天井式民居的自然采光仿真模拟

陈启泉，靳 泓，左云豪，段宇豪

(重庆大学，重庆 400044)



天井式民居的自然采光仿真模拟

陈启泉，靳 泓，左云豪，段宇豪

(重庆大学，重庆 400044)

传统天井式民居的窗户性能显著影响室内自然采光水平。本研究对江西省金溪县浒湾村天井式传统民居进行了仿真模拟，旨在确定传统天井式住宅室内自然采光的最佳策略。结果表明，窗地比至少应达到为1/6，高窗和普通窗组合运用是理想的选择，窗棂对室内自然采光的影响最小。运用Ecotect软件得出的采光策略提高了室内自然采光，使用照度计现场测量的传统方法并不准确。

天然采光；Ecotect；天井式民居；仿真模拟

0 引 言

创建舒适的室内居住环境，适宜的照明、通风和优良的热力学条件是至关重要的元素。然而，由于材料和技术的限制及其他缺点，天井式住宅的外墙只有少数直接面向外部的窗户。因此，许多房间接受低照度的室内自然采光。

浒湾村处在江西省抚州市金溪县的西部。浒湾村詹家巷37号的详细测绘结果如图1所示。浒湾村的居民因地制宜使用建材，主要包括石头、木材和青砖。除了结构作用，外墙也兼备防御功能。因此，古徽州地区外墙采用石材，并且外墙只设置少数窗户，且多是开口小的高窗。内墙由木板、门和具装饰性的花棂窗组成，导致相对独立的厢房缺乏直接的自然采光。

1 仿真模拟

1.1 参数设置

(1)研究对象。詹家巷37号民宅。

(2)基本条件。116.6°E,27.9°N，光气候第Ⅳ区，K=1。

(3)天空漫反射照度。时间2014年7月28日，考虑到避免烈日直射导致阴影而带来的仿真不准确性，以达到室外天然光只有扩散光，窗户的朝向不会影响采光情况模拟。因此，Ecotect软件中，天气状况设定为GIE，天空照度5 000 lx。

(4)判定标准。采光系数和工作面照度，照度作为参考对象。

图1 还原天井式民居

图2 一层平面示意

1.2 仿真区域

选取37号楼第一层的三个房间，简化之作为仿真的研究区(图2)。三个房间的窗地比和窗口的位置不同，但相同的是都具有高窗并且窗户有花棂。三个区域的基本情况如表1所示。

窗地比、窗的位置、有无窗棂作为研究变量，综合运用控制变量法和Ecotect仿真技术。主要仿真模拟：

(1)a，b，c三个区域的采光情况；

(2)窗地比对室内自然采光的影响；

(3)开窗位置的影响；

(4)窗棂对自然采光的影响大小。

表1 三个区域的基本情况

图3 自然采光仿真模拟

2 测试结果

图3中，采光系数的变化范围为0.4%～20.4%，黄色区域的采光系数最大，反之，蓝色区域的采光系数最小。蓝色渐变至黄色共有11种颜色，表示11个采光级别，逐渐递减2%。令人惊讶的是，即使厢房面积都很小，室内工作面照度却仍然分布不均，远离门窗采光口处照明状况极差。仿真显示，a，b，c三个房间的自然采光系数最小值都为0.4%，远达不到Ⅴ级采光等级(0.5%≤最小采光系数，表2所示)。

表2 居住建筑的采光系数标准值GB/T 50033—2013建筑采光设计标准

3 各变量对浒湾民居室内天然采光的影响

a，b，c三个房间的窗地比依次是0，0.42，0.04。然而，GB/T 50033—2013《建筑采光设计标准》规定，民用建筑等级为Ⅳ级时，侧墙采光面的窗地比≥1/6(表3)。依此规定，a和c房间远远达不到窗地比要求，唯独b房间满足窗地比规定，c房间甚至为暗室。Ecotect模拟时，房门的设定为开启，这才使a和c房间出现采光系数较高的区域，实际情况下则需要长期开门达到自然采光。

b房间是最重要的厢房，紧邻天井，窗扇上装饰有鱼虫草木等花棂，看起来阻挡了大量的自然光入射量。然而，运用Ecotect软件仿真模拟，结果显示靠近窗户的区域具有高达20.4%的采光系数，远离窗户的角落仍可达到6.4%，依然大于GB/T 50033—2013《建筑采光设计标准》规定的Ⅰ级采光等级(最小采光系数>5%)。因此，b房间窗扇即使有丰富图案的镂花，也仍然具备良好的自然光环境水平。

暗室a房间内绝大部分工作面的采光系数约为0.4%。即使外墙600 mm×800 mm的高窗直接对外采光，在紧临高窗的工作面才具至多6.4%的采光系数，其余区域只有 0.4%左右。高窗不仅不能提升远离高窗区域的光环境水平，甚至对窗口采光影响也微乎其微。

表3 窗地面积比Ac/AdGB/T 50033—2013建筑采光设计标准

4 改进措施和验证

Ecotect定量分析表明，提高窗地比，避免只开高窗，能改善室内自然采光，窗棂对天井附近房间的采光影响甚小。鉴于浒湾村的文化价值，在不破坏原有结构的前提下我们提出一系列的改善措施，并使用Ecotect仿真模拟验证。

为了验证该方法的有效性，选择的房间a(没有窗洞)虚拟开窗仿真实验。窗地比设置为1/6，窗口设置高于地板900 mm，无高窗。仿真结果表明：外部窗口附近的照明系数高达20.4%，而大多数房间都在6.4%以上，如图4(Ⅰ)所示。因此，其他因素保持不变，提高窗地比(超过1/6)，可以大大提高室内照明条件。

靠近天井的窗扇允许用花鸟虫鱼木雕装饰。然而，无直接自然采光房间的窗扇应尽可能减少，甚至取消窗棂。为了验证效果，选择房间c(大量窗棂)在Ecotect模型中仿真验证。删除窗棂，虽然立面上有微小变化，但可有效增加光通量。最后仿真模拟c室采光条件，结果表明，外窗附近的照明系数虽然高达8.4%，然而与原来相比，同一区域的照明系数仅增加了2%，因此取消窗棂并不能有效提升室内自然采光环境，如图4(Ⅱ)所示。

图4 改进后的自然采光模拟

在室内装饰层材料的选择上，应注意使用明亮的颜色和光滑表面的材料，避免使用带有暗淡颜色和粗糙表面的材料作为室内装饰层。这可以使光线在室内多次反射。为了验证这些措施的有效性，我们选择c室(粗糙木质装饰层)模拟，涂白乳胶漆在内壁，结果如图4(Ⅲ)所示，自然采光系数略有增加，从4.4%增至6.4%，且分布均匀。

5 小 结

笔者运用Ecotect软件对詹家巷37号民宅进行定量仿真，模拟不同房间的自然采光状况，发现存在的问题，室内自然采光系数低，在一些房间窗地比不达标，室内照度分布不均匀。以窗地比、窗位和窗棂作为变量，得出窗地比和窗位是影响室内自然采光的主要因素，窗棂是次要因素。随后，在不破坏原有民宅结构前提下，提出增加窗地比，避免高窗，选择明亮色彩和光滑表面装饰材料等改进措施。这些措施被证明是有效可行的。

[1] 刘加平. 建筑物理[ M ]. 北京：中国建筑工业出版社，2009：3～4

[2] 黄浩. 江西传统民居[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2008：68～69

[3] G Augenbroe, C S Park. Quantification methods of technical building performance [J]. Building Research and Information, 2005,33(2):159～172

[4] A H Abdullah, S K A Bakar, I A Rahman. Simulation of office’s operative temperature using ecotect model[J]. International Journal of Construction Technology and Management. 2013,1(1):33～37

[5] Tao Luo, Da Yan, Jianping Zhao. Comparative study of bare natural environment simulation software [J]. Building Science, 2011,27(10):1～7

[6] 中华人民共和国建设部.GB/T50033—2013建筑设计采光标准[S].中国建筑工业出版社，2013

[7] S Shekari, R Golmohammadi. Evaluation of horizontal and vertical illuminance models against measured data in Iran[J]. Applied Sciences Research, 2009,4(3):158～166

[8] Philipp Geyer. Component-oriented decomposition for multidisciplinary design optimization in building design[J]. Advanced Engineering Informatics, 2009,23:12～31

照明空间与应用

The Natural Lighting Simulation of the Traditional Dwelling Residence

CHEN Qiquan, JIN Hong, ZUO Yunhao, DUAN Yuhao

(ChongqingUniversity,Chongqing400044,P.R.China)

The performance of the window of a traditional dwelling architecture significantly influences the natural lighting level of such a building. This study aims to determine the best strategy for the natural lighting of traditional dwelling architecture by examining No.37 residence in Huwan village. Window-floor ratio, window position, and window lattice were studied through Ecotect software involving lighting simulations. Results show that the optimum window-floor ratio is 1/6. The combination of high windows and ordinary windows is the ideal option to improve the natural lighting. The window lattice exerts a minimal effect on natural lighting increase. Adopting the best natural lighting strategy combination can further improve indoor natural lighting. Future research should be directed toward applying Ecotect software to quantitatively evaluate the lighting effects of other components of traditional dwelling architecture and produce the best natural lighting strategy combination.

natural lighting; Ecotect; eraditional dwelling residence; simulation

2016-07-15 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51278507)

陈启泉，男，重庆大学硕士研究生