基于Ecotect的小学教室不同开窗形式采光模拟分析

刘士鹏，王 薇

（河南工业大学，河南 郑州450000）

1 研究目的

在当今社会，随着人们生活水平的提高，人们对生活空间舒适度的要求越来越高，并且发现自然光不仅可以带来良好的视觉效果，而且对人们的身心健康也起积极作用。在教育类建筑设计时，自然采光对它具有更加重要的意义，由于教育类建筑使用功能的特殊性，教室内部的光环境质量要求更高，在满足足够照度的同时，还要避免学生在学习过程中出现眩光的情况。目前我国教育水平不断提高，学校的建设也在不断增加，但是形式却太过单一，忽视建筑本身的节能和建筑使用过程中的舒适度；而且随着施工技术的提高，开窗面积也不断增大，但是建筑门窗的保温隔热效果并不好，使用者为提高室内的舒适度，大量使用机械照明，人工采暖等方式改善生活空间的舒适度，致使建筑能耗增加；而且在学生使用过程中，大面积开窗容易导致在工作面产生直射光，影响学生的使用。本文以郑州地区普通教室标准化模型为例，通过分析郑州地区的气候特点，研究普通教室不同开窗形式，并经过Ecotect模拟分析不同开窗形式的模拟对室内空间自然采光系数和照度的影响，选择合适的开窗形式以及高度，高效利用自然光，减少建筑的能耗。

2 模拟软件介绍

Ecotect是英国Square One公司开发的生态建筑设计软件，它可以更加直观地模拟出一些数据，在设计过程中进行全面的辅助，便于设计师对自己的设计有更加深入的分析。它是方便快捷而且清晰直观的设计辅助软件，将模型导入软件当中，就可以通过计算得出一个数字化的可视化分析图，可以更加直观地看出来设计的效果，在设计逐渐深入过程中，该软件对模型的分析结果也更加详细准确。当然也是更加便捷和清晰，显示结果也变得更加一目了然。

本文主要采用Ecotect对小学普通教室的室内光环境进行模拟，并分析判断其开窗形式对室内空间的自然采光的影响。

3 郑州地区气候分析

本文以郑州为研究对象，使用Weather Tool软件对郑州地区进行气象数据的分析。郑州位于河南的中部偏北，郑州市年平均气温为14.3℃，夏热冬冷，秋日晴和。夏季最热月7月平均气温为27.4℃，最高气温为39.6℃；冬季最冷月1月平均气温为0.4℃，最低气温为-10℃，平均年降水量约为640.9mm。

利用Weather Tool软件模拟得出郑州地区建筑的最佳朝向分析图（见图1）和全年郑州地区太阳的运行轨迹分析图（见图2），从图1中可以看出，郑州地区建筑的较好朝向为南偏西30°至南偏东30°，最佳朝向为南偏西6°，不易朝向西方或西北方向，在教育类建筑设计时应该充分考虑该因素，确定最佳朝向，改善室内的光环境，有效利用自然光，减少建筑运行过程中的能耗。

图1 郑州地区建筑最佳朝向

图2 郑州地区太阳运行轨迹

4 建立普通教室基本模型进行自然采光分析

4.1 仿真教室模型的基本概况

通过对郑州市小学的调研，并且根据对郑州市小学教室的调研和相关规范的规定，普通教学教室的尺度一般为6.6m×9m或6.9m×9m，层高为3.6m。本文建立一个东西长为9m，南北纵深为6.9m，高度为3.6m；前后各一个宽0.9m，高2m的门，外窗面积15m2的仿真建筑模型。从Ecotect内部材质库中设置墙体为钢筋混泥土墙，门设置成木材质，玻璃选择LOW-E中空双层玻璃。保持其他参数不变，采用不同的开窗形式用Ecotect模拟分析，探究出普通小学教师最适合的开窗形式。

4.2 用Ecotect对模型不同开窗形式进行模拟

合理利用自然采光对于建筑在建设和使用过程中起着十分重要的作用。一个好的建筑设计在满足节能的同时，更重要的是让使用者得到更加舒适的使用体验。合理的开窗形式以及开窗高度都会影响到室内工作面的照度和采光系数，对教育类建筑而言，这显得更加重要，过强的自然光会出现眩光现象，而自然光不足则会使教室内部过于昏暗，影响学生的学习。我们通过改变教室开窗形式以及开窗的高度，用Ecotect对仿真模型进行模拟，对采光系数和照度图像进行分析，探究合适的开窗形式。

4.2.1 窗户形状对室内光照的影响

在保证窗洞口面积相同时，改变仿真模型窗洞口的形状，分别设置正方形洞口，横向长窗洞口和竖向长窗洞口进行模拟（见图3），从图3中可以看出正方形开窗的采光系数为18.77%，横向长窗的采光系数为18.16%，竖向长窗的采光系数为17.87%，所以正方形窗户的采光系数最好。从采光照度来看，三种开窗形式并没有太大区别，所以对小学普通教室这种不是长宽适宜的房间易使用偏向正方形的窗户来保证教室内部的自然采光。

4.2.2 窗户布置方式对室内光照的影响

在保证相同的开窗面积时，改变仿真模型窗洞的布置形式，对仿真模型集中开窗和分散布置窗洞进行模拟，在开窗面积都为15m2，窗台高度都是900mm，工作面高度为800mm时，当集中布置窗户时平均采光系数为9%，平均照度为720.38lux，并且光线分布不均匀，容易出现眩光和室内昏暗的情况；当分散布置开窗是平均采光系数为9.31%，平均照度为744.6lux，采光效果明显优于集中布置窗户，所以在小学普通教室设计时，尽量选择分散布置开窗来保证室内更加舒适的自然。

图3 不同形状窗户模拟图像

4.2.3 窗台的高度对室内采光的影响

对室内进深的采光，最重要的影响因素就是窗台的高度。在开窗面积与开窗形式相同时，改变窗台的高度，将900mm的窗台改变为1200mm，使用仿真模型进行模拟，当改变窗台高度时，室内的采光系数分布也有所改变，从图3中可以看出，当窗台较低时，在窗户附近的采光系数比较高，而且向内部下降速度极快，当增加窗台高度时，虽然接近窗口的地方采光系数并没有原来高，但是较远处缺有了明显的改善，室内采光的均匀性也得到了提升。

通过上述几种开窗形式的对比模拟分析，在不考虑其他因素的影响情况下，综合室内平均自然采光照度和平均采光系数来看，在小学普通教室设计时，应该避免集中大量布置窗户，另外通过调节窗台的高度，来使室内的自然光更加均匀舒适，既能达到自然采光的要求，也能让使用者得到更加好的使用体验。所以通过选择合理的开窗方式，达到改善室内的光环境，降低建筑的能耗目的。

5 结论

本文从郑州地区的气候特点，以及教育类建筑的特殊性着手，对小学普通教室的开窗形式进行一定的模拟分析，基于Ecotect对开窗形式，高度等方面入手，进行自然光整体分析，针对于设计小学普通教室的自然采光给出一定的理论依据。但是在实际的运用过程中，有很多其他因素对室内采光情况也起着很大的影响作用，例如室内空间的大小、形状、高度等因素，所以我们还需要更多的实践和检验，选择更加合适的开窗形式及位置，设计出更加环保节能的建筑作品。