基于采光能效概念的住宅采光窗口设计研究*

2010-08-08李桂文赵建平

照明工程学报 2010年4期

张滨李桂文赵建平

(1.哈尔滨工业大学建筑学院，哈尔滨 150006;2.中国建筑科学研究院，北京 100044)

1 前言

路易斯·康在一次对窗户的讨论中提到:“窗户是一种自然照明设备，因为它对光线进行分配，这不同于一般的人工设施，他虽然是一种设备、一台小型机器，但不需要发动机。它只是一种经过精心思考的形状。［1］”在天然光环境设计的角度，建筑、房间和窗户的形式都决定了天然光的摄入量，它不仅可以对天然光进行分配，影响人工照明，并可以影响热量摄取或热量损失及通风。窗户可以为室内提供理想的采光条件，室外景观也尽收眼底，人们都希望能拥有这种宜人的感觉，于是大面积的玻璃窗在住宅中越来越普遍，甚至是在寒冷和严寒地区。窗户是节能设计的薄弱环节，窗户的热工性能比外墙差很多，窗越大，温差传热量越多，虽然目前的窗体和玻璃技术可以有效地降低窗户的传热系数，但是从减低建筑能耗的角度出发，我国的节能标准中作为强制性条文明确地限制了不同朝向住宅建筑的窗墙面积比。在这种情况下，采光与节能对于窗户形式的双重要求就在一定程度上形成了矛盾，对于建筑师来说，应该如何在建筑设计初期通过对建筑和窗户形式的设计有效地平衡这种矛盾呢?针对这一问题，本文提出了“采光能效”的概念，其目的是使建筑师了解建筑和窗户形式的变化对建筑采光和耗热的影响作用和规律，以及两者之间的变化关系，从而可以有效地从环境性能和节能设计的角度进行方案设计和调整。

图1 采光能效的概念图解

2 采光能效的概念和内涵

在建筑设计中建筑形式的变化可以改变室内的采光效果同时也会引起耗热量指标的变化，但是建筑形式变化之于建筑采光和耗热量指标影响的效果应该如何比较，如何描述两者的变化关系，如何在保证采光效果的前提下对两者的变化关系进行设计权衡和判断，是本文希望能够利用“采光能效”这一概念来说明的问题。其概念为:当建筑形式发生变化时，同一变化条件引起的计算点的采光系数相对于建筑耗热量指标的平均变化率，即在某一变化过程中采光系数相对于建筑耗热量指标变化的快慢程度。

但是采光系数和建筑耗热量指标两者单位不同、级数不同、物理意义也不相同，在具体的应用中，为了使数据具有可参照性，消除建筑采光和建筑耗热量指标两者在单位、量级上的差异，首先应用极值处理法对其进行指标的无量纲化处理。极值处理法的表达式为［2，3］:

式中，xij表示第i个被评价指标在第j个指标上的值，即 xj(j=1，2，…，m)的观测值为{xij|i=1，2，…，m;j= 1，2，…，m}。Mj= max{xij}，mj=min{xij}。该方法在本文的具体应用过程可以表示为，在同一种建筑形式的变化过程区间中，某一点的采光系数和建筑耗热量的变化量与整个过程的各自的最大变化量相比，使两者的计算结果都在 (0～1)之间，通过这样的计算使两者转换成为具有可比性的数值。根据采光能效的定义，采光系数和建筑耗热量指标的关系可表示为图1，由图1可知，采光能效的概念，可由下式表示:

式中，η为采光能效值，该值即为函数 f(q′H)从 q′H1到 q′H2的平均变化率。

图2 采光能效变化规律示意图

当如图1所示的采光能效概念的图解呈线性关系变化时，表示整个变化过程中采光能效的值不变，直线的斜率为该条件下的采光能效值;当呈非线性关系变化时A点与B点直线的斜率即是自A点至B点的平均采光能效;而曲线上某点的切线斜率即为该点的采光能效值。

在不同设计要求下，采光系数和建筑耗热量指标的变化关系可以表示为图2中的四种情况，其中区域B中的曲线表示随着采光系数值的增加，建筑耗热量指标减小，这种情况为最理想的设计结果，设计师在这种情况下不需要对采光和建筑耗热两者进行权衡和比较;区域D中两者的变化关系为随着采光系数的减小，建筑耗热量指标增加，这种情况是不利于建筑室内物理环境指标的变化形式，在设计中应避免这种情况的出现，所以本文关于“采光能效”讨论不包括区域B和D所描述的两种情况。

3 住宅不同空间采光能效值的确定

图2中A和C区域中采光系数和建筑耗热量的变化过程都是一种反作用的作用方式，这时在保持有利于室内环境质量的一种因素的变化趋势下，另一因素则向着不利于室内环境质量的一方发展，当这种变化趋势不可避免时，需要对不利的一方进行约束，该约束值的确定取决一定功能的空间中采光质量和建筑节能在环境整体评价中的权重，也可以理解为采光质量相对于建筑节能的重要性程度。采光能效值作为判断采光系数相对于耗热量变化的快慢程度的衡量指标，是表达两者变化量关系的量值。从变化的角度理解，采光相对于建筑耗热量的重要性程度，可以理解为当采光系数变化单位物理量时，建筑耗热量指标相应所变化的量，也即是采光能效值。

基于此，本文利用专家打分的方法，请15位建筑光学和建筑热工方面的专家对住宅不同功能空间中采光与节能权重进行了打分，分析结果如表1所示。

表1 不同住宅空间采光能效分析表

以卧室为例，当采光能效值呈现区域A的变化规律时，变化相同采光系数时建筑耗热量指标的增加量逐渐加大，当采光能效值为0.86时，建筑耗热量指标的变化量为1，等于两者的权重比值，当采光系数继续增加时，采光能效值的值小于0.86时，这时采光系数相对于建筑耗热量指标的的变化速度变慢，超出了约束值的范围，所以在这种情况下0.86是卧室采光能效值的最小值。在住宅卧室的天然光环境设计中，当采光能效值小于于0.86则认为采光系数与建筑耗热量的相对增加速度是不利于室内物理环境的综合效果的，是不经济的，应该在满足采光设计标准的前提下，适当的减小窗户面积，或利用适宜的建筑节能技术减小建筑的耗热量指标。同理可得当两者呈现区域C中所示的变化规律时，0.86为采光能效的最大值。

4 以窗户面积为条件的采光能效计算与应用

至此，采光能效的概念得以比较全面的呈现，而这一概念涉及到了室内物理环境设计的不同层面，在具体的设计实践如何应用，还需要从实践的角度认识和说明。

本文利用Daysim软件对图3所示户型中的主卧室进行了采光分析，如图，主卧室朝向为南向，层高2900mm，采光窗的宽度为1800mm，窗高为2000mm，窗台高度为300mm，窗墙面积比为0.31。设房间墙面、屋顶和地面的反射比分别为0.75、0.75和0.35，中空玻璃的透射比取0.81，窗结构的挡光折减系数取0.75，窗玻璃的污染折减系数取0.9，取A点为计算点，软件的分析结果见图4。由图中可见，A点的采光系数为0.71，不满足采光设计标准的要求，需要改变窗户形式以改善室内的采光效果。使用增加窗洞口面积的方法来改变A点的采光系数时，选择增加窗户宽度和减少窗上沿高度两种方法，对主卧室的采光窗面积进行调整以改善A点的采光系数值。

(1)增加窗户宽度

在原有窗户面积的基础上，依次增加窗户的宽度，使窗墙面积比在0.3～0.5之间变化，可得室内A点的采光能效的示意图，如图5所示，说明随着窗户宽度的增加采光能效的值保持不变，与上一节的分析结果相同，此时采光能效的值等于直线的斜率，为1.09大于1，即在整个变化过程中采光系数和建筑耗热量指标的相对变化速度都在合理的范围之内。在采光能效的计算过程中可得当窗户宽度为2400mm时，A点的采光系数可以达到1%，窗户宽度为2400mm时，A点的采光系数值见图6，可见此时A点的采光系数为1.07%，窗墙面积比为0.42，满足了建筑采光设计标准和住宅建筑节能标准的要求。

图3 户型示意图

图4 采光系数分析结果1

图5 变化窗户宽度时采光能效分析结果

图6 采光系数分析结果2

(2)增加窗户高度

同样以原有窗户为基础，在窗墙面积比允许的范围内，依次减少窗户上沿的高度以增加窗户的高度，可得室内A点的采光能效的示意图，如图7所示，由图中可以看出以窗户上沿高度变化为条件时，采光能效的值随窗户面积的变化而变化，当采光能效的值0.86时，所对应的点为M点，取M点即为变化窗户上沿高度时的临界点，此时窗户高度为2200mm时，窗墙面积比为0.35，A点的采光系数值见图8，由图中可知，此时A点的采光系数值为0.98%，接近于1%。而当采光能效临界点对应的采光系数不能满足建筑采光设计标准的要求时，应另行选择其它采光能效值较大的变化条件进行调整，达到最大程度的节约建筑能耗的目的。