晋江市东山村传统民居光环境模拟与优化

何苗薛家薇

(1.厦门理工学院土木工程与建筑学院福建厦门 3610242.华侨大学建筑学院福建厦门 361024)

晋江市东山村传统民居光环境模拟与优化

何苗1薛家薇2

(1.厦门理工学院土木工程与建筑学院福建厦门 3610242.华侨大学建筑学院福建厦门 361024)

为解决东山村传统民居室内采光差的问题应用ECOTECT建筑环境分析软件对室内光环境因素进行模拟实验.研究发现当地传统民居的采光系数普遍不满足国家规定采光设计标准且大部分房间采光均匀度较差.实验还通过ECOTECT软件分析出采光系数分布图和采光系数分布百分比对影响闽南传统民居室内光环境的因素进行量化分析和对比.最后提出适应性的优化策略为传统民居保护性改造提供参考.

传统民居室内光环境采光系数分布晋江市东山村

光环境和人们的生活息息相关直接影响到人们的身心健康它是营造舒适室内物理环境的重要指标.近年来随着国家新农村政策的逐步实施以及居民对生活品质要求的提高传统民居的室内光环境越来越受到人们的重视.而闽南地区传统民居受早期沿袭的居民生活习惯现今高密度的村镇住宅建设以及住宅自身的构造布局等问题的影响其自然采光现状急待改善.本研究选取闽南地区晋江市池店镇东山村传统民居作为研究对象应用ECOTECT建筑环境分析软件对其室内天然采光情况进行模拟分析研究可见光环境对居民生活状态的影响并在此基础上提出该地区民居营建中的采光设计策略.

1 东山村传统民居光环境现状

池店镇东山村位于福建省晋江市北部属晋东平原经纬度为北纬24.82°东经118.57°常年日照时数在1 500~2 400 h之间属于光气候分区中Ⅳ类地区其中年日照时数超过2 100.0 h光资源十分丰富.然而村中许多保留完好的传统民居室内采光却存在着许多问题.

导致闽南地区传统民居室内光环境差的影响因素主要有:

1)由于地域特点与民俗习惯传统民居普遍采用“光厅暗房”结构营建大厝正堂既具有起居室的作用也承担着祭祀拜祖的作用所以大厅朝向内院一侧基本上不设墙体完全开敞.为了减少太阳热辐射房间与厨房尽量减少开窗面积从而导致室内昏暗[1].

2)在自身构造上闽南民居房间的窗地比普遍偏小虽然建筑朝内院的南北向墙面有一直开敞的门可当成窗洞口进行采光但是由于挑檐较深导致门洞间接采光从而未能起到良好的采光作用再加上室内装饰材料陈旧灰暗造成室内反射比小.

3)在自身布局上当地民居建筑院落的密度过大建筑自身体块之间的日照间距较小建筑的形体较大有一部分房间的朝向较差等这些也是闽南民居采光环境的影响因素.

2 东山村传统民居室内采光模拟

2.1 模拟对象

选取东山村典型传统民居陈宅为研究对象该建筑朝向为北偏东31°建筑布局为两进三开间红砖厝高度为一层平面布局呈四合院(见图1).陈宅具有最典型的特征其主体为砖石木混合结构立面除了正厅一侧全开敞其他房间开窗均较少且窗洞面积均不超过0.2 m2为了遮阳隔热与其他民居相比陈宅属于屋顶坡度较大出檐较深的民居.

2.2 实验条件与方法

1)天空照度模型.根据«采光测量方法(GB/T 5699—2008)»[2]将采光设计中天空照度模型设定为全阴天空.在此次模拟计算中选择全阴天是因为天然光只有扩散光不会形成阴影因此室内采光情况不受窗户朝向的影响[3].本次研究增加实验测量环节用于与ECOTECT的模拟值相比较分析两者的差异以证明软件模拟的合理性.因此将实验实测的室外照度值4 903 lx导入到ECOTECT中作为模拟实验的室外天空照度值进行计算以增加模拟实验的真实性.

2)模拟时间.此次模拟时间为2014年7月21日正午12:00.由于模拟的是全阴天可选择全阴天的任意一天[2].为了和实测数据相比较选择和实测日期同一天即7月21日.全阴天天空只有扩散光没有太阳直射光随着太阳高度角变化而变化早晚变化大中午变化小是室外照度相对稳定的时间[3]测试时间选择正午12点可以减少因室内外两个读数时差所造成的采光系数的测量误差.

3)室内参数.陈宅室内的天花板为浅黄色棕色木构地面为红砖墙体为水泥砂浆抹灰根据«建筑采光设计标准(GB 50033—2013)»[4]中的饰面材料的反射比ρ值表其反射系数分别设置为0.58、0.33、0.32.从调研中发现窗户洁净程度相当低部分为格栅窗户因此在ECOTECT模拟中选择窗子洁净度为“脏”的默认值即为dirty(x＝0.75).

4)模拟区域选择.在闽南两进三开间红砖大厝里大房作为主卧室使用榉头作为厨房使用正厅作为起居室使用由于实验不受窗户朝向的影响因此此次实验选取陈宅这三间具有代表性的房间分别简化成A、B、C三个区域模型进行模拟分析.

5)实验方法.根据«采光测量方法(GB/T 5699—2008)»[2]本次模拟以网格法均匀布点取工作平面高度0.8 m高处.为了模拟数据更精确每个房间均设置760实验点对该建筑室内光环境进行分析.

2.3 模拟结果

评价室内光环境质量有两个指标:室内采光系数和照度均匀度[5]因此模拟实验采用采光系数和照度均匀度来总结各个区域的照度变化规律和采光情况.

2.3.1 采光系数最小值

根据«建筑采光设计标准(GB 50033—2013)»中的中国光气候分区表[4]可得当地光气候分区属于第Ⅳ区光气候系数K为1.10.而据居住建筑侧面采光规定当地侧面采光的采光系数最低值Cmin＝标准值×光气候系数K(K＝1.10)[4]所得修正值如表1所示.由表1知卧室、起居室(厅)、厨房不应低于1.82%.

表1 住宅建筑侧面采光的采光标准值Tab.1 Daylight standard value for sidelighting of residential buildings

经模拟分析得出:A区域(大房)的Cmin＝0.06%B区域(榉头)的Cmin＝0.08%C区域(正厅)的Cmin＝0.76%.A区域和B区域不满足国家规定的采光设计标准而C区域的采光最小值虽然比A、B区域高但仍然低于国家标准的采光要求.此次模拟时间为12:00为一天中室内采光最佳的时间因此其他时间A、B、C三区域更无法满足标准的采光要求.

2.3.2 采光均匀度

采光系数变化范围分为十个等级详见图2和表2所示.其中图2(a)为大房A的采光情况采光系数变化值范围在0%~20%变化幅度为20%.其中0%~2%占80.13%这部分室内空间无法满足要求.近窗地带虽然较明亮、变化剧烈但整体室内照度仍然较低且照度分布不均匀.

表2 各测试点原始采光系数分布百分比Tab.2 Percent of the original lighting coefficient of each test point(%)

图2(b)为榉头B的采光情况采光系数变化值范围也在0%~20%变化幅度为20%.其中0%~2%占82.00%这部分室内空间无法满足要求.整体室内照度较低采光口照度较高.采光口相距较远房间整体采光均匀度较差.

图2(c)为正厅C的采光情况由于通过子孙巷间接采光其采光系数变化范围相比于A、B较集中在前面四个等级即采光变化值范围在0%~8%变化幅度为8%.除了仅有10.13%的空间采光系数为0%~ 2%其余的空间均满足采光要求且房间采光均匀度较高模拟结果反映了闽南民居“光厅暗房”的特性.

2.4 现场实测与验证

测量时间为2014年7月21日正午12:00使用美能达T－10全数字照度计其测量准确度为(±2%± 1 digit).测量过程采用网格法均匀布点并取工作平面0.8 m高处进行测量.为了便于与模拟数据进行比对同样选取大房、客厅、榉头三个区域分别进行测试每个区域布点间距为1 m每个点各取三次数据并取三次数据的平均值[6].

将模拟条件设置为与室外实测结果条件一致[6]通过测量结果与模拟结果比对(见表3)可以得出大房和榉头实测数据均比模拟数据高.其主要原因有:(1)大房在房屋的西面山墙边当地大厝与大厝之间沿山墙方向并排布置且间隔一条1 m宽的巷子由于另一栋建筑的山墙对模拟建筑的窗洞口进行二次反射使得实测值更高(2)模拟时为了简化模型数据把室内的家具去掉减少了室内家具对空间的二次反射.而大厅的数据恰好相反这是由于当地居民在房间的北侧摆放了半新深棕色的神龛、供奉桌和四方桌相对于去掉家具的红砖地面和褪色的背面木墙反射比低了许多所以实测值更低.

表3 测量结果与模拟结果数据比对Tab.3 Comparison of measurement results and simulation results(%)

综上所述虽然模拟结果与实测结果略有误差但误差小于10%在允许的范围内所以ECOTECT软件模拟方法可行.

3 光环境优化模拟

由于正厅一侧没有墙体大门完全敞开窗地比较高优化空间不大而榉头为次要空间主要作为厨房和储藏间使用左侧大房作为主要使用空间相当于现在的主卧所以选取A区域(主卧)作为主要研究对象进行光环境优化模拟对比观察各变量对室内采光的影响.考虑到传统民居室内光环境改造难且一些保护价值较高的传统民居改造应遵循不破坏风貌的原则因此在选择变量方面采用与当地风貌相协调的变量[7].

3.1 开门遮阳

闽南地区气候有夏热冬暖的特点夏季太阳光资源丰富、日照时间长当地民居的设计主要以夏季遮阳防热为主.为了减少太阳辐射热尤其是房间与厨房尽量减少开窗面积同时为了有效避免阳光直射并产生良好的通风效果居民在夏季经常将朝向内院一侧、屋檐下的门打开.由于窗子处挑檐较高挑檐没有起到遮阳效果其周边的照度较高靠近窗户处采光系数变化比较丰富主要分布在2%~20%之间而门一侧处于屋檐下靠近门处采光值在2%~12%之间变化模拟结果如图3所示.

将A区域(主卧)不开门采光系数分布百分比与开门采光系数分布百分比进行比较详见表4所示.总体上反映出2%~4%4%~6%6%~8%8%~10%10%~12%采光系数的分布有一定程度增加在0%~2%区间减少了11.06%但是仍占采光面积的69.07%低于国家最小采光标准的采光面积仍然占大部分.因此开门只提高了房间局部的照度对于房间的整体照度和采光均匀度没有多大帮助.

表4 A区域开门与不开门采光系数分布对比Tab.4 Comparison of region A lighting coefficient distribution between opening the door and not opeing the door(%)

3.2 开门无遮阳

由于A区域遮阳部分主要在大房南面(有门且在朝向院子一侧)出挑较大所以将门打开来模拟去掉挑檐没有遮阳时对采光效果的影响详见图4所示.模拟结果发现与仅采取开门措施相比采光均匀度方面略有提高.对比图3与图4发现西侧采光没有多大变化而门一侧的采光却有明显的提高.这是由于西侧窗原本上方的挑檐小且离窗口远所以没有太大变化而门一侧的挑檐较深且檐口相对窗一侧的低所以门口地带照度变化较大.

通过分析A区域(开门遮阳)采光系数变化曲线图可知开门且无遮阳的情况下对于室内采光均匀度基本上影响不大而对于采光口的照度却有明显提高(见表5).

表5 A区域开门遮阳与开门无遮阳的采光系数分布对比Tab.5 Comparison of region A lighting coefficient distribution between openging the door with shading and openging the door without shading(%)

3.3 提高室内反射比

室内装饰材料陈旧灰暗模拟提高建筑室内材料反射比进行对比研究.假设室内皆采用白石灰粉刷墙面、阁楼板底部与天花板则室内房间的墙体及阁楼板的反射系数改为0.75窗户洁净度改成为“干净”系统设置为clean(x＝0.9).模拟结果如表6所示小于国家采光标准的面积减少了63.46%而2%~4%的采光面积增加了56.40%采光效果明显提高.由A区域提高室内反射比变化曲线图(见图5)可分析出室内采光除了采光口处照度没有变化、仍然较高以外其余采光分布较为均匀大部分在2%~4%之间.由于大房仅开一侧窗且位于西墙的西南角所以房间最暗处(即采光等级最低一级的0%~2%等级的采光面积)主要分布在房间窗的斜对角处仅占据采光面积16.67%(见表6).

表6 A区域提高室内反射比与原始采光系数分布对比Tab.6 Comparison of region A lighting coefficient distribution between improving the indoor reflection ratio and original data(%)

因此提高墙面楼板的反射比能明显提高室内采光均匀度大幅减小采光系数不达标的空间面积.如果能够配合以均匀开窗对于提高室内采光均匀度的效果会更好.

3.4 增加亮瓦拆除阁楼

考虑到天窗采光效率高于侧窗采光且陈宅屋顶为木构骨架外挂红砖瓦在改造中可将红砖瓦置换成亮瓦增加亮瓦的模拟结果如图6所示.由于木质阁楼遮挡增加亮瓦后照度局部有所提高但在阁楼投影面积下方照度仍然很低室内的照度均匀度较差同时考虑阁楼现多为存储空间杂物多灰尘大不便打扫且容易拆除所以建议增加亮瓦的同时一并拆除阁楼增加采光效果.增亮瓦拆阁楼后模拟效果如图7所示室内采光的均匀度与照度都明显提高.将其与原始数据对比0%~2%的采光系数分布降为02%~4%仅为1.87%4%~6%6%~8%8%~10%分别增加了19.20%38.06%22.53%采光系数分布比有较大的提高采光系数分布主要集中在6%~8%(见表7).可见增加亮瓦同时去除阁楼可以大幅提高室内照度及采光均匀度.

表7 A区域增亮瓦拆阁楼与原始采光系数对比Tab.7 Comparison of region A lighting coefficient distribution percentage between increasement of glass tiles with the removal of attic and original data(%)

4 优化光环境策略

根据模拟结果分析可知开门和去除遮阳可以提高窗口照度但对提高室内采光均匀度效果较差.仅增加亮瓦可提高阁楼阴影面积以外部分的照度和采光均匀度而提高室内反射比和增亮瓦拆阁楼在整体提高室内采光均匀度和减少采光系数不达标空间面积方面表现优越尤其是增亮瓦拆阁楼.根据以上模拟实验给出几个优化室内光环境的策略.

1)对于建筑价值较高、保护较好的民居建议如下:①通过采用光学性能较好的建筑材料作为装饰面比如采用白灰粉刷墙面或者更新已经变色的传统白底带花釉面墙砖和地面砖保留原有特色用以增加室内反射比.对于保存较为完整、仍有实际功用的阁楼可将阁楼底部也粉刷白灰或贴上浅色系材料.②对于檐口破坏较严重的可以保留框架把局部挂瓦改成玻璃挂瓦减少檐口实体遮挡以提高窗口照度.③建议保留原有木门增设一道玻璃内门在冬季白天只打开外面的木门用以提高室内照度在夏季采用制冷设备时关上玻璃门也可以达到节能效果.

2)为适应人们居住水平的提高和生活习惯的改变对传统民居作适应性改造建议如下:①房间仍作为以休息为主、生产工作为辅的建议不要拆除阁楼在阁楼下方设置卧床保留睡眠的舒适度而在窗口一侧可设置书桌或设备在其上方可增设亮瓦利用其一侧有较高照度和采光均匀度的特点进行生产、工作和学习.②房间功能以生产工作或休闲娱乐为主的需要一定的采光均匀度可以改变室内材料提高室内反射比.对于阁楼已经影响到室内活动的空间高度和采光均匀度的可以拆除并在屋面均匀增加亮瓦使室内能同时提高照度和采光均匀度有利于居民的生产工作与休闲娱乐.

5 结语

应用ECOTECT建筑环境分析软件对闽南传统民居室内光环境的影响因素进行模拟实验得出闽南传统民居的采光系数普遍不满足国家规定的采光设计标准且大部分房间采光均匀度较差.通过ECOTECT软件分析出来的采光系数分布图和采光系数分布百分比对影响闽南传统民居室内光环境的因素进行量化分析和对比最终提出适应性的优化策略.研究主要侧重于提高具有一定价值的传统民居的室内光环境保护性改造也可为新建民居的采光设计提供一定参考.

致谢:实验过程得到东山村村民与学生冯治中、赵婉月、罗茜、李斯凡、许敬先等的支持与帮助在此致以衷心感谢!

[1]何苗.闽南砖木结构官式大厝热环境与节能措施分析:以厦门市新垵村新垵社为例[J].厦门理工学院学报201523 (3):85－90.

[2]中国建筑科学研究院中国标准化研究院中国南玻集团股份有限公司.采光测量方法:GB/T 5699—2008[S].北京:中国建筑工业出版社2008.

[3]林祖锐李恒艳陈舒含.河北省邢台县英谈村传统民居室内天然采光模拟与研究[J].华中建筑2013(10):36－40.

[4]中国建筑科学研究院.建筑采光设计标准:GB 50033—2013[S].北京:中国建筑工业出版社2013.

[5]柳孝图.建筑物理[M].北京:中国建筑工业出版社2010.

[6]朱晓天李婧.建筑物理环境模拟与分析[M].徐州:中国矿业大学出版社2008.

[7]张昕杨光詹庆旋.中国传统建筑光环境保护的类型域研究[J].照明工程学报200920(4):5－8.

(责任编辑:郑美莺)

Light environment’s eimulation and eptimization of DongshanVillage traditional residence in Jinjiang City

HE Miao1XUE Jiawei2
(1.College of Civil Engineering and ArchitectureXiamen University of TechnologyXiamenFujian 361024China2.Architecture CollegeHuaqiao UniversityXiamenFujian 361024China)

In order to solve the problem that poor indoor lighting of traditional residence in Dongshan villageECOTECT which is a kind of software of analysis building environmentis applied to carried out simulation experiment on it.The study is concluded that the lighting coefficient of local traditional houses is generally not meet the lighting design standardsand most of the room lighting is poor.At same timewe get the distribution curve of the lighting coefficient and distribution percentage of the lighting coefficient by ECOTECT.And then we made the influencing factor of local traditional houses to quantitative analysis and comparison.Finallythe optimization strategy is proposed.It provides a refer￣ence for protective reconstruction to traditional residential residence.

traditional residenceindoor lightinglighting coefficient distributionJinjiang CityDongshan Village

TU241.5

A

10.7631/issn.1000－2243.2016.06.0826

1000－2243(2016)06－0826－07

2016－03－27

何苗(1980－)讲师主要从事地域建筑与建筑节能研究88407567＠qq.com

国家自然科学基金资助项目(51308231)福建省中青年教师教育科研项目(JA14237)