新型多功能夹帘窗采光性能测试和光环境模拟分析

张　艳，冉茂宇

(1．浙江同济科技职业学院，浙江 杭州　311231；2．华侨大学建筑学院，福建 厦门　361021)



新型多功能夹帘窗采光性能测试和光环境模拟分析

张艳1，冉茂宇2

(1．浙江同济科技职业学院，浙江 杭州311231；2．华侨大学建筑学院，福建 厦门361021)

能满足采光、通风、观景等多功能要求且兼具节能性的窗户的设计和应用将是未来窗户发展的必然方向。由此，笔者试图根据实际需要，研发出一种低成本、低能耗、便于生产和安装的新型多功能夹帘窗，并对安装新型多功能夹帘窗的试验房在一定条件下的采光性能进行测试和光环境模拟分析，确定其采光性能没有完全到达要求，因而提出了构造方面的改进措施以便其能满足采光需要。

新型多功能夹帘窗；采光；性能测试；光环境；模拟分析；采光系数

引言

采光一方面是指利用窗户或者镜子使天然光进入到建筑物内部[1]；另一方面是指为保证人们生活、工作或生产活动具有适宜的光环境，使建筑物内部使用空间取得的天然光照度满足使用、安全、舒适、美观等要求的技术[2]。天然光是人们习惯的光源，人眼在天然光下比在人工光下有更高的灵敏度。另外，天然光来源于太阳，而太阳则是一种巨大的、安全的清洁光源。因此，通过采光使室内能够充分地利用天然光，可以起到节约能源和保护环境的作用[3]。而合理地设计门窗和建筑物的结构，可以使建筑物内部得到充分和适度的天然光。

窗户自诞生以来，随着经济的发展和科技的不断进步，其发展演变可谓日新月异。自工业革命以来，科技的发展改变了世界。由于新技术的发展引进及出于节约能源的实际需要，窗户在未来的发展必然将从其功能、组成材料、构造等三个方面的发展进一步展开。伴随着新建造技术和建筑材料的应用，窗户的形态日渐自由、多样，窗的构造逐步复杂、多变，窗户的功能从最初的仅仅满足通风要求到后来的要满足采光、观景到现在的不仅要满足上述通风、采光、观景要求，更要节能以适应新时期资源使用的严峻形势。窗户的组成材料的发展趋势将是选用生态节能的框材并使框材通过连接构件同高性能的玻璃系统紧密相连从而使窗户有良好的气密性。而窗户的构造在未来将朝着节能方向发展，即大量采用双层中空玻璃、三层中空玻璃、镀膜中空玻璃等，以确保一定的保温或隔热的节能要求。纵观未来，全球日益严重的能源危机形势决定了窗户必然将朝着集高效节能舒适等多种功能需要于一体的方向发展(窗户的性能发展史如表1所示)。

表1　窗户的性能发展史

1　新型多功能夹帘窗的设计构想和构造

新型多功能夹帘窗设计的基本理念，是想通过窗系统构造设计使窗户的节能效果达到比较理想的状态，同时使窗满足采光、通风、观景等多种要求，且比现在市场上同类窗产品更经济、实用。新型多功能夹帘窗的设计构想和构造示意图如图1所示。窗户系统主要由内外两层玻璃、中间一层或多层帘布、窗框部件组成，可开启面积为玻璃窗整体的30%[4],玻璃和帘布的透光性能见表2。

图1　新型多功能夹帘窗构造示意图Fig.1　Schematic diagram of new multi-functional window with the curtains’ construction

表2　玻璃和帘布的透光性能

现在市场上经常可见的“夹百叶帘窗”主要有TYPE 10、 TYPE 15 、TYPE 24和双层中空玻璃百叶，因在实践上存在一定的使用和维护困难，且较难与室内环境相配合等因素，实际使用较少。而新型多功能夹帘窗是在双层玻璃窗之间加入可收起和放下的一层或多层保温隔热帘布，可根据人自身的需要进行自动或手动调节。在夏天空调期间，它可全遮或半遮太阳辐射，具有很好的隔热能力，在冬天又具有很好的保温能力；采光通风可以调节。其保温隔热效果目标与Low-E玻璃窗相当或超过Low-E玻璃窗；能实现功能的自动或手动调节，充分利用气候优势；气密性、水密性、抗风压性等达到优良；能通过一定的构造设计使得维修较为方便；外观可变化，艺术性强，收起时外观与普通窗差不多，展示时有多种功能。我们试图通过合理的构造和窗型设计，使得安装新型多功能夹帘窗的室内不论是采光、通风、保温、视野、经济性都能达到比较理想的状态，且不论南方、北方地区的各种建筑的每个立面都能加以采用。

为了确定新型多功能夹帘窗在夏季炎热时节的采光效果，特别在福建省泉州市华侨大学建筑学院三层教学楼的屋顶搭建了用于测试的试验房(3000mm×3000mm×3000mm)，试验房朝向为西偏北15°(见图2)。试验房以钢条为骨架，外部围护结构为聚苯乙烯泡沫外加铝塑板，内部面层为聚苯乙烯泡沫(反射比为0.22)。在试验房上安装新型多功能夹帘窗(1 500 mm×1 200 mm)。新型多功能夹帘窗实际构造、尺寸如图3所示。

图2　试验房平面位置及朝向Fig.2　Plane position and orientation of the test room

图3　新型多功能夹帘窗位置细部及构造图Fig.3　Detail of new multi-functional window with the curtains’ position and construction

2　采光测试布置和测试方法

采光试验的目的是为了测试新型多功能夹帘窗在不同工况下是否能够满足建筑的采光需要(是否符合国家相关标准和实际需要)。

我国自20世纪70年代制定的《工业企业采光设计标准》至2013年版的《建筑采光设计标准》，采光系数一直被作为评定采光数量和质量的核心参数。虽然自2003年以来提出的基于动态气象参数模型(CBDM)的评价体系较之采光系数评估方法更为准确，但对于我国全国范围的采光设计标准而言，该方法尚不成熟(英美国家新标准中也未能真正应用)。目前在国际上，以采光系数为基础的评定方法依然最为通行[5]。《建筑采光设计标准》中采用采光系数平均值作为标准值。采用采光系数平均值，不仅能反映出工作场所采光状况的平均水平，也更方便理解和适用。从国内外的研究成果也证明了采光系数平均值和平均照度值更加合理[6]。

采光系数虽然有简单易用的优点，它本身存在着许多问题，比如：无法描述晴天和多云天空情况下的天然采光情况[7]。那么对于新型多功能夹帘窗来说，其使用夹帘作为一种可调节遮阳形式，其目的主要是考虑当室外亮度过高或辐射过强导致房间使用者视觉或热舒适度降低时采取的一种折减光线透射的措施，对于全阴天条件下往往不需要采用遮阳措施，而采光系数主要是考量全阴天条件下的采光质量的评估参数。因此，鉴于条件的限制，我们以采光系数作为新型多功能夹帘窗在最不利天气条件下的评价参数进行测试。对于室外亮度过高或辐射过强情况下的晴天条件的采光环境采用计算机模拟的形式来进行说明。

本试验所在地区泉州属于Ⅲ光气候区，因此光气候系数K值取1.00(见表3)。试验房的窗地面积比为1/5，根据采光等级和窗地面积比的关系，其采光等级应满足Ⅲ级。而对于侧面采光来说，Ⅲ级的采光系数标准值为3%[6](见表4)。

表3　光气候系数K值

表4　各采光等级参考平面上的采光系数标准值

按民用建筑来选择参考平面，在全阴天空漫射光照射下，利用照度计测得参考平面上各测点的照度(测点布置平面图见图4)，同时测得在室外无遮挡水平面上由天空漫射光所产生的室外照度，根据式(1)计算出参考平面上各点的采光系数。然后计算参考平面上各点的采光系数平均值与3%比较，评价使用新型多功能夹帘窗后的采光效果。另外，为了考察窗内帘布放下面积的多少对室内采光的影响，还将分别计算出在帘布覆盖面积不同的情况下各测点的采光系数平均值。

(1)

图4　测点布置平面图Fig.4　Layout of measurement point

本试验测试时间为2008年4月23日，气温18℃～22℃，天空状况为全阴天，天空全为云层所遮挡[9]，既看不见蓝天，也看不见太阳所在位置。选择9：00—16：00时间段内的10：00时刻，测试各测点的照度，同时测试室外水平方向上的照度，而后对采集的照度数值进行统计。之所以选择这个时间段是因为这时期的室外照度变化较小[10]。

3　采光试验结果

各采光试验工况下参考平面上各测点的采光系数平均值示意见表5。可以看出，在帘布卷起或者覆盖着窗户有一定面积时，参考平面上各测点采光系数的变化趋势明显，而当帘布全部放下时，参考平面上各测点采光系数的变化趋于平和。各个工况时参考平面上的采光系数平均值与3%比较，在空窗时采光系数平均值为3.17%，大于3%，满足采光要求。而在帘布放下1/3、2/3和完全放下时采光系数平均值分别为2.91%、1.89%和1.22%，小于3%。由此可见，新型多功能夹帘窗在最不利天气条件下如果要满足采光要求不能使用内部遮阳帘。

表5　采光试验工况下参考平面各测点采光系数平均值

注：测试编号Cg为采光的汉语拼音首个字母的缩写。

4　采光模拟结果及分析

采用Ecotect、Radiance和Daysim对室外亮度过高或辐射过强情况下的晴天条件(夹帘全部放下，工况Cg-3)的天然光光环境进行模拟分析(模拟条件录入的各个参数均遵循采光测试的参数条件)，得到Cg-3工况下全自然采光百分比分析图，如图5所示，在Cg-3工况下参考平面上，全自然采光百分比平均值为54.16%，即一年当中在7:00—18:00之间，临界照度为450lx时，54.16%的时间可以使用自然采光。因此，在室外亮度过高或辐射过强情况下，将夹帘完全放下时，不能完全满足只使用天然光进行采光的要求，需要对其构造进行改造。

图5　Cg-3工况下全自然采光百分比分析图Fig.5　Daylight Automomy (450lx)when curtain down 3/3

5　构造改进分析

新型多功能夹帘窗采光试验的结果说明，新型多功能夹帘窗在满足采光要求方面存在不足，因为新型多功能夹帘窗内部使用了卷帘构造使得其系统构造变得复杂了，这就造成了由于其内部各种不同的构造材料存在不同的光学性能，而光学性能的不同对窗户的整体的采光功能有很大的影响。因此，如何改善新型多功能夹帘窗的采光功能将是笔者下一步需要解决的问题。一般来说，为了改善室内的采光效果可从以下几方面入手：增大窗户的面积；提高窗户的高度；对窗户的构造或者组成材料进行改造。其中，增大窗户的面积和提高窗户的高度涉及到建筑立面的形式统一以及建筑构造的要求，需要考虑的因素很多，必须具体情况具体分析。而对窗户的构造或者组成材料进行改造则可以不根据具体情况而从窗户本身进行考虑。为了改善其采光性

能可以尝试选用乳白玻璃、玻璃砖等扩散透光材料，如采用将光线折射至顶棚的折射玻璃，可能会达到采光要求；还可以尝试将活动百叶置于新型多功能夹帘窗内部来增加房间进深方向上的折射光。这些构造措施的应用将使窗户的总透射比增大，从而使平均采光系数增大以满足采光要求。

[1] The Caxton Publishing Company Limited. The New Caxton Encyclopedia: volume 11[M]. London: The Caxton Publishing Company Limited, 1977: 3661.

[2] 民用建筑设计通则：GB 50352—2005[S].北京:中国建筑工业出版社,2005: 4-5.

[3] 柳孝图.建筑物理[M].北京:中国建筑工业出版社,2000:150.

[4] 张艳,冉茂宇,张燕.新型多功能窗的设计运行原理及空调节能实验研究[J].建筑科学,2012.(12):71-75.

[5] 张昕,韩天辞.建筑侧窗采光简化评估方法的研究[J].照明工程学报,2012，23(03):23-29.

[6] 建筑采光设计标准：GB 50033—2013[S].北京:中国建筑工业出版社,2014:6-54.

[7] 吴蔚,刘坤鹏.浅析可取代采光系数的新天然采光评价参数[J].照明工程学报,2012，23(2):1-7.

[8] 刘加平,戴天兴.建筑物理实验[M].北京:中国建筑工业出版社,2006:136-137.

[9] KAREN KENSEK, YONG SUKJae. Daylight Factor (overcast sky) versus Daylight Availability (clear sky) in Computer-based Daylighting simulations[C]∥Journal of Creative Sustainable Architecture & Built Environment, CSABE : volume 1. Seoul: Science & Engineering Research Support society, Republic of Korea, 2011: 4.

[10] 建筑物理[M].广州:华南理工大学出版社,2002:307.

Daylighting Performance Test and Natural Daylighting Environment Simulation Analysis of the New Multi-functional Window with the Curtains

ZHANG Yan1， RAN Maoyu2

(1.ZhejiangTongjiVocationalCollegeofScienceandTechnology,Hangzhou311231,China；2.CollegeofArchitecture,HuaqiaoUniversity,FujianProvince,Xiamen361021,China)

Lighting, ventilation, and viewing with energy efficiency in design and application of windows will become inevitable trend for windows development in the future. Thus we are trying to design a new multi-functional window with the curtains which is low-cost, low power consumption, with simple production and simple installation. The daylighting performance was tested in a room with certain conditions which installed the new type multi-functional window. The light environment was also analyzed by simulation. Since the daylighting performance didn’t reach the relevant requirements completely, it is suggested to improve its structure to meet the daylight needs.

new multi-functional window with the curtains; daylighting； performance test; lighting environment； simulation analysis; daylight factor

项目资助：国家自然科学基金(51078156),福建省自然科学基金(2010J01297),福建省重大专项基金(2008HZ0003-1)，华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室资助项目(2009KB13)，浙江省民政政策理论研究规划课题(ZMZC2015115)

TU113.5

A

10.3969j.issn.1004-440X.2016.02.008