绿色建筑室内光环境与声环境模拟分析——以某中学为例

刘 璇,张玲玲,刘文平

(1.烟台大学土木工程学院,山东 烟台 264005;2.烟台大学建筑学院,山东 烟台 264005)

近年来,为推动绿色建筑进一步发展，我国制定了具体的绿色建筑评价标准和认证体系，这些标准和认证体系对室内环境质量也作出具体要求，在满足室内环境舒适性的情况下又能降低建筑能耗成为建筑行业的发展方向．室内环境主要是指室内声环境、光环境、热环境和室内空气质量[1]．几种室内环境既相互联系又相互影响,例如,为达到节能和室内降噪的目的，许多新建建筑采用双层玻璃窗，但因其窗框、玻璃厚度、空气夹层等因素会降低室内采光效果．学校建筑较普通公共建筑在使用功能上更具综合性和特殊性,因此对光环境和声环境有更为严格的要求．建筑的设计方案对建筑本体的光环境、声环境质量起决定性作用,在方案设计阶段使用模拟软件对方案进行预评估,对多种影响室内环境的影响因素进行权衡判断，针对方案的不足之处加以优化,可以使建筑满足室内环境的性能要求[2],避免在建筑建成以后因室内环境不舒适而进行二次改造,进一步达到节约建筑成本、保护环境的目的．

1 学校建筑光环境、声环境现存问题

1.1 学校建筑现存光环境问题

学校建筑因师生需长时间在室内工作学习,对光环境的品质较其他类型建筑有更高的需求,同时目前学校建筑室内光环境又存在以下几个问题:

(1) 因建筑之间或建筑构件遮挡、建筑布局不合理等因素造成自然采光较弱,采光系数达不到规范的要求．

(2) 自然采光较强,并且没有采取相应保护措施,导致太阳光线直射室内,造成眩光．

(3) 为防止眩光的影响,大多数学校设置遮光窗帘,对室外光进行控制,但目前采用的窗帘一般都不能随室外光环境的变化进行自动调节,造成白天室内需要辅助照明但室外光得不到利用的结果．

1.2 学校建筑现存声环境问题

学校建筑噪声源主要包括室内噪声源、室外噪声源2类, 室内噪声源主要有空调、多媒体等电气设备以及人类活动产生的噪声等,室外噪声源包括校区附近交通噪声、周围居民生产生活噪声等．学校建筑目前面临的声环境问题主要有以下几个方面:

(1) 多数学校位于城市闹市区,选址前未对项目周边声环境进行检测,达不到学校建筑要求的最低为2类声功能区的标准．

(2) 对项目周边进行检测满足声功能区要求,但声环境动态波动较大,受周围交通设施等因素的影响,噪声建成后声环境仍不满足标准要求．

(3) 建筑的楼板、隔墙、门窗等构件隔声性能达不到标准的要求．

由此可见,目前学校建筑面临严峻的室内环境问题,这些问题不仅增大建筑能耗造成能源的浪费,而且也不利于师生的工作和学习．

2 建筑采光模拟分析

天然光环境是一种既经济又舒适的光环境,各种光源的视觉试验结果表明,在同样照度条件下,天然光的辨认能力优于人工光[3],美国最近的研究表明,学校在不增加学校建设或维护成本的情况下采用自然光,可以显著提高学生的考试成绩,促进身体发育[4]．在天然光品质较好时进行充分利用,不仅可以提高学习工作效率,还可以降低室内照明能耗,符合绿色建筑舒适、节能的核心理念．《建筑采光设计标准》GB50033—2013规定,对于采光形式复杂的建筑,应利用计算机模拟软件或缩尺模型进行采光计算分析[5]．文章采用计算机软件对参考项目进行模拟,进一步计算室内采光系数,根据各房间采光系数计算结果判断房间内部自然采光效果是否能达到绿色建筑的标准要求．

2.1 评价依据与计算指标

该项目主要评价依据文献[5]和山东省《绿色建筑评价标准》DB37/T 5097—2017[6],文献[5]中对各类型建筑的采光标准值做出了明确要求,同时根据标准确定光气候分区、光气候系数K值、室外天然光设计照度值Es值、采光系数标准值、室内天然光照度标准值等计算参数．学校建筑属于公共建筑类型,文献[6]中公共建筑室内采光品质是以房间内部平均采光系数达标率表示的,即主要功能房间内满足标准对应采光系数的面积与室内总面积的比值．文献[6]对公共建筑提出面积比例的要求,具体要求如表1所示．

表1公共建筑主要功能房间采光评分规则

Tab.1 Lighting rules for the main functional rooms of public buildings

面积比例RA得 分 60%≤RA<65%4 65%≤RA<70%5 70%≤RA<75%6 75%≤RA<80%7 RA≥80%8

注:数据参考文献[6]中表8.2.6.

该项目位于山东省淄博市,淄博属于Ⅳ光气候区[5],根据表2可知,光气候系数K值为 1.10,室外天然光设计照度值Es为13 500 lx．办公室、教室、实验室等教育建筑的主要功能房间采光等级参考表3可知为III级,采光类型都为侧面采光,标准要求采光系数计算需乘上对应光系数K值,因此该项目采光系数标准值为3.30%．

表2 光气候系数K值

注:数据参考文献[5]中表3.0.4.

表3 教育建筑的采光标准值

注:数据参考文献[5]中表4.0.5.

2.2 采光计算参数取值

2.2.1 模拟分析条件说明 该项目采用CIE全阴天天空模型,计算光线反射6次,主要功能房间分析参考平面取距地面0.75 m,公共空间分析参考平面曲地面．分析计算网格划分间距根据房间面积进行合理划分,室外环境考虑分析区域内建筑物的遮挡关系,室内环境考虑外遮阳等突出构件、地面、墙面等固定因素,忽略室内家具、装饰等设施的影响．

2.2.2 建筑饰面材料参数 表面反射对室内采光效果有重要影响,表面反射与材料的材质、颜色有关,反射效果用表面反射比表示．本项目中建筑内外饰面材料,如顶棚、墙面、地面、建筑外表面,其材质、颜色对应不同的反射比,给室内光环境来带不同的采光效果,反射比数据参考文献[5]中饰面材料的反射比ρ值,具体参数情况见表4:

表4建筑饰面材料选用与反射比取值

Tab.4 Architectural veneer material selection and reflectance value

建筑饰面位置反射比取值 顶棚0.75 地面0.30 墙面0.60 外表面0.50

注:数据参考文献[5]中附录D 表D.0.5.

2.2.3 门窗类型参数 窗户决定了建筑内部的采光水平．工程中最为常见也最广为使用的一种采光途径就是在建筑侧墙上安装窗户或者在建筑顶部安装天窗等采光构件．窗的位置、尺寸、形态等都会对室内采光带来不同程度的影响．建筑中常用的透光门也会对自然光的传播提供便利．这些透光构件的性能参数与采光系数的计算息息相关．该项目中透光门、窗户的性能参数包括门窗尺寸、挡光系数、窗框类型、玻璃类型、可见光透射比和反射比．门窗尺寸在满足围护结构热工性能的条件下可适当增大,窗框类型为双层铝窗,双层窗框会对挡光系数有一定影响,因此本项目采用高透Low-E玻璃,其可见光透射比为0.76,玻璃反射比为0.78,计算考虑了外窗玻璃的污染折减系数影响,系数取值0.9．

2.3 采光模拟结果统计分析

本项目以该中学1#教学楼为例分析此方案的采光是否达到标准的要求．1#教学楼为教学综合楼,包括教室、实验室、办公室、阅览室、计算机机房等主要功能房间,模拟结果如图1所示．从图中可知,除阅览室进深较深导致内部采光系数不达标外,其他主要功能房间均满足标准要求．针对阅览室采光较差的情况可以对原建筑方案进行简单优化,以房间内部2根柱子为界对原区域进行空间划分,内部修改为藏书区,外部为阅览区,这样既能满足规范的要求又不对原方案进行较大的改动．对整栋教学楼采光模拟结果进行统计,如表5所示,从表中可知整个建筑主要功能房间采光达标率为96%,对应文献[6]相关条文可知,该建筑方案可达到较高标准要求．

图1 1#教学楼一层采光效果分析

Fig.1 Daylighting effect analysis chart of the first floor of 1# teaching building

3 建筑声环境模拟分析

学校类建筑对建筑物室内噪声级和房间内部隔声性能都有非常高的需求,但目前大多数学校只对报告厅、礼堂、阶梯教室等大空间区域进行专项声学设计,对普通教室、办公室的室内声环境质量关注较少．本项目针对普通教室、办公室,对建筑方案依据评价标准和评价要求进行室内噪声级的模拟计算,最终评价结果是否达到标准要求．首先对室外声环境进行模拟,将室外声环境模拟结果提取作为计算室内噪声级的边界条件,再计算整栋建筑每个房间的室内噪声级,通过计算结果确定主要功能房间中噪声级最不利的房间,最终评估该房间的达标情况．

3.1 室外声环境模拟

考虑到本项目建成后周边噪声环境情况的复杂性,本方案需要使用软件分别模拟计算室外昼间和夜间噪声值,包括项目场地的平面噪声分布、噪声敏感建筑的沿建筑物底轮廓线1.5 m高度处和噪声敏感建筑立面噪声分布,并依据《声环境功能区划分技术规范》GB/T15190—2014[7],判断场地内环境噪声模拟结果是否满足《声环境质量标准》GB3096—2008[8]的相关规定．

表5 1#教学楼采光达标率统计

3.1.1 室外分析模型与声功能区划分 本项目根据建筑设计图纸等相关资料建立室外声环境模拟分析模型,主要包括参评目标建筑、周边建筑、声屏障、道路(包括轨道交通)和绿化带等对象．本项目属于2类声功能区,环境噪声限值昼间为60 dB,夜间为50 dB[7]．

3.1.2 计算条件与参数设置 首先对平面立面空间进行网格的划分,考虑地面效应,地面高度设置为0,采用导致算法计算地面效应．考虑障碍物对噪声反射的影响,最大反射次数取1次．同时考虑空气对噪声的吸收,大气环境取气压101 325 Pa 、气温16 ℃ 、湿度50%．建筑物噪声最大值统计方式为取距离建筑物底标高1.5 m沿线点噪声值,计算声功能区内命名参评建筑物全部达标视为环境噪声值达标．

建筑室外场地噪声目前主要的噪声源为交通噪声,根据项目实际情况还可能考虑周边环境中工业噪声源等．本项目参与计算的噪声源如表6所示．

表6 公路噪声源统计

注:车速、车流量等数据均为现场调查收集.

3.1.3 室外噪声模拟结果与分析 首先对室外绿化带降噪程度进行模拟分析,经过软件模拟计算,预测出未设置绿化带的昼间和夜间2种工况下的场地噪声分布情况,分布情况用场地噪声平面分布图表示,图2、图3分别为昼间、夜间模拟结果．由图中可知,场地声环境受周围交通噪声影响较大,部分靠近道路的建筑外立面噪声值已超过规范限值60 dB．各单体建筑昼间和夜间沿底轮廓线1.5 m分析高度处噪声分布情况如图4所示,参评建筑物俯视图圆圈内上下2个数字分别表示该建筑的昼间和夜间最大噪声值,根据文献[7]可知,环境噪声限值昼间为60 dB,夜间为50 dB,可以看到,场地内最靠近道路的1#教学楼已出现超标情况,最大处噪声值为昼间59 dB、夜间55 dB,已对师生正常的工作和学习产生不良影响．

图2 场地1.5 m高度处声压级分布(昼间) 图3 场地1.5 m高度处声压级分布(夜间)

图4 建筑附近区域1.5 m高度处声压级平面分布 图5 建筑附近区域1.5 m高度处声压级平面分布(设绿化带)

针对上述场地内声环境超限现象,可通过设置灌木、乔木等较高绿化带或声屏障等措施来缓解．本项目采用设置绿化带进行降噪处理,在场地四周靠近道路位置设置高度为5 m,宽度为5 m的绿化带,然后再进行室外声环境模拟,模拟结果如图5所示．从图中可以看出,场地内全部为绿色填充,无噪声超标现象,1#教学楼最大处噪声值为昼间55 dB、夜间50 dB,设置绿化带后,场地内各建筑平均降噪5 dB左右．若场地受周围噪声影响更大,可以通过设置声屏障解决．

3.2 室内声环境模拟

影响室内噪声的主要因素包括建筑周围环境噪声源、室内声源以及建筑物本身的隔声性能等．室内噪声源主要有室外环境噪声经过外围护结构传到室内的噪声、建筑内相邻房间设备经过内围护结构传到室内的噪声以及室内噪声源．因上述室外模拟中距离道路最近的1#教学楼噪声值最大,故选取1#教学楼为最不利单体建筑,进行室内噪声模拟计算．

3.2.1 计算原理与计算条件 利用计算出的室外噪声结果作为边界条件,再计算出整栋建筑每个房间的室内噪声级,通过计算结果确定主要功能房间中噪声级最不利的房间,最不利房间是通过将上述结果按照文献[8]从高到低分为“满足高要求标准”“满足平均要求”“满足低限要求”“不满足”4个等级,然后筛选出满足最低等级的房间;再从满足最低等级的房间中,确定室内噪声级最大的房间,该房间被认定为主要功能房间中噪声级最不利的房间．

3.2.2 计算过程 按照上述室内噪声源的组成,分别计算各类声源通过内外围护结构传到室内的噪声．

(1)计算室外环境噪声经过外围护结构传到室内的噪声,具体过程如下:先确定建筑边界昼夜噪声值;通过对房间吸声量、单面组合墙隔声量等计算确定组合墙的空气声有效隔声量,得出构件的计权隔声量和频谱修正量;得出边界噪声经过外围护结构传到目标房间的噪声声压级．

(2)建筑内相邻房间噪声传到室内的噪声计算:相邻房间室内声源通过内围护结构传递过来的噪声级,计算过程类似于(1)所述的室外环境噪声传到室内的计算过程．

(3)室内声源噪声级计算:将目标房间内部所有噪声级叠加．

(4)将以上三部分噪声级进行叠加得到最终的室内噪声级．

3.2.3 室内噪声计算结果 本项目所确定的最不利房间为2015教师办公室,最终评估该房间的达标情况．由室外噪声模拟可知建筑边界昼夜噪声值分别为55 dB、50 dB．本项目墙板的空气声隔声量通过质量定律计算,外墙板隔声量为56 dB(1 000 Hz),外窗采用断桥铝合金中空玻璃窗,空气声隔声量参考相关声学资料为46.0 dB(1 000 Hz)[9]．房间总吸声量是房间隔墙、外墙、内窗、外窗、内门、楼板等构件的总吸声量累加值为13.2 dB(1 000 Hz),组合墙隔声量需计算缝隙的影响,计算结果为22 dB[10]．计算室外环境噪声通过单面组合墙传到室内的噪声级为25 dB(A),夜间为21 dB(A)．建筑室内空调采用FP-34高静压机组(30 Pa),室内声源噪声级昼间、夜间均为40 dB[11]．经计算,该房间昼间室内噪声最大值为42 dB(A),夜间为40 dB(A),满足文献[8]的平均限值要求．

4 小 结

通过对本项目建筑室内自然采光、室内外声环境模拟分析,可以得出对典型学校建筑进行绿色建筑方案设计、优化的一些经验,使建筑在满足室内环境舒适性的情况下又能降低建筑能耗．

(1)室内光环境:建筑间距和平面布局对室内光环境起决定性因素,因此在设计初期需对这两因素进行综合判断．针对学校建筑,在满足热工性能条件下,可适当增加窗墙面积比,更有益于室内光环境．此外,目前大多数新建建筑采用双层玻璃窗,严重降低采光效果,针对这种情况,可考虑采用高透玻璃或导光设施来改善室内光环境．

(2)室内声环境:室内声环境优化可以分为室内室外2个方面[12]．室外声环境优化可以通过在学校建筑附近设置减速带,在学校内部种植树木形成绿化隔离带或设置声屏障来减少交通噪声的影响．室内声环境可以通过采用隔声性能良好的门窗,设置装饰吸音板,楼板上铺设地毯、吸音板等吸音垫层,空调系统采用消声风口等措施来降低室内背景噪声．