.41%、0.11%。

图4 取消中庭高侧窗后的采光模拟结果

通过对模拟结果的比较可以看出:卧室2在有中庭高侧窗采光情况下，模拟得出该房间采光系数最低值是0.45%，取消中庭高侧窗 (只留下北向高侧窗)后，模拟得出该房间的采光系数最低值变为0.26%。存在中庭采光时卧室2的采光系数最低值要比无中庭采光时高出73%，因此，采光中庭的存在，对于该大进深住宅中一些主要使用房间的采光量增加的效果是显著的。是一种较好的处理部分主要使用房间采光量不足的方法，具有改善该大进深住宅室内采光质量的实际意义。

4 中庭及北卧室采光优化与模拟分析

(1)中庭采光优化模拟分析

中庭的使用在改善实例住宅局部主要使用房间的采光方面是有其积极意义和作用的，但该采光中庭所采用的高侧窗，对于中间卧室2和卧室4的采光量的补充是有限的。在分析中间卧室2和卧室4采光不足的原因时，我们认为一方面是由于卧室2西向无法开窗 (与其他户公用隔墙)和卧室4处于中部的现状导致;另一方面是由于受到中庭高侧窗的位置和开窗形式的限制所导致。我们在对中庭高侧窗改造时，是在不改变原中庭高侧窗的总面积之和的前提下 (留有中庭北向的高侧窗)，在模拟模型中将中庭的采光口改为平天窗的形式，并进行了采光数值模拟，结果如如图5所示。此时，受中庭影响的各主要使用房间如卧室2、卧室3和卧室4的采光系数最低值分别为0.57%、3.36%、0.42%。

图5 中庭采用平天窗后的采光模拟结果

通过对中庭改造优化前后的模拟结果比较可以看出:卧室2在采用原中庭高侧窗采光情况下，模拟得出该房间采光系数最低值是0.45%，中庭优化后模拟得出卧室2采光系数最低值变为0.57%。中庭优化后的卧室2的采光系数最低值比原有现状卧室2的采光系数最低值提高了27%。由此看出，优化后的采光中庭对于该大进深住宅中一些主要使用房间的采光量增加的效果是十分明显的。

(2)北向房间采光优化

原有北向卧室3(如图1所示)开启了两个大小相同的北向采光口，该房间的采光系数最低值为4.52%，远超过采光标准中对于卧室1%的采光系数最低值的规定。我们在对该房间采光口进行优化设计时，采用了两种方案:方案1在所建立的模型中将卧室3的两个窗洞口减为一个，且中庭采光口形式不变。模拟后得到该房间的采光系数最低值变为2.32%，能够满足采光标准的规定，但下降幅度较大。方案2卧室3依然只保留一个窗洞口，将采光中庭的采光口改为上文中提及的平天窗形式，此时得到该房间的采光系数最低值变为3.36%，比方案1的数值提高了近50%。由此我们可以进一步看出，采用平天窗的中庭的采光效果更好，同时，采用平天窗后，减少了北向房间窗户的开启，在充分保证采光效果同时，对围护结构的节能也是十分有利的［3］。

5 结论

首先，大进深农村住宅采用中庭采光是一种较好的解决采光问题的方法，我们通过对比分析得出:受到中庭采光影响的卧室2、卧室3及卧室4等主要使用房间，采用中庭采光对这些主要使用房间采光的补充和增加效果是十分明显的。

其次，本案例中沿中庭东西侧布置的房间，当中庭采用平天窗采光时，房间的采光效果更好:在不改变采光口面积的前提下，中部及北向主要使用房间的采光系数值提高了约30%。

最后，以北卧室3为例，利用数值模拟的方法提出了优化房间采光口的设计，即利用数值模拟分析手段提供采光口大小和形式的量化数值的参考，在确保主要使用房间采光较好的前提下，最大限度地减少外围护结构窗洞口的开启，从而达到采光与节能一体化的效果。

［1］Danny H.W.Li，Ernest K.W.Tsang.An analysis of daylighting performance for ofice buildings in Hong Kong.Building and Environment 43(2008)1446～1458.

［2］周雪帆，陈宏，李保峰.基于节能的高层办公建筑自然采光设计策略研究 ［J］.城市建筑，2010(08).

［3］张滨，李桂文，赵建平.基于采光能效概念的住宅采光窗口设计研究［J］.照明工程学报，2010(04).