广西地区双侧采光教室的动态采光评价

卢 珍，黄险峰，李聪敏

(1.广西大学 土木建筑工程学院，广西 南宁 530004；2.广西防灾减灾与工程安全重点实验室，广西 南宁 530004)

引言

对教室提供良好的光环境十分必要，教室天然采光不可或缺。天然光可以影响学生的阅读、听讲、背诵等活动，也关系着师生的生理和心理健康，从而影响师生的行为和绩效[1]。天然采光涉及以下因素：建筑参数、地理位置、日照时数、人的主观满意程度、节能等[2]。采光指标为建筑采光性能的优劣提供了基本的评判标准，其中采光系数DF(daylight factor)是一个重要评价指标，DF是基于全阴天模型下的静态指标，受到了国际标准的广泛认可，但不适用于晴天空或多云天空阳光直射的场景[3]。此外，改变建筑朝向和房间的位置，采光系数的值也不会受到改变[4]。Korsavi等[5]研究发现，有阳光直接照射的座位区，学生的视觉舒适评价满意度较高，对眩光的感知与其他地区存在较大的差异。同时在建筑设计时气候的影响备受重视[6]。随着基于气候的采光模型发展，动态采光评价指标被提出，比较有代表性的是Daylight autonomy(DA)[7]和Useful daylight illuminance(UDI)[8]。这两个指标已经在许多教育建筑的采光研究中得到了应用[9-11]。但是，利用动态指标评价教育建筑的采光优劣尚未得到全面的验证，尤其是针对特定气候地区的建筑类型，需要进行更多的研究工作。动态采光的研究工作必须拓展到更广的领域，综合考虑多方面因素。

在侧窗采光研究中，很多针对的是单侧窗[12-14]房间，对于双侧窗的采光研究少。本文以广西南宁地区的教学楼为研究对象，从当地教学楼教室的基本特征出发，结合实地调研和Radiance软件分析教室的采光状况。从实地调研过程中发现，该地区存在大量的双侧采光教室。因此，本文将侧重于双侧窗教室的采光性能进行研究，通过运用DF/DA/UDI评价指标对不同侧窗形式、朝向和窗地比的教室采光进行对比，确立了采用UDI指标评价双侧窗教室的方法。此外，在分析的过程中，将结合静态采光指标和动态采光指标的结果，探讨动态采光指标的适应性。

1 研究方法与内容

1.1 动态采光评价指标

CBDM(Climate-Based Daylight Modelling)理论[15]的发展为动态采光评价体系提供了基础支撑，动态采光评价综合考虑了不同的天空状况，以及实际建筑所处地区的气候条件，将全年时间内建筑物中某点的照度水平进行统计，以得到它出现在某个范围的概率。在此应用DA和UDI两个动态采光指标对教室的光环境进行评价。其中DA的定义是指全年内房间的照度水平满足最低阈值的百分比[7]，如DA_450 lx=75%,则表明该空间在全年内照度值高于450 lx的概率为75%。UDI是Mardaljevic 和Nabil[8]于2006年提出来的，其目的是使得房间内的照度是“有效的”，既不能过暗也不能过亮，它也是考虑全年内天然光照度出现的概率，但是对于照度的取值限定了一个范围，而不是某一确定的值，在对大量办公空间的实际调查中发现，室内空间照度水平在100～2 000 lx认为是“有效的”。根据式(1)中DA的计算原理[3]，可以看出动态采光评价的优势在于以当地的气象参数作为基础数据，对所研究的测试点进行全年照度水平时间百分比统计，更加全面，更具有实际意义。

(1)

其中ti是指全年中每占用小时数，EDaylight指计算点的水平照度值，fwi是一个加权系数，Elim是设定的最低阈值。显然，计算DA值的前提条件需要设定一个合理的阈值，不同建筑类型所要求的最低阈值不一样。

1.2 教室采光现状调研

为了探讨地域建筑的采光适应性问题，选取了广西南宁地区的8所高校主要教学楼教室作为现场调研和研究对象，主要方式是通过实地调研和测量，通过调研发现该地区教学楼主要建筑朝向为南北侧居多，采光形式多采用双侧窗，且开窗面积大、窗地比较高，建筑的遮阳形式主要为水平遮阳。根据实际调研的结果，将双侧窗教室的开窗形式分成4大类，以探讨该类教室的采光评价和采光性能，分类结果见表1。

表1 教室分类结果

基于该地区教室的基本特征，设计合理的问卷对教室光环境进行主观评价。研究该地区学生在教室对不同照度水平的感受，以及可接收的室内有效照度范围，采取问卷调查的方式进行研究。使用TES-1330数字照度计记录水平工作面的照度值，以此照度作为参考值，对受试者进行访谈式的问卷调研，以尽可能保证问卷的有效性。调查共设置三个问题：①您此刻观看工作面的舒适感如何？②您是否感觉到刺眼？③您是否想采取措施来(增加或减少)光照？最后记录好时间和受试者基本信息(包括性别、年龄等)。值的提出的是调研的时间是在不同的天气情况下进行的，以避免由于天气原因造成差异，尽管表面照度值已经被实时记录。最后获得了192份访谈结果，其中男生100份，女生92份，所有对象均为在校大学生，年龄段为18～26岁。

1.3 模型建立与仿真

选取了一个南北向的双侧窗采光教室作为参照房间，按照分类的四种双侧窗类型建立模型，控制四种类型房间窗地比控制不变，即总的窗口面积是一样的。参照房间尺寸为9 m×8 m×3.3 m，南北两侧各设两扇窗户，在房间的南侧设有1.6 m宽外走廊，走廊设一米高实心护栏。房间各表面光学特性取值见表2，这是通过现场实测获取的结果。通过Rhino软件建立教室模型，如图1所示，并利用Grasshopper插件调用Radiance进行分析，动态采光计算的结果是由Radiance中的Daysim计算程序实现的，该程序的验证和应用已有多位研究者[16, 17]证实。导入南宁地区的气象参数文件，设置好各表面的光学特性，选取工作面的高度为0.75 m，以0.1 m×0.1 m一个网格作为计算单元。最后获取相应的计算结果。

表2 参照教室表面材料特性

图1 参照房间模型Fig.1 The classroom model for reference

2 结果及分析

2.1 问卷结果

问卷是基于室内瞬间工作面水平照度值的访谈结果，调研是在双侧窗教室内部随机开展的。如图2所示，将调研的结果分成六个范围值进行分析。可以看出，当照度值小于100 lx时，视觉舒适度评价的结果是差的，不能满足基本的视看要求；当工作面照度值大于3 000 lx，52%同学的评价结果是不舒适的，但是也有10%同学认为是舒适的，这反映出人对于天然光作用下的高照度耐受性存在差异；评价结果一般及以上的主要分布在300～2 000 lx，在该区间具备良好的视觉舒适条件。此外，出现刺眼感觉造成不舒适的水平照度都超过2 000 lx。图3的调查结果还显示，当室内较暗时，人们更加趋向于开启照明灯具来改善光环境，而非调整座位；当室内过亮时，人们也更倾向于拉上窗帘。

图2 基于水平照度的视觉舒适度调查结果Fig.2 Results of visual comfort survey based on horizontal illumination

图3 室内较暗和较亮环境下人的行为模式Fig.3 Behaviour modes in darker and brighter indoor environments

2.2 仿真计算与分析

动态采光阈值的选取需要考虑实际情况，本文中DA指标采光阈值参照我国关于教室的采光规范[18]，选用450 lx作为采光阈值；UDI的有效照度范围取值为100～2 000 lx，表示当照度低于100 lx时，不能满足视看基本需求，大于2 000 lx时则会造成视觉不舒适[19]。按照此设定后分别得到了不同类型教室的采光结果，其DA/DF/UDI值见表3。计算结果显示采用不同评价指标评价存在差异，按照结果排序有：DF(A>C>B>D)、DA(A>B>C>D)、UDI(D>B>C>A)。三种评价指标体现出来的结果都不一样，且采用DF和DA指标的结果差异并不明显，这主要是因为此类教室室内采光充足。而使用UDI评价的结果存在较大差异，最理想的双侧窗类型为北面落地窗+南面高侧窗，能够增加室内有效照度，而采用双低侧窗类型的教室室内照度大于2 000 lx的概率达到了37.87%，容易造成室内过亮的情况。可见，UDI的结果不仅可以直观反映全年室内大于或在某范围内照度值的概率，对于所研究的双侧窗教室而言，还能反映室内出现过亮，直观显示容易造成视觉不舒适的区域。此外，可以看出在相同开窗面积情况下，开窗位置不同会使室内光环境产生显著差异。

表3 采光评价指标计算结果

进一步讨论UDI指标用于4种类型教室的光环境分析，图4所示是计算的UDI结果彩图。其中图4(a)(c)(e)(g)代表了双侧窗教室全年照度值在100～2 000 lx之间的概率，用来反映教室内的全年有效照度；图4(b)(d)(f)(h)是全年照度值大于2 000 lx的概率，用来反映室内出现过亮，容易造成视觉不舒适的概率。可以看出，对于A类型双低侧窗教室，在窗口处照度水平过高；B类型在北面采用了落地窗，同样也造成了窗口过亮的现象；C类型在南面设置高侧窗使得室内有效照度区间(100～2 000 lx)变大，改善了南侧照度过高的现象；D类型也是在南侧设置高侧窗，但是北面设置了落地窗，落地窗同样也造成了靠近窗口处照度过高的现象。综上，在靠近低侧窗口和落地窗口都容易出现照度值过高的情况，在采用低侧窗的情况下，不论是北面还是南面窗口附近都出现了过亮的情况，在南面合理设置高侧窗之后，有效降低了室内过亮的现象。4种类型教室在保证南北窗口面积不变的情况下，在南侧设置高侧窗是一种有效改善光环境的手段。从计算结果来看，UDI指标用于评价双侧窗教室的结果较为合理，但也仍然需要进一步讨论UDI值与室内照度分布和变化的关联。

图4 教室UDI计算彩图Fig.4 Result of UDI calculation of classroom

3 讨论

双侧窗采光教室在我国夏热冬暖地区较为多见，是由当地气候特征所决定的，这种采光形式往往兼顾通风、采光的功能，讨论该类教室的采光评价有其必要性。以当地最常见的双低侧窗为例(即A类型教室)，讨论室内照度沿进深方向的变化情况，根据仿真的结果，分别得到了三类指标沿进深方向的平均值变化曲线，如图5所示。可见，其DA变化曲线都超过了50%，且变化范围不大；DF值都大于5%，采光系数值较大，特别是靠近北侧窗口处；而UDI变化趋势出现了明显的先升后降的抛物线趋势，在房间进深达到6 m处，UDI值小于50%，这说明在北侧窗口处由于窗口面积较大且没有任何挡光措施，造成了该区域出现过亮，使得在有效照度范围100～2 000 lx的百分比下降，影响人的视觉舒适性。针对以上情况，本文建议对于双侧窗教室的采光评价采用UDI指标较为合理，并将房间中UDI100～2 000 lx大于50%的进深范围定义为“双侧窗教室舒适采光区域”，具体含义是指在有效照度区间100～2 000 lx范围内，室内进深范围平均照度水平值在该区间大于50%的概率，若超过50%则定义为双侧窗教室舒适采光区域，反之，则认为光环境需要改善。这里的教室舒适采光区域相比于采光系数DF更具有实际意义，不仅反映了全年不同天空情况下的照度水平，也考虑了人的主观舒适性，即舍弃了容易引起眼睛不适感的高照度值。

图5 不同指标沿采光进深方向的变化曲线Fig.5 Variation curves of different indexes along the direction of daylighting depth

为了进一步验证“双侧窗教室舒适采光区域”的准确性，根据实际情况分别计算了外廊设置在北侧和南侧、不同窗地比下的教室有效采光区域。需要说明的是这里的窗地比设置按照如下方式组合：窗地比0.4(外廊侧窗0.15+外廊对面侧窗0.25)；窗地比0.3(外廊侧窗0.1+外廊对面侧窗0.2)；窗地比0.2(外廊侧窗0.1+外廊对面侧窗0.1)。得到如图6和图7的结果：以UDI等于50%为分界线，教室的舒适采光区域随着不同窗地比和阳台朝向发生了明显的改变，UDI曲线呈现倒U形，随着窗地比的增加，舒适采光区域减小，在靠近窗口处出现了过亮的情况。当窗地比为0.2时，教室采光舒适区域较为理想，当达到0.4时，导致离非阳台侧窗口约两米范围内光环境不适宜。UDI的结果形象地反映出室内采光沿进深方向的变化趋势，即靠近窗口处采光量充足，远离窗口处采光量减弱，由于人对于照度的适应性，UDI可以方便应用到控制适宜采光照度范围中；可以说明的是窗地比的增加并不意味着室内采光环境就越来越好，反而当窗地比增加到一定程度时，有必要采取合理的挡光措施，来降低窗口处的照度水平；无论是阳台设置在南侧和北侧都起到了较好的挡光作用，显然，南侧设置阳台是一种更符合实际情况的方案，从图6和图7中可以看出，阳台设置在南侧使得室内采光舒适区间增加约1 m范围。在没有设置阳台一侧UDI的值在近窗处都出现了明显的下降趋势，这是因为光照过高所造成的；为了控制最大化的“双侧窗教室舒适采光区域”，可以使得UDI变化曲线更多的分布在50%等值线以上。综上，“双侧窗教室舒适采光区域”的定义可以直观反映出双侧窗采光教室室内的采光水平，这可以为建筑采光设计人员提供一种简单的判定和优化途径。

图6 阳台设置在南侧时UDI指标沿采光进深方向的变化曲线Fig.6 Variation curves of UDI index along the direction of daylighting depth when the balcony is set on the south side

图7 阳台设置在北侧时UDI指标沿采光进深方向的变化曲线Fig.7 Variation curves of UDI index along the direction of daylighting depth when the balcony is set on the north side

4 结论

本文对广西南宁地区独具特色的双侧窗教室的采光性能评价进行了研究，分析结果都是基于仿真计算获得的，在实际的建模过程中，为了对比不同类型教室的差异，通过大量相关实测数据对实际的建筑模型进行了修正。研究的主要结论如下：①针对广西南宁地区双侧窗教室的调研结果表明，当室内水平照度值在300～2 000 lx范围内，人们的视觉舒适度表现最好。②对比动态采光指标和静态采光指标的结果存在明显差异，对于双侧窗教室而言，采用有效采光照度UDI指标评价更能够全面反映室内的采光特性。③本文基于UDI仿真结果所提出的“双侧窗教室舒适采光区域”可以较好反映出室内沿进深方向的采光水平，全面考虑了教室中出现较暗和过亮的区域，这对于教室的采光设计优化具有参考意义。