窗户尺寸影响室内采光的模拟研究

查全芳，方廷勇

(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601)



窗户尺寸影响室内采光的模拟研究

查全芳，方廷勇

(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601)

摘要：建筑室内的光环境对于它自身的使用功能有着极其重要的影响，而影响建筑室内光环境的因素有很多，有建筑周边环境的遮挡、建筑室内装饰以及窗口的设计等。本文结合合肥地区的光气候特点，利用光环境模拟软件Ecotect来分析窗户尺寸对建筑室内自然采光的影响，通过改变窗墙比、窗台高以及窗户外形等几个方面来改善建筑的室内光环境。

关键词：自然采光；采光系数；Ecotect

0引言

伴随着我国经济的飞速发展，能源资源不足以及生态环境恶化的矛盾日益显现，保护环境、节约资源已成为热门的讨论话题。目前建筑规模迅速扩大，出于对建筑节能的考虑，充分利用自然光为建筑提供良好的室内环境能够节省大量的建筑能耗。而且自然光作为一种自然的、为人们所习惯的光源，也能够最大程度的改善建筑室内的舒适度，营造良好的工作生活环境。此外，自然光由于其再生性和无污染而成为一种清洁光源，大量使用自然光可以在降低污染的同时又能节约资源，对生态保护和节约能源都有着积极的作用[1]。

建筑自然采光的影响因素有很多，为了最大程度的为建筑室内人员提供最佳的室内环境，就要建筑师通过窗口的尺寸设计来充分利用自然采光，从而减少人工照明，节约资源。这些都是现代建筑设计中亟待解决的问题。

1采光系数和ecotect软件介绍

建筑室内光环境的评价因素有光通量、照度和采光系数，本文主要通过采光系数这一因素来评价办公建筑室内的光环境状况[2]。建筑室外照度是经常变化的，这必然使室内照度随之而变，不可能是一个固定值，因此对采光数量的要求都用相对值。这一相对值就是采光系数，它是在全阴天空漫反射光照射下，室内给定水平面上的某一点由天空漫反射光所产生的照度和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反射所产生的照度的比值[3]。

室内某一点天然采光系数=该点的照度值/室外无遮挡照度值

采光系数体现的是全年中最不利天气条件下的采光状况，使用的是全阴天模型，与太阳位置无关。而且在同一工况下，建筑室外的照度越高，相应的室内照度就越高，但是它们的比值，即自然采光系数是相同的，所以本文通过自然采光系数的变化来反应办公建筑室内的光环境状况[4]。

Ecotect最初是由英国Square One公司开发的生态建筑设计软件，2008年被美国 Autodesk 公司收购，它主要用于建筑方案的初步设计阶段，Ecotect涵盖了热环境、风环境、声环境、日照、可视度等多种建筑物理环境，在光环境模拟方面Ecotect 采用的CIE全阴天天空模型，考虑的是最不利状况下计算出的自然采光系数,对建筑综合采光评价很实用，软件自身带有建模功能，方便快捷。模拟计算速度快，操作简单，结果直观明了，但精度不是很高，可以生成报表。Ecotect还可以输出到Radiance中进行晴天天空的采光和照明的模拟计算。因此Ecotect 被广泛的运用到建筑采光设计当中[5]。

影响建筑室内自然采光的因素有很多，如室外建筑遮挡、窗户玻璃的透光率、窗墙面积比、窗户的朝向、窗台的高度、遮阳措施、大地反射等，其中很多因素是与房间的窗户尺寸设计有关。本文主要是针对合肥地区的光气候特点，利用光环境模拟软件Ecotect来分析窗户尺寸对建筑室内自然采光的影响，通过改变窗体本身的因素，模拟是否可以通过改变窗墙比、窗台高以及窗户外形等几方面来改善建筑的室内光环境[6]。

2模型的建立和工况的设置

2.1　模型的建立

本文以合肥市某建筑的一间房间为例，首先建立一个长6m×宽4m×高3m的房间。房间模型如图1所示。

图1房间模型

模拟计算的房间内各个表面和构件的反射率或透射率都是根据《建筑采光设计标准》及工程常用参数来设置的，房间内的天花板、内墙和地板的反光率分别为0.66、0.66、0.4，窗户玻璃选择普通玻璃，透光率为 0.822。

合肥属于第Ⅳ类光气候区，室外天然光临界照度为13500lux。Ecotect采光模拟采用CIE全阴天模式，将大寒日1月21号作为模拟时间，模拟分析的工作面高度为750mm，在工作面处每0.2m设置一个计算网格，网格个数为20×30个，分别为开间方向20个计算点和进深方向30个计算点，所有的计算点形成了计算网格。分别模拟计算不同工况下办公建筑室内的自然采光系数值。为了模拟不同工况下自然采光系数随着进深变化的分布情况，在进深相同处的20个测点的采光系数值的平均值作为该进深处的采光系数值，对这些采光系数值进行数据处理，对比分析。

2.2　工况的设置

本文主要研究不同的窗墙比、窗台高和窗户外形(扁长或瘦高)对建筑室内自然采光的影响，并对不同工况条件下得出的采光系数值和进深的变化曲线图进行对比分析，从而得出最佳的窗户尺寸设计。不同模拟工况的设置如下表1所示。

表1　不同工况的设置

3窗户尺寸对室内自然采光的模拟对比分析

3.1　窗墙比对自然采光的影响对比分析

窗户位于建筑南立面上，窗台高为0.8m。在窗户的高度不变的情况下，通过改变窗户的宽度，对窗墙比为 50%(3.0m×2.0m)、45%(2.7m×2.0m)、40%(2.4m×2.0m)和 35%(2.1m×2.0m)分别进行自然采光模拟分析，得出工作面处不同窗墙比下室内采光系数分布表，如下表2所示。

表2　不同窗墙比下室内采光系数分布

对表2进行数据处理得出不同窗墙比下室内采光系数随着进深变化的曲线图，如下图2所示。

图2不同窗墙比下室内采光系数分布

表3不同窗墙比下的平均采光系数

由图2，表3可知，在窗台高为0.8m，其他条件相同的条件下，窗墙比越大建筑室内的平均采光系数越大。对于不同窗墙比的房间在窗口附近的室内采光系数都比较大，且随着窗墙比的增大采光系数越大。但当进深达到了1.2m左右时，工作面处不同窗墙比的房间室内的采光系数都明显减小了，而且减小的速度还很快。当进深大于4.2m之后，各窗墙比下的室内采光系数的变化都很小，采光效果最差，几乎没有光线能进入到最远的进深处了，最终趋于平缓。窗户的开窗面积越大室内的光环境质量就越好，越有利于办公人员的工作，但窗户的面积增大又导致了进入室内的太阳辐射量的增加，最终又导致了能耗的增加，所以在建筑设计时要合理设计窗户的面积。

3.2　窗台高对自然采光的影响对比分析

模型同上，窗户位于建筑南立面上。窗户宽度为3.0m，高度为1.6m，窗墙比为40%。在窗户宽度和高度相同的情况下，对窗台高为0.8m、0.9m、1.0m和1.1m分别进行模拟分析，得出工作面处不同窗台高下室内采光系数分布表，如下表4所示。

表4　不同窗台高下室内采光系数分布

对上表进行数据处理得出不同窗台高下室内采光系数随着进深变化的曲线图，如下图3所示。

图3不同窗台高下室内采光系数分布

表5不同窗台高下的平均采光系数

由图3，表5可知，在窗的大小和其他条件都相同的条件下，随着窗户高度的增大工作面处室内的平均采光系数在减小。对于不同高度处的窗户，在进深1.2m左右的范围内，随着窗台的增高，采光系数在不断的减小，且减小的幅度很大。超过1.2m以后，随着窗台的增高，采光系数在慢慢的增大。当进深达到4.2m左右时，不同窗台高的房间采光系数值都相差不多且变化不明显，采光效果最差，几乎没有光线能进入到最远的进深处了，最终趋于平缓。所以在建筑设计时，窗台的高度不易过高，虽然过高的窗户有利于进深大处的采光，但过高的窗户影响了室内整体的采光水平，同时也阻挡了人们的视线，所以在设计窗户的高度时，要同时兼顾视觉舒适度和整体采光水平。

3.3　窗户外形对自然采光的影响对比分析

模型同上，窗户位于建筑南立面上。窗台高0.8m，窗墙比为40%。在不改变窗墙比和窗台高的情况下，对四种窗户C1(2.4×2.0m2)、C2(3.0×1.6m2)、C3(3.2×1.5m2)和C4(4.0×1.2m2)分别进行模拟分析，得出工作面处不同窗户外形下室内采光系数分布表，如表6所示。

对表6进行数据处理得出不同窗户外形下室内采光系数随着进深变化的曲线图，如图4所示。

表6　不同窗户外形下室内采光系数分布

图4不同窗户外形下的采光系数分布图

表7不同窗户外形下的平均采光系数

由图4，表7可知，在窗墙比为40%，窗台高为0.8m，其他条件相同的情况下。窗户越宽建筑室内的平均采光系数越大，但平均采光系数增大的幅度不明显，说明窗户外形对室内的采光效果影响不明显。在进深1.2m的范围内，窗户4.0×1.2m2的采光系数最高，而窗户2.4×2.0m2的采光系数最低，说明在靠近窗户的位置越宽的窗户采光效果最好，窗户越窄在近窗处的采光效果越差。在进深为1.2m到4.2m范围内，窗户2.4×2.0m2的采光系数最高，而窗户4.0×1.2m2的采光系数最低，说明在房间的中间区域，窗户宽度越小，窗户高度越大，室内的采光效果越好。当进深在4.2m以后不同窗户外形的室内采光系数都相差不多，采光效果最差，几乎没有光线能进入到最远的进深处了，采光系数曲线都趋于平缓。

4结论

影响建筑室内自然采光的因素有很多，本文讨论了窗墙比、窗台高和窗户外形对建筑室内自然采光的影响。得到以下优化建议及结论：

(1)在窗台高和玻璃透光率等相同的条件下，窗墙比对采光效果的影响很明显，窗墙比越大采光效果越好。但对于房间不同进深处的采光效果，随着进深的增大采光效果都越来越差，靠近窗户的位置采光效果最好，当进深达到4.2m以后采光效果急剧下降，之后趋于平缓，在进深达到4.2m时建筑室内已经没有光线能够进入了，所以在设计时要考虑临界进深和窗地比。

(2)在窗墙比和玻璃透光率等相同的条件下，在进深1.2m范围内，建筑室内的自然采光效果随着窗户的增高而减弱，超过1.2m以后随着窗户的增高采光效果反而增强。因此在近窗处，窗户的位置不能过高，虽然过高的窗户有利于进深大处的采光，但影响了建筑室内总的平均采光效果和人们的视觉舒适性。所以建筑师在设计窗户的过程中要考虑适当的窗台高度。

(3)在窗墙比、窗台高和玻璃通光率等相同的条件下，在进深大约1.2m范围内，扁长型的窗户建筑室内采光效果好于瘦高型的窗户，而在进深1.2m以外范围结果却正好相反，瘦高型的窗户建筑室内采光效果好于扁长型的窗户。从总体上来说，窗户外形对建筑室内的采光效果影响的不明显。

(4)本文主要研究了窗户尺寸对建筑室内自然采光的影响，但除了窗户本身的因素外,影响建筑室内自然采光的因素还有很多，如建筑周边环境的遮挡、建筑室内装饰、建筑外遮阳的设计以及采光辅助构件的设置等。

参考文献

1黄海静,郑洁.办公建筑天然采光影响因素初探[J].灯与照明,2012,36(3):76-80.

2张欣苗.天津地区办公建筑窗墙比和自然采光对建筑能耗影响的研究[D].天津:天津大学环境科学与工程学院,2011.

3陈红兵.办公建筑的天然采光与能耗分析[D].天津:天津大学环境科学与工程学院,2004.

4刘丽娜.广州地区居住建筑外遮阳对采光、通风的影响分析及综合评价[D].广州:华南理工大学,2011.

5刘蓓.寒冷地区单面采光教学建筑窗洞尺寸的优化研究[D].西安:长安大学,2012.

6张伟.结合天然采光的办公建筑节能研究[D].天津:天津大学环境科学与工程学院,2005.

Simulation Study of Window Size Influence on Indoor Daylight

ZHA Quanfang,FANG Tingyong

(School of Civil Engineering, Anhui Jianzhu University, Hefei, 230601)

Abstract:The light environment in the building interior has a very important influence on its own function., There are many factors that affect the light environment in the building, such as the construction surroundings, the indoor decoration and the window design. etc. In this paper,combined with the light climate characteristics of Hefei regionthe effect of window size on natural daylight in building interior is analyzed by using the light environment simulation software Ecotect.,The results show that indoor light environmentwas improvedby changing the window to wall ratio, window height and window shape, etc..

Key words:daylighting；daylight factor；Ecotect

中图分类号：TU411.01

文献标识码：A

文章编号：2095-8382(2015)03-067-06

DOI：10.11921/j.issn.2095-8382.20150313

作者简介：查全芳(1989-)，女,硕士研究生,主要研究方向为绿色建筑。

基金项目：“十二五”国家科技支撑计划课题(2011BAJ03B04)

收稿日期：2015-04-09