南昌大学游泳馆建筑侧窗采光优化设计研究

文／陶文茹 南昌大学建筑工程学院 硕士研究生

引言

光是大自然的最重要的元素之一，在人类营建方面有着非常重要的影响。光不仅能塑造建筑空间氛围，也能改善建筑内部空间的物理环境，提高人在建筑中的居住感受。光不仅仅是在感观上给予人类以热能需求，也在心理上给了人类极大的帮助，太阳光作为取之不尽用之不竭的清洁能源，通过建筑墙面的窗户进入建筑室内，不仅丰富了室内色彩，同时也给室内提供热量和舒适的光环境。因此在建筑设计中合理地利用光是非常重要的。游泳馆建筑作为大型的公共体育类建筑，有着大跨度、大进深的建筑限制，对自然采光的要求较为严格，需要保证游泳馆室内稳定、充足的室内自然光照度，才能满足游泳者使用需求。在大型游泳馆建筑中，通常会采用侧窗采光和天窗采光这两种方式来获得自然采光，《公共建筑节能设计标准》（GB 50189-2015）中规定公共建筑的屋顶透光部分面积不应大于屋顶总面积的20%，使得天窗采光的实际面积受到限制，而侧窗采光没有严格的面积限制，在设计时则可以布置灵活，并且侧窗有利于室内外空间渗透及自然通风等优点，常被运用于游泳馆建筑中。目前大多数的游泳场馆的外立面窗墙比是满足规范需求的，但是很难完全保证泳池区域的天然光照度能达到白天不开灯或者少开灯的程度，由于各地区的光照强度不一致，各地的游泳馆对于外立面开窗面积比例要求也会有所不同，所以如何在满足标准要求的足够光照度的前提下，创建出富有特色的游泳场馆是需要经过一系列分析计算的。

本文以南昌大学游泳馆的室内游泳池区域为研究对象，在侧窗自然采光的情况下，通过分析研究侧窗采光是否满足建筑采光设计标准中的采光系数和室内天然光照度要求等问题。本文利用采光分析软件Ecotect 对其进行模拟分析，并通过对比的方式对南昌地区未来建设游泳馆建筑提出合适的建筑采光设计策略。

1 建筑模型建立以及计算参数

南昌大学游泳馆位于南昌大学3 号门东侧，两层白色建筑，建筑方向东偏北15 度，室内面积1.9 万平方米，一层为健身房和淋浴区，二层为泳池入口，并设有50×25 米标准游泳池和标准跳水区域，目前是江西省设施最为先进、完备的室内游泳场所。建筑整体设施恒温恒控，并设有全自动温控系统，整体建筑顶部为太阳能集热，并设有最先进的数字化监控，可以通过网络监控对各种集热器进行调控，部分屋顶采用可开启式，用以建筑室内采光，但绝大部分时间处于关闭状态。与此同时，建筑侧面设有一系列的条形竖窗用于增加侧面进光量，造型上更优美丰富。

基于实地测量得出本次模拟模型建筑尺度为187×46 米，层高为14.7 米，其中，研究对象室内泳池区域尺寸为76×46 米，层高9.8 ～13.8米不等。由于南昌市位于中国光气候分区中的IV区，所以室外临界照度为4500lux（表1）。

2 相关规范要求

为了在建筑采光设计中，贯彻国家的法律法规和技术经济政策，充分利用天然光，创造良好光环境、节约能源、保护环境和构建绿色建筑，相关部门于2013 年制定了《建筑采光设计标准》（GB 50033-2013），此标准明确了体育类建筑的采光系数和室内天然光照度标准值的要求（表2）。本次实验主要针对侧面采光的条件下，游泳馆室内天然光照度标准值的量。

表2 体育建筑的采光标准值（《建筑采光设计标准》GB 50033-2013）（表格来源：作者自绘）

其中采光系数标准值指的是在规定的室外天然光设计照度下，满足视觉功能要求时的采光系数值；室内天然光照度标准值指的是对应于规定的室外天然光设计照度值和相应的采光系数标准值的参考平面上的照度值。

3 模拟结果分析

本次采光分析仅把泳池空间区域作为研究对象，经计算可得侧窗面积与泳池外立面面积的比值即窗墙比为0.3，经过采光分析软件Ecotect 的分析之后得到数据为采光系数8.28%，室内自然光照度为372.41lux，由图1、图2 可知采光系数在建筑南北侧窗边的数值较大，这一部分基本上都在10%以上，是建筑采光的主要区域。而在东西两侧墙和泳池中间部分则稍微弱于标准值，采光系数大致都在5%左右，但是大体上区别不太明显。

不同于采光系数，由数据可知，室内天然光照度是在整个测试区域的中间，即泳池部分基本上都弱于标准值，并且清楚可知的是室内天然光照度远低于标准值的范围，基本上泳池部分全部都没有到达300lux；而建筑南北侧窗边的数据都在400lux 以上，有的甚至高达1000lux，室内天然光照度的数值区别较为明显。由于游泳馆进深过大的构造特点，导致了室内天然采光照度在室内不同区域内有明显的数据偏差，在越接近窗的区域，采光照度越强，而泳池区域则明显变弱，特别是中心区域，可明显看出采光照度不足。

在《建筑采光设计标准》（GB 50033-2013）中规定的标准是采光系数标准值和室内天然光照度标准值应为参考平面上的平均值。由数值可知，模型数据室内自然光照度为372.41lux是超过了规范所设置的平均值的，所以在定义上，南昌大学游泳馆的游泳池部分是满足《建筑采光设计标准》中对于采光系数与室内天然光照度的相关标准的，是可以满足运动员日常训练或娱乐活动的。

4 对比分析

由已知资料得知建筑外立面的开窗方式对建筑内部的采光系数和室内天然光照度的数值会有一定的影响，所以本次测试只针对于南昌大学游泳馆的侧面开窗方式为研究对象，即一系列竖向条形窗，对比方案也只是在南昌大学游泳馆模型的基础上加以修改，在数量模型中，仅改动条形窗的尺寸大小以及增加或减少条形窗的数目量，做单一变量的数据对比，得到大致所需要的窗墙比。

还有其他类似于开窗方式、开窗的角度是如何影响采光系数和室内天然光照度，均不在本论文中加以讨论。

本次对比分析所选取泳池的侧窗面积与外立面面积的比值即窗墙比分别为0.19、0.25、0.3、0.34、0.41。其中面积单位为平方米（m2），照度单位为勒克司度（lux），分析数据如表3、图3。

表3 不同窗墙比下的采光系数以及采光照度（表格来源：作者自绘）

从图4、图5 中可以看出，当窗墙比随着线性增加时，采光系数和室内天然光照度也基本成线性增长趋势，而根据《建筑采光设计标准》（GB 50033-2013）中的要求，体育建筑训练场所要求的室内天然光照度标准值为300lux，从图中可以知道，当游泳馆泳池空间建筑外立面窗墙比为0.2 以上时，即可以满足国家规范对室内天然光照度的要求，也能满足对采光系数的要求。然而由于体育建筑空间大，水面会影响光的折射和反射，进而真正要达到游泳池区域的室内天然光照度应该要使窗墙比在0.35 到0.4 之间，这样才能使得泳池区域基本达到300lux 的照度，从而满足游泳者基本的训练和娱乐要求。

与此同时，规范标准要求整个体育建筑采光系数标准值要达到2%，但不同位置会导致进光量不同，入口区域及泳池周围过道进光量会明显大于泳池，所以要保证泳池区域天然光强度达到2%时，其窗墙比在0.35 到0.4 之间，比值过大会造成进光量过多而导致反射眩光等问题。

当人的视线感触到光亮度的分布差距大时，特别是在空间或时间上存在着极端的亮度对比，则会引发不舒适眩光，降低视觉条件。由图可知南昌大学游泳馆泳池空间室内天然光照度有着较大的亮度对比，泳池区域与建筑外立面甚至达到了500lux 以上的照度值差距。这必然会产生部分的不舒适眩光，但是这是侧窗采光必然会产生的一个现象。其次泳池内部空间巨大，水面也会波动，随着光线的不稳定性，斜射光线打入水面从而导致的眩光也会对人产生影响。

要避免这一情况，可在侧立面增加遮光材料来限制光线，而根据《室内工作系统照明》（GB／T 13379—1992）第4.4.2 条规定，减小窗户眩光的措施有：①采用室内外遮挡措施降低窗亮度或减少天空视域；②工作人员的视线不宜面对窗口；③在不降低采光窗数目的前提下，提高窗户周围表面的反射比和亮度。但这在很大程度上失去了侧窗采光的意义。

5 采光节能分析

游泳馆若仅采用全天然采光，的确可以节省能源，但是对于大型公共建筑来说，特别是游泳馆建筑这种体量大、进深大的建筑来说，仅靠天然采光恐怕很难维持建筑对光线的要求，所以常用的做法就是将天然采光与人工照明相结合。在不同时间段、不同的区域内进行合理的安排，保证天然采光与人工照明相配合，既可以节约能源又可以减少直射光线的影响。

在建筑物采光节能中，需要充分地考虑各种热工和采光的影响，应选取符合采光规范的照明措施，特别是游泳馆这种大型、大跨公共建筑，应该考虑顶部照明等与自然光相结合的照明设备。而在考虑侧面采光设备时，需要考虑与侧面遮阳相调节的设施。

南昌大学游泳馆就是利用这种方式进行采光，游泳池区域共45 盏照明用灯，每台功率为240W。

《建筑采光设计标准》GB 50033-2013 中节能计算公式：

其中A ＝76×46m ＝3496m2，Pn ＝45×240 ＝10800W，Td ＝2789h，t′D ＝235h，FD ＝1，F′D ＝0.5。

经计算We ＝31390.2（kWh/年），Ue ＝8.98（kWh/m2·年）即每年可以节省31390.2 千瓦时的照明用电量，相当于每平方米每年可节省8.98 千瓦时的照明用电量。现如今国家乃至整个社会都在提倡碳中和，节省部内电能源在提倡绿色节约能源的如今是非常值得推崇的。而要进一步增大节省的年照明用电量We，公式中可以变动的只有tD 和t′D，所以要尽可能地多利用天然光，使得全部利用天然采光的时数tD 增大，这样可以节省更多的照明用电量，为创造更加低碳的社会作出贡献。

结论

在完成一系列的实验之后，得到了以下关于南昌地区的游泳馆建筑侧窗采光优化策略的结论：

（1）南昌地区未来建设游泳馆，应充分考虑场地的特点，就建筑方向东偏北15 度来看，泳池空间部分的窗墙比至少在0.2 以上，才能满足建筑采光设计标准；而为了满足泳池部分整体室内天然光照度达到300lux，则泳池空间部分的窗墙比应该在0.35 ～0.4 之间，同时要特别注意对泳池空间的利用。

（2）建筑只采用侧窗采光时候，通常容易产生不舒适眩光，视线偏差可视条件差等问题，为消除这些现象，可以采用以下措施：第一，利用室内外遮挡措施，如多重遮阳、降低窗亮度、减少天空视区域亮度变化窗的光线角度等。第二，工作人员及使用者的视线不直接面对窗口；巧妙设置入口下水等位置，减少直视窗口的可能性。第三，在建筑本身不降低采光窗数目的前提下，提高窗户周围表面的反射比和亮度，从而提高窗户周围的对比度，以减少眩光。这些措施都可以有效地减少眩光对运动员造成的干扰。

（3）在前期方案设计时，应根据不同地区的光照特点，根据地形特点，采取相对有效的设计及结构措施，尽可能地充分利用好自然光，在满足建筑采光设计标准的前提下，尽可能多地利用天然光照明，从而节约能源。同时在装修设计时，应该提早考虑到自然光与灯光相配合，考虑延长室内使用时间。

（4）在游泳馆建筑采光设备的选择上，对于大跨度、大进深应考虑顶部采光设备及导光管采光设备，在导光材料的选择上透射率不应该低于5%，侧面采光时，可考虑增加棱镜改变光线入射角度及增加反光板改善大进深建筑的采光。