不同使用时段对中小学教育建筑室内采光及窗墙比模式的影响

杜诗祺，王铭豪，王轶锴，朱 炜，于文波

(1.浙江大学城市学院,浙江 杭州 310015；2.浙江工业大学建筑工程学院,浙江 杭州 310014)

学校作为学生学习和进行各种活动的主要场所,拥有舒适的光环境可以提高学生的学习效率和教师的工作效率,同时对降低照明所需的能耗也有帮助。在设计过程中,优化中小学建筑的采光环境是必然的趋势。

目前,大量的研究发现中国许多中小学教室都存在着采光不合理的现象。袁景玉等[1]对教学建筑自然采光问题的现状进行了总结与分析,提出了教学建筑自然采光需要注意采光均匀、避免眩光等要求；贺栋等[2]从建筑形式、开窗设计和遮阳设施等方面对教学建筑的自然采光进行了优化设计；陈小琴[3-4]、孟超[5]、李春会[6]、王化玲[7]等分别对重庆市、北京市、广州市和郑州市的教学建筑进行实地调研后,发现大多数教室窗地面积比不达标,其中：孟超提出了使用自然光控制装置来调节教室采光；黄子铭[8]针对广州地区中小学校侧窗采光系统进行影响因子的模拟分析,得出了窗高系数对采光效果的影响；衡涛等[9]在天然采光模型的探索实验中得到当窗墙比为1∶2.5 和 1∶3.0 时,教室内的采光系数较大；当窗墙比为1∶5、1∶4.5、1∶4、1∶3.5 时,教室内采光均匀度较好。

在当前的研究中,缺少针对区分中小学建筑使用功能与使用时间的不同产生对自然采光不同要求的深入研究。本研究在对长江三角洲地区的教学建筑展开的调查中发现：中小学的放学时间存在时间差,多数小学通常在下午15：00—15：30的时间段放学,而中学放学时间则一般是在下午17：00左右。

寻找合适的建筑窗墙形态能为中小学建筑在前期设计中提供更为科学的设计方案,以获得更好的自然采光环境。

本课题对研究变量结合统计学知识进行高密度的数据分析,针对中小学使用时间段的差异,结合建筑模型模拟,分析窗墙形态组合的优化解。

1 光环境模型的建立及模拟分析

1.1 模型与分析网格

本次研究的模拟对象为一单侧开窗的10 m×8 m×3.6 m的标准教室模型。实验模型类型主要为窗墙比1∶5、1∶4.5、1∶4、1∶3.5、1∶3、1∶2.5, 同时控制窗高分别为 1.6、1.8、2 m,窗地距离0.9 m,共计 18 组模型,见图1、图 2。

图1 18组模型轴测

图2 模型窗墙形态关系折线

根据中小学建筑的平面布置与桌面座椅间距, 将标准教室划分成8×6的网格,并选取了其中6×6共36个分析点,见图3(点1 所在一侧为靠窗面)。对分析点使用软件 DIALUX 分别模拟夏至、秋分、冬至三个极端日期中午12：00、下午15：00、下午17：00时室内 600 mm 高工作面的照度值。软件选取日照模拟地区为上海地区,时间为北京时间。

图3 分析网格

1.2 室内照度评价标准

根据标准《建筑采光设计标准(GB 50033—2013)》：上海市教学建筑室内天然光照度的标准值为300 lx，见表1。

表1 各采光等级参考平面上的采光标准值

2 模拟数据分析

将得到的数据绘制成折线图，见图4～6(此处挑选了趋势较明显的各日期15：00时的分析点照度折线图)。

由图4～6可知所有侧窗形式,室内工作面照度点之间的关系曲线趋势总体相似。室内越靠近窗户的点工作面照度越大,随着分析点与窗户的距离增大,照度降低。在距窗户一定距离的地方照度值存在一个突变,超过突变距离后,室内工作面照度降低幅度减小。

图4 夏至15：00分析点照度折线

2.1 窗墙形态对采光要求及人眼舒适度的影响

本研究分别将 300 lx与1 000 lx定为阈值,将位于300～1 000 lx(人眼舒适照度范围：经研究发现,照度过大会对人眼产生眩光、不舒适等现象)的值定为舒适值,低于300 lx的为不适值。将各日期12：00、15：00的分析点照度经计算做成不适率折线见图7、舒适率折线见图8；将各日期12：00、15：00、17：00的分析点照度经计算做成不适率折线见图9、舒适率折线见图10(不适率=不满足舒适照度区间的取值点个数/分析点个数；舒适率=满足舒适照度区间的取值点个数/总取值点个数)。

图5 秋分15：00分析点照度折线

图8 12、15 点舒适率

图9 12、15、17 点不适率

图10 12、15、17 点舒适率

根据采光不适率折线图7、图9可以看出：1∶4.5 与1∶5窗墙比的不适率较高,窗墙比为 1∶2.5 与 1∶3 的不适率较低；窗高为 2 m 时,室内分析点不适率较低。根据舒适率折线图8、图10可以看出：1∶2.5的舒适率在夏至最高,但在冬至舒适度较低；窗墙比 1∶3、1∶3.5、1∶4 的虽然在夏至日舒适度略低,但三个日期都比较稳定,且秋分、冬至舒适率明显高于1∶2.5的窗墙比。在窗高方面,窗高为 2 m 时,室内采光达标率和舒适率越高。

从采光要求同时满足人眼舒适度综合考虑,小学宜取2 m窗高和1∶3.5的窗墙比,但由于放学时间早的原因也可以取1.8 m 的窗高,同时选择1∶3的窗墙比能获得较好的采光。窗高为2 m、窗墙比为1∶3.5的窗墙形态则最适合中学建筑,窗墙比1∶3和1∶4的次之。

2.2 进深方向上工作面照度的突变

进深方向工作面照度的突变及变换会影响使用者的舒适度。

将2、8、14、20、26、32 共 6 个分析点连接起来研究突变的原因,取秋分日15：00点与17：00的数据做成折线图,见图 11、图12。

图11 秋分15点突变折线

图12 秋分 17 点突变折线

从图11、图12中可得发生突变的范围主要为第 2个分析点到第6个分析点,根据分析网格计算发生突变的位置位于距窗边 2.3 m 内范围内。

15∶00时,窗墙比为 1∶3.5,窗高为1.8 m的窗墙形态成了照度突变的分界,窗墙比大于 1∶3.5 时,照度突变较大；17∶00点时当窗墙比大于 1∶3.5时,室内进深方向的突变值主要由窗墙比决定,窗墙比越大,进深方向上工作面照度的值的突变程度就越大,当窗墙比小于1∶3.5时,窗高度越大,进深方向突变越小。

因此,从进深方向工作面照度的突变对使用者舒适度的影响情况来看, 小学建筑更适合小于1∶3.5的窗墙比；中学建筑需同时满足15时与17时进深突变避免过大的情况,可选择小于1∶3.5的窗墙比,同时可适当调高窗高。

2.3 采光均匀度分析

将各分析点的数据利用采光均匀度公式[10]计算。

C=EW/EN×100%

(1)

式中：EN为在全阴天空漫射光照射下,室内给定平面上的某一点由天空漫射光所产生的照度，lx；

EW为在全阴天空漫射光照射下,与室内某一点照度同一时间、同一地点,在室外无遮挡水平面上由天空漫射光所产生的室外照度，lx。

E=Cmin/Cav×100%

(2)

式中：Cmin为采光系数最低值；

Cav为采光系数平均值。

因距窗边 6 个分析点在进深方向上存在突变。

本研究分别将 6 个分析点纳入均匀度计算与不纳入均匀度分别计算绘制采光均匀度折线，见图13～18。

图13 夏至未去分析点均匀度折线

图14 夏至去分析点均匀度折线

图15 秋分未去分析点均匀度折线

图16 秋分去分析点均匀度折线

图17 冬至未去分析点均匀度折线

图18 冬至去分析点均匀度折线

从图11、13、15与图12、14、16对比可以看出,在去掉离窗较近的6个分析点之后,采光的均匀度大大降低,由此可知,窗边 6 个分析点对整个教室平面的采光均匀度有很大的影响,故在平面布置时不宜在这 6 个分析点附近摆放课桌椅。

对图11、13、15进行分析：在夏至和秋分时, 随着窗墙比的变化,采光均匀度无显著的变化,但随着窗高度的增大,采光的均匀性也变好。从图17与图13、15的对比可以看出,冬至的采光均匀性远远没有夏至与秋分的好。当侧窗高为 2.0 m时, 室内的采光均匀性是最好的,且远远超过 1.6 m与1.8 m的窗,并不随窗墙比的改变而浮动,1.6 m 与1.8 m的窗高则对采光均匀度影响不大。

15点时,窗高为1.6 m的室内采光均匀度受窗墙比影响较大且均匀度较低。故在小学建筑的设计过程中建议：在窗高为 1.8 m 时,宜选择 1∶4.5 的窗墙比,此时室内采光均匀性较好；当窗高为 2 m 时,室内采光均匀度受窗墙比制约因素较小,窗墙比为 1∶3 与 1∶3.5 的效果略好于其他几组。17点时,2 m 窗高的室内采光均匀度远大于 1.8 m和1.6 m的窗,故中学建筑宜选择2 m的窗高。此时,在夏至窗墙比对室内照度均匀性影响不大,在秋分和冬至时受较大影响,1∶4 与 1∶4.5 的窗墙比则在这两个日期的室内照度均匀性较好。

3 小 结

1)从进深方向工作面照度的突变对使用者舒适度的影响情况来看,小学建筑更适合小于1∶3.5的窗墙比；中学建筑在选择窗墙比小于1∶3.5的窗墙形态时,同时可适当调高窗高。

2)结合进深方向工作面照度突变与采光均匀度考虑,距窗边 2.3 m 范围内不适宜摆放课桌椅。

3)综合多种因素,小学建筑适合的窗墙比为 1∶3.5,窗高为 1.8 m 左右；中学建筑适合窗墙比为 1∶3.5、1∶4,窗高为 1.8～2 m。

4 不足与展望

1)本文只列举了几个常见情况下有代表性的窗墙比及窗高,实际设计过程中则包含更多窗墙形态可能性。

2)本文只考虑了一年中几个具有代表性的时间节点的工作面照度值。

3)本文并未深入研究自然采光对黑板垂直面上带来的眩光问题及阳光直射导致工作面产生眩光的问题。