天然采光模型应用与分析的探索性实验

衡 涛，张建红，范文芹

(1.深圳大学建筑与城市规划学院，广东 深圳 518060；2.甘肃省文县碧口小学，甘肃 陇南 746412；3.西北师范大学 物电学院，甘肃 兰州 730070)

1 引言

天然采光就是将日光引入建筑内部，并且将其按一定的方式分配，提供比人工光源更理想、更好的照明。天然采光不但可以减少照明用电，还可以营造一个动态的室内环境，形成比人工照明系统更为健康和兴奋的工作环境，开拓视野，放松神经，有益于室内人员身体和身心健康[1]。作为一个建筑专业的本科学生，有必要掌握天然采光口与采光性能之间的关系，从而能够让学生更深层次的理解和掌握天然采光的重要性，激发学生对建筑物采光设计兴趣，开发学生对绿色节能建筑的创造性，提高学生对采光口的形状、位置与室内的采光系数、采光均匀性的测试与分析能力，掌握采光口的形状、位置与采光系数、采光均匀性之间的规律，提高学生对节能降耗的认识，为今后设计的建筑物符合低碳环保要求打好良好基础。

该实验模式与传统实验模式相比较，首先以学生为实验主体，指导教师为辅的主导形式。提出实验目的和要求，让学生自己探索性设计一套科学、合理实验方案，然后带着问题进行实验，在实验过程中解决问题，通过实验找到最佳的一种设计方案[2，3]。另外教师在实验中要审阅学生的实验方案，回答学生提出的问题，与学生共同探讨实验方案和内容，要求教师具备比较广阔的知识面，和启发学生勤于思考的能力，促进了教师业务水平的提高，提高了学生主观能动性的能力[2～7]。

通过探索性实验，让学生进一步掌握了建筑物采光与采光形式、采光面积、采光位置之间的关系，让学生对建筑物采光设计有初步的了解和认识。

2 天然采光模型的探索性实验体系

天然采光模型实验要求学生综合运用课堂教学多个知识点的理论内容，判断和分析建筑采光口位置、采光口形式等对建筑物光环境的影响，通过知识结构重组来寻求实验求解途径。在进行理论知识综合的基础上，由学生自己制定相应的建筑模型，鼓励学生结合课外科技论文、期刊阅读来探求不同的实验方案[7～9]。

实验要求在全阴天气候条件下进行，具备开窗位置、开窗形式以及开窗大小等边界条件，通过室内采光系数和照度均匀度值，对室内物理光环境做出综合性评价[7～9]。

实验过程中，教师主要针对实验内容所涉及的各种建筑物采光的标准和要求等进行讲解，具体实验方法和操作则完全由学生独立完成。

3 实验目的及具体实施方案

通过实验，学生对建筑的不同采光口，及其对建筑采光环境产生的综合影响有更为全面和深刻的理解、认识，通过实验学生可以达到以下目的：

①加强学生对天然采光中的各个知识点的理解和掌握。

②根据若干教室模型实验数据，找出最佳采光口位置和形式。

③通过不同的实验模型，找出采光口位置、大小与采光系数、室内照度、室外照度之间的关系。

实验对象为建筑学院09～11级本科学生，每次共分12组。实验模型类型主要为：窗墙面积比为1∶5、1∶4.5、1∶4、1∶3.5、1∶3、1∶2.5；窗距地面距离为0.8米、1.0米、1.2米；不同侧窗形式正方形和矩形(宽长比1∶1.5)，共36种模型，每种模型必须有两组同学分别进行测试，可以避免实验中产生的人为误差。

学生利用了理论课程中多个知识点和理论公式，可以让学生更好的把理论与实践相结合。主要采光利用采光系数公式[13]：

(1)

式中En——室内给定水平面上某一点的全阴天天空漫反射产生的照度；

Ew——室外无遮挡水平面上全阴天天空漫反射产生的照度。

利用采光均匀度公式[13]：

(2)

式中 Cmin——采光系数最低值；

Cav——采光系数平均值。

4 实验操作过程

学校教室是教与学的场所，教室在建筑和设备方面是否符合卫生学要求，将直接影响到学生的生长发育和学习效果。根据国家统计局城调队于1999年的调查结果，我国学生的视力低下率状况已经到了非常严重的程度[10][11]。所以模拟对象为一标准教室，教室长10米，宽6米，高3.5米，采用单面侧窗采光，共两个窗户，模型采用1∶17比例缩小。模型内采用12点均匀布点测试，测点平面图见图1。

为给学生提供更多的创造空间，学生自己选择实验时间，利用模型室按照一定比例制作建筑模型，见图2，模型完成后按照提前预约的时间进行实验。仪器主要操作过程：

图1 测点分布图Fig.1 Testing spot distribution

图2 测试模型Fig.2 Testing model

①利用人工模拟天穹进行采光实验已经有多年的发展历史，但现在国内科研院所尤其是各大高校中，多以教学演示为主，真正提升到应用层面的不是很多[12]。所以我们利用人工天穹模拟全阴天光环境，打开调光器电源，见图3，三路调光器旋钮处于最小处。

图3 调光器Fig.3 Dimmer

②打开日光灯电源，使日光灯全亮，开3～5分钟后测试。

③取球体表面任意一条经线，使得天顶亮度是接近地平线处天空亮度的3倍[13]。计算公式为：

式中LZ——天顶亮度；

Lθ——地平线处亮度；

θ——测点切面与地面夹角。

④模型内照度用无线照度计测量，见图4，采用均匀布点法测试，共12个测点，每个测点测3个值，照度取平均值。

图4 无线照度计Fig.4 Illuminometer

5 主要实验成果

实验共测试了上千组数据，实验数据分析图表达到了100张，并依据照度值及相应理论公式，分别计算出了36种模型的采光系数和均匀度。 图5～图10为不同侧窗采光口面积(窗墙面积比1∶5、1∶4.5、1∶4、1∶3.5、1∶3、1∶2.5)、不同侧窗位置(距地为0.8米、1.0米、1.2米)、不同侧窗形式(矩形、正方形)时，教室模型内的采光系数与测点的关系图。横坐标为测点(共12个测点)，纵坐标为采光系数，图中采光系数均按照公式(1)进行计算[10]，依据《建筑采光设计标准》深圳市位于光气候Ⅲ类区，室外临界照度值取5000lx，K值取1.00[14]。

图5 窗口为正方形、距地面0.8米教室模型Fig.5 Classroom model 1

图6 窗口为矩形、距地面0.8米教室模型Fig.6 Classroom model 2

图7 窗口为正方形、距地面1.0米教室模型Fig.7 Classroom model 3

图8 窗口为矩形、距地面1.0米教室模型Fig.8 Classroom model 4

图9 窗口为正方形、距地面1.2米教室模型Fig.9 Classroom model 5

图10 窗口为矩形、距地面1.2米教室模型Fig.10 Classroom model 6

可以从图5中得到：不论哪种采光口形式，采光系数与测点之间的关系曲线趋势总体都是相似的。窗墙比为1∶2.5和1∶3.0的教室模型中，靠窗户的4个测点采光系数明显高于其他8个测点，室内越靠近窗户点采光系数越大。随着离窗户的距离增大，采光系数大幅降低，超过教室中心点后，采光系数降低幅度减小，整个教室内的均匀性较差。窗墙比为1∶3.5～1∶5.0时，模型中12个测点的采光系数变化幅度相对较小，说明在墙窗比小于1∶3.5时，测点不会随着离窗户距离增大出现照度迅速降低的现象，整个教室内的均匀性较好。

图11为所有类型模型的采光系数分布图，横坐标1代表窗墙比为1∶2.5，横坐标2代表窗墙比为1∶3、横坐标3代表窗墙比为1∶3.5，横坐标4代表窗墙比为1∶4，横坐标6代表窗墙比为1∶4.5，横坐标6代表窗墙比为1∶5。图标示意中，“矩形”代表窗户形状，“0.8米”代表窗户距地面距离，例如：“矩形0.8米”表示窗户为矩形，窗距地面距离为0.8米。

图11 不同采光口的采光系数分布图Fig.11 Daylighting coefficient distribution

从图11中可以看出，窗墙比为1∶2.5和1∶3时，教室模型的采光系数最大。在窗墙比为1∶3.5～1∶5.0时，采光系数减小幅度很小，几乎处于一种平稳状态。在窗墙比为1∶5时，采光系数降到了最小值。

图12为均匀度分布图，横坐标表示窗墙比，点1代表窗墙比为1∶2.5，点2代表窗墙比为1∶3、点3代表窗墙比为1∶3.5，点4代表窗墙比为1∶4，点5代表窗墙比为1∶4.5，点6代表窗墙比为1∶5。随着窗墙比的减小，均匀度逐渐增大，当窗墙比超过1∶3.5时，教室内均匀度处于相对平稳状态，室内均匀度变化幅度较小。

图12 不同采光口的均匀度分布图Fig.12 Uniformity distribution

6 实验结论

综合上述实验计算与分析结果，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。依据建筑物采光相关规范，深圳地区教室内采光系数不应低于0.02[14]。依据《深圳市居住建筑节能设计标准实施细则》SJG 15—2005中规定，建筑物朝向不同窗墙比应小于0.3～0.5[15]。根据该探索性实验得到的实验数据，对不同采光口大小、位置、形式与采光光系数与均匀度之间关系进行综合分析，在不考虑建筑物结构和功能需求因数时，从节能方面考虑，建议教室的窗墙比大于1∶3.5；从室内照明均匀度方面考虑，建议教室的窗墙比小于

1∶3.5。窗墙比1∶3.5为采光系数与与均匀度的临界点，考虑综合性因数影响，教室的窗墙比为1∶3.5为最佳状态。

[1] 陈红兵，李德英，邵宗义，等. 办公建筑的天然采光实验研究[J].建筑科学, 2006(6)：15～17.

[2] 衡涛，范文芹. 全开放性实验教学在高等教育中的应用[J].实验室研究与探索，2011(8):336～339.

[3] 郑道明，李保林，刘艳莉. 浅谈基础实验室开放[J]. 实验室研究与探索，2003(1):18～19.

[4] 于永友.在实验教学中培养学生综台能力[J]. 实验室研究与探索，2000,19(1)；25～27.

[5] 阵鲁勇.提高实验教学质量的实践与探索[J]. 实验室研究与探索，2001，20(6)；33～36.

[6] 王光义.实验教学理念与创新能力培养[J].实验室研究与探索，2008，27(8)：76～78.

[7] 刘琳，戴立玲，卢章平. 基于无眩光效应的教室照明优化设计[J].照明工程学报，2008(19):37～41.

[8] 江德明. 窗墙比对居住建筑能耗的影响[J]. 建筑技术, 2009(12)：39～45,1099～1102.

[9] 董海广，许淑惠. 北京地区窗墙比和遮阳对住宅建筑能好的影响[J]. 建筑节能, 2010，(9)：66～69.

[10] 孟超. 北京市部分学校教室采光照明现状分析[J].照明工程学报, 2006(1)：37～41.

[11] 鲁彦，祝丽玲，满大鹏，等. 三种不同类型教室采光及照明的状况分析[J].黑龙江医药科学, 2005(4)：58～59.

[12] 刘磊实. 人工模拟天穹及建筑模型采光实验探讨 [J]. 城市化进程中的建筑与城市物理环境：第十届全国建筑物理学术会议论文集，2008：205～209.

[13] 柳孝图. 建筑物理[M].北京：中国建筑工业出版社，2008.

[14] 中华人民共和国建设部. GB/T 50033—2001建筑采光设计标准[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2001.

[15] 深圳市建筑科学研究院. SJG 15—2005 深圳市居住建筑节能设计标准实施细则[S].2005.