“采光仪表板”评价法的评价指标分析

王梦蕊，刘宇波

(华南理工大学建筑学院，亚热带建筑科学国家重点实验室，广东 广州 510600)

引言

天然采光是学校建筑照明的优选，更加有益于学生的身心健康，有助于保护视力和提高教室照明的质量[1-3]。近年来，科研人员对中小学校的自然采光设计进行了大量的研究和实践[ 4-12]。2010年美国照明研究中心(LRC)的 Leslie等[6]发表了《可持续的学校天然采光模式》(Patterns to Daylight Schools for People and Sustainability)，首次使用了“采光仪表板”进行采光设计评估。通常我们对中小学校采光设计进行评估时，往往依据“窗地比”和“平均照度”这两个指标。LRC的“采光仪表板”评价法包括了对采光质量的研究，这种评价法对我们进行学校天然采光研究具有非常重要的借鉴意义。

1 “采光仪表板”评价法概述

文献[6]将学校建筑分为教室、体育馆、走廊三种空间类型，旨在帮助建筑师确定学校建筑中这三种空间最适宜的天然采光方式或“模式”，此外还将每种采光模式的优缺点总结成彩色分区图——“采光仪表板”(图1)，用来代表八个采光评价指标，其中每个指标包括与其对应的评价标准。采光仪表板是一个评价每个设计方案中不同采光指标综合效果的直观工具，八个采光指标是平均照度、覆盖率、全自然采光百分比、漫反射日光率、昼夜刺激潜力、视野量、太阳辐射得热、窗地比。

对于八个评价指标各自的效果，采光仪表板采用了一种直观的表达方式，即不同的颜色：当采光仪表板某段为红色，表示在这种采光模式下该指标不能实现；若为黄色，表示要此模式需要进行仔细评估或改进后才能满足该指标；绿色表示能够很好地实现该指标。以教室为例，各评价指标的具体划分标准如表1所示。

表1 各评价指标的具体划分标准

图1 采光仪表板(根据文献[6]中图片重绘)Fig.1 Daylighting dashboard

2 “采光仪表板”的评价指标分析

每个“采光仪表板”包括八个评价指标，分别是：平均照度、覆盖率、全自然采光百分比、漫反射日光率、昼夜节律刺激、视野量、太阳辐射得热、窗地比。

首先，“平均照度”、“覆盖率”和“全自然采光百分比”是和照度相关的评价指标。“平均照度”这一评价指标要求采光设计能够提供足够的天然日光，但值得注意的是过量的日光可能会引起眩光，所以只有平均照度在323～5 380 lx之间才能达到绿色标准。“覆盖率”是指工作平面的日光照度高于最低照度标准(108 lx)的百分率。高覆盖率表明空间大部分区域都有足量的日光照明。“全自然采光百分比”是指工作时间中单独依靠自然采光就能达到IES规定的最小照度要求(323 lx)的时间百分比。全自然采光百分比高表明空间大部分时间都可以关掉电灯，只依靠自然光照明。

对于“平均照度”的评价标准，GB 77993—2010《小学校教室采光和照明卫生标准》和GB 50099—2011《中小学校设计规范》中规定，普通教室课桌面上的平均照度应不少于300 lx,黑板面垂直照度的平均值应为500 lx。这与指南中对平均照度的要求相似，但我国缺少“覆盖率”和“全自然天光百分比”这两项能够控制最低照度和目标照度分布的采光指标。文献[4]指出，我国实际学校黑板和课桌照度往往达不到我国的现行标准，照度分布不均匀，且教室眩光现象严重。

其次，“漫反射日光率”、“昼夜节律刺激”是和日光光源紧密相连的评价指标。这两个指标，目前对于我们来说是比较陌生的。“漫反射日光率”是指工作平面没有直射阳光的百分比。教室的直射光会造成眩光，光照分布不均以及热不适等情况。设计师需要在设计上考虑建筑出挑，或是增加百页等遮阳措施，使进入教室的光线尽可能为漫反射日光，提高漫反射日光率。例如位于美国北卡罗来纳州的史密斯中学教室采用了南北向的三角形屋顶垂直窗采光，老虎窗底部采用百叶能够有效地防止眩光(图2)。立面采用了凹窗结合倾斜的反光板，能够有效地阻挡直射光进入，起到减少眩光的作用(图3)。这种采光设计在满足照度要求的同时能够大大增加漫反射日光率。

图2 屋顶垂直窗的采光模型[7] Fig.2 Roof daylight model

图3 立面开窗采光模型[7] Fig.3 Window daylight model

设立“昼夜节律刺激”这一评价指标是因为科学研究表明，人体的生理节律周期略长于地球自我循环时间，日光可以促使人体的昼夜节律与地球同步，特别是早晨的阳光能够改善青少年的睡眠模式[5]。因此文献[6]中指出，我们在进行学校采光设计时，应该尽可能使学生接触早晨的日光以促进昼夜刺激；用0：00—24：00表示昼夜刺激潜力的大小。绿色的评价标准为在给定的条件下全年应有足量的日光照度能够刺激学生的生理系统。红色则表明在这种采光模式下学生不能接收到足量的刺激生理系统的日光，会容易出现“生理黑暗”的情况。

除了上述五项指标外，还有一项我们非常熟悉的指标——“窗地比”。窗地比是指该空间窗户或天窗的面积与地面面积的百分比。在我国，窗地比被认为是与我们建筑设计最为密切相关的采光指标。GB 50099—2011《中小学校设计规范》中规定教学用房的窗地比应该大于五分之一，即大于20%。在我国传统的教育建筑采光设计中，设计师通常采用加大侧窗的模式以满足照度要求。但大面积的侧窗常常会造成教室眩光现象严重，采光不均匀。在这种情况下，仅依靠自然光照明并不能达到国家规范要求的平均照度最低值。所以老师在上课时往往会拉上窗帘，只依靠人工照明。而这不仅浪费能源，也不利于青少年的视力健康。而文献[6]显示：窗地比需要小于10%才能达到绿色标准，10%～20%为黄色标准，若大于20%则为红色标准。这主要原因是文献[6]中认为对于中小学校来说，墙壁是非常重要的教育资源，可以用来进行专题教育、展览等教学活动。这里需要指出的是，美国中小学校室内上课的位置通常不是固定的，这就要求教室有更多的实墙面。此外，由于窗户和天窗的成本通常高于固体墙壁,因此减小玻璃面积可以降低施工成本。虽然大面积玻璃可以提供更大的景观和光线,但是它们会造成眩光，也会带来更多的热量以及增加制冷成本。文献[6]认为我们在进行采光设计时不能一味地追求大面积开窗，而是应当使建筑窗户或天窗面积最小化，以控制建设成本。

而我们认为，美国中小学校之所以采用10%左右的窗地比却仍然能够满足教室采光的照度要求，是因为他们对中小学校建筑进行了大量的采光设计研究和实践，对开窗的形式有比较创新的设计方法，包括设计增加阳光进入量的导光措施和防止眩光的措施等。例如美国的里迪·福克小学教室采用了老虎窗和弯曲的半透明光架结合的采光设计。这种采光设计，在保证一定照度的情况下，能减少约40%的开窗面积。倾斜的天花板，促使光线进入到教室的更深处。南向的老虎窗采用倾斜的导光板，起到了遮阳和防止眩光的作用。这些措施不仅减小了窗地比，更加节能，而且使室内光线更加均匀，最大程度避免了眩光。

最后“视野量”和“太阳辐射得热”是与采光没有直接联系的两项评价指标。其中“视野量”这一评价指标对与我们来说也比较新颖。文献[6]认为窗户有观景和采光两种作用。有些窗户可以采光，但并不一定能够使人们看到窗外的景观，例如选择半透明的天窗。设计师在设计学校窗户时也应提供足够的视野量，使学生能与室外产生交流。“日照得热量”是指通过玻璃吸收的太阳辐射热量。在寒冷的月份太阳辐射热能够提供被动式采暖，但是在夏季或炎热的月份，太阳辐射热会使室内过热，增加制冷费用。因此文献[6]并没有对日照得热量的多少进行颜色评价，而是对提到的每种采光模式给出了基于美国特定时区的日照的得热总量。

3 结束语

采光仪表板评价法是一种直观的概念性图形分析法，能够直接反映各项采光指标的优劣。它对我们进行中小学校天然采光设计研究具有重要的参考价值。采光仪表板评价法对采光指标有了更多方面的关注，如“全自然采光百分比”、“视野量”等。但是更多的评价指标也对我们的建筑采光设计提出了更高的要求。这就要求我们在实验研究和实践的基础上,充分结合实际情况，探索适宜的建筑采光设计模式和采光评估标准，可以借鉴LRC的采光仪表板评价法，如该法中各个采光目标所占的权重以及各采光目标的颜色和比例划分都值得我们进行深入的研究。