南向外窗反光板采光设计分析—以张家口地区为例

孙 健 王金奎 毛娅玲 成 帅 任志坤

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)

0 引 言

人类经过上千万年的进化，人眼对于自然光的适应性和高效性要远优越于人工光.且太阳能是一种洁净绿色的能源，室内充分地利用自然光，对于建筑节能和光环境的改善具有重大意义.但自然光受自然环境的影响很大，建筑室内照度和均匀度非常不稳定.反光板设计通过增加室内光照强度，从而改善室内自然光环境，最终达到充分利用自然光和有效地降低室内光环境对于照明系统的依赖的作用.

1 南向外窗反光板的基本形式

南向外窗通过反光板的设计，选择性地将自然光反射到室内和遮挡阳光对室内的直接照射，进而改善室内的光环境，充分利用天然光.这种利用反光板的方式并不是相对独立的，可以结合张家口气候特点与传统的遮阳方式，更好地适应当地的气候条件和光照需求.且反光板的材料、色彩和其与外窗的角度可以根据室内自然光环境的需求进行调节和设定.

1.1 竖向反光板

将反光板竖向设置在南向外窗的西侧或者东侧，并且根据自然环境和室内照度的需要可以改变反光板的角度和大小.由于下午室外气温较高，在东侧设反光板会引起室内温度过高，因此本文将反光板竖向设置在外窗的西侧，用于改变上午室内光环境.上午时段尤其在10点之前，太阳高度角较低时，西侧竖向反光板可以有效增加室内太阳辐射，提高室内照度(如图1,a和b所示).而同理在下午时，太阳高度角降低时，减少了太阳光对于的室内照射，起到了遮阳的作用.

a.无反光板太阳光线平面分析图 b.西侧竖向反光板太阳光线平面分析图

2.2 水平反光板

2.2.1 窗上方水平反光板

将反光板设置在南向外窗的中上部，反光板的上方仍然有一小段外窗，且这一小段外窗的内部设置与太阳光直射方向垂直的百叶.百叶的角度可以根据室内的需求进行手动调节.如图2,a和b所示，反光板位于南向外窗中上部可以有效遮挡正午前后的太阳直射光线.而且通过外窗上端反光板的反射可以将一些太阳反射光线引入室内.提高房间深处的照度，降低近窗处的照度，改善室内整体照度均匀性.

a.无反光板太阳光线平面分析图 b.窗上方水平反光板太阳光线剖面分析图

2.2.2 窗下方水平反光板

将反光板设置在南向外窗的下端，且可在反光板的外侧边缘处设置低矮的栏杆.如图3,a和b所示，冬季太阳高度角是一年当中最低和光照强度最弱的阶段，通过窗户下端反光板的反射，更大程度的将太阳光通过漫反射引入室内，进而增加室内的照度.夏季，反光板上放置了植物盆栽，不仅遮挡了反光板的反光功能，还遮挡了大量日光对于室内的照射，尤其降低了窗台处的照度.这种优化方式改善了不同季节室内照度、均匀度，并且减少眼部视觉疲劳和室内照明设备的能耗.这种形式对于高纬度地区(如坝上地区)，更加有利于减少对于白天室内照明系统的依赖.因为该地区太阳高度角较低(特别是在冬季)，所以可以讲太阳光想引入室内的更深处.

a.夏至日太阳光线剖面分析图 b.冬至日太阳光线剖面分析图

3 南向反光板室内采光分析

本文采用Ecotect(Ecotect是一款建筑方案阶段的绿色生态模拟软件)和Radiance(Radiance是一款建筑采光和照明的模拟分析软件)软件对室内采光情况经行模拟分析.最终为反光板设计提供了合理的数据参考.张家口市的太阳辐射数据来源于2002年郎四维与劳伦斯伯克利实验室合作建立了张家口市的气象数据库.

3.1 室内工作面照度的模拟对照分析

冬至日为一年之中分析太阳高度角最小的时候，也是室内自然光环境最差的时间段.所以将模拟的时间设定为冬至日，并分析09：00、12：00和16：00三个时刻不同反光板对于室内工作面照度(750 m)的影响.如图4所示，通过Ecotect将摄像机设定为距窗1 200 mm、3 900 mm和6 000 mm分别代表近窗处、室内中部和室内深处，通过Ecotect内置Radiance的导出控制功能渲染分析各种反光板对于室内工作面照度的分布情况.

图4 摄像机分布示意

3.2 冬至日9：00室内工作面照度分布

1200mm3900mm6000mm图例a.无反光板室内工作面照度分布b.设西侧竖向反光板室内工作面照度分布c.设窗上水平反光板室内工作面照度分布d.设窗下水平反光板室内工作面照度分布

注：模型尺寸设为宽度3 300 mm，进深6 000 mm，高度3 300 mm.反光板长度与窗的尺寸相同，宽度设为600 mm，厚100 mm.水平上反光板距离窗上沿300 mm.

图5冬至日9：00室内工作面照度分布

图片来源：Radiance模拟计算.

通过图5中a行与b行对比发现，设置西侧竖向反光板后，近窗处的照度平均增加了约100 Lux，而中部的平均照度增加约40 Lux，深部的平均照度增加约20 Lux.距窗约3 900 mm内均满足《建筑采光设计标准》(以下简称《标准》)要求的450 Lux.图5中a行与c行对比表明，水平上反光板阻碍了采光，且遮阳效果大于反光效果，整体将室内工作面平均照度降低约100 Lux.距窗约3 660 mm内均满足《标准》要求的450 Lux.图5中a行与c行对比得出，水平下反光板对于室内工作面照度整体的提高了约20 Lux.距窗约3 660 mm内均满足《标准》要求的450 Lux.

3.3 冬至日上午12：00室内工作面照度分布

1200mm3900mm6000mm图例a.无反光板室内工作面照度分布b.设西侧竖向反光板室内工作面照度分布c.设窗上水平反光板室内工作面照度分布d.设窗下水平反光板室内工作面照度分布

注：模型尺寸设为宽度3 300 mm，进深6 000 mm，高度3 300 mm.反光板长度与窗的尺寸相同，宽度设为600 mm，厚100 mm.水平上反光板距离窗上沿300 mm.

图6冬至日上午12：00室内工作面照度分布

图片来源：Radiance模拟计算.

通过图6中a行与b行对比发现，西侧竖向反光板在近窗处对平均照度基本没有印象，但在室内中部和深部的平均照度提高约20Lux.室内均满足《标准》要求的450Lux.图6中a行与c行对比表明，反光板基本起到了遮阳的作用，对于室内工作面的平均照度降低了约350Lux.室内均满足《标准》要求的450Lux.图6中a行与c行对比得出，水平下反光板对室内各个部分的工作面平均照度提高了约40Lux.室内均满足《标准》要求的450Lux.

3.4 冬至日16：00室内工作面照度分布

1200mm3900mm6000mm图例a.无反光板室内工作面照度分布b.设西侧竖向反光板室内工作面照度分布c.设窗上水平反光板室内工作面照度分布d.设窗下水平反光板室内工作面照度分布

注：模型尺寸设为宽度3 300 mm，进深6 000 mm，高度3 300 mm.反光板长度与窗的尺寸相同，宽度设为600 mm，厚100 mm.水平上反光板距离窗上沿300 mm.

图7冬至日16：00室内工作面照度分布

图片来源：Radiance模拟计算.

通过图7中a行与b行对比发现，西侧竖向反光板对于室内采光严重影响，平均照度降低了约200Lux.距窗约2500mm内均满足《标准》要求的450Lux.图7中a行与c行对比表明，水平上反光板在近窗处平均照度降低了约100Lux，而中部和深部平均照度降低了约40Lux.距窗约3 200 mm内均满足《标准》要求的450Lux.图7中a行与c行对比得出，水平下反光板对室内各个部分的工作面平均照度提高了约20Lux.距窗约3 450 mm内均满足《标准》要求的450Lux.

4 结 语

西侧竖向反光板虽然对于上午时间段内的室内光环境有所改善，但是对于下午时间段内严重影响室内自然光的利用.但这种设计可以在西晒严重，且对于下午采光要求较低的房间采用.水平上反光板如果在同等开窗面积下，遮阳的效果要大于反光的效果.但如果房间进深不大，且夏季光照强度较高，可以采用这种设计方式；水平下反光板可以最大限度增加室内自然光的利用率.其形式优化既满足了夏季遮阳的功能，又不会能削弱冬季日照的需求.既防止了眩光现象，又改善了室内照明均匀度.不论任何时刻，都提高了室内深处的照度，增加了室内整体的照度水平.对于室内照度要求较高且进深较大的房间，可采用这种设计方式.

[1]巴鲁克·吉沃尼(美).建筑设计和城市设计中的气候因素[M].中国建筑工业出版社

[2]柳孝图.建筑物理[M].中国建筑工业出版社

[3]住房城乡建设部，建筑采光设计标准(GB 50033—2013)[Z]

[4]杨柳.建筑气候学[M].中国建筑工业出版社