局部弧形顶棚对单侧采光教室的采光影响研究

文/徐畅泽 河北工程大学建筑与艺术学院 河北邯郸 056038

1、调研

1.1 基本情况

笔者选择第III类光气候区中的安阳为调查区域，选择安阳师范学院和安阳工学院的个别教室为调研对象。测点循着窗中线和窗间墙中线横向间隔1m排开。

1.2 调研结果及其分析

①安阳师范学院和展楼B303室

该教室为北向采光。2019年5月12日15点15分和15点45分测得的照度平均值分别为669lx和658lx，照度均匀度分别为0.13和0.11，显然照度平均值都很高，但照度均匀度均较低。 5月13日8点35分至11点35分每隔一小时进行一次测量，所得照度平均值分别为664lx、857lx、807lx和672lx，照度均匀度分别为0.12、0.1、0.11和0.13，显然该时段教室内的照度平均值都很高，但照度均匀度都较低。

②安阳工学院土建学院409室

该教室朝南采光，且面积较大。2019年5月13日14点35分至16点35分每隔一小时进行一次测量，所得照度平均值分别为580lx、466lx和339lx，照度均匀度分别为0.16、0.17和0.17。照度平均值下降明显，照度均匀度几乎无变化，说明此时段受室外光环境的影响较大。而照度均匀度始终较低，说明室内进深深处收到的光量始终处在较低水平，照度最小值的波动与照度平均值的波动节奏相一致。16点35分距南侧窗3m至9m这一进深区间内测点基本已达不到《建筑采光设计标准》（GB50033-2013）中条文4.0.4对最低照度450lx的规定。

表1 模拟参数设定及教室内部景象

2、建模

结合调研结果来建立教室模型，设定为单侧采光的内廊式教学楼中的教室。结合安阳的气候将窗户设定为单层玻璃单层窗，南北向教室各一间，且周边无明显遮挡物。目前国家和地方标准中对高校教室的层高暂未做出明确规定，但在《北京市绿色建筑设计标准》（DB11/938-2012）的7.2.4条给出了学校建筑适宜层高，认为学校等建筑层高宜不小于3.6m。此处可借鉴北京市地方绿标中的这一规定，故将层高定为3.6m。水平顶棚与窗上沿齐平，各材料的反射率在符合各标准和规范下本着尽量提高室内反光水平而设定，详细参数和教室内部见表1。

3、模拟

0.75 m的工作面高度与《采光测量方法》（GB/T5699-2017）中将民用建筑的采光测量水平参考平面定为0.75m相一致，也接近实际课桌高度。春秋分日选用Intermediate Sky，它是介于晴天和全阴天之间的天空，用以模拟典型的过度季节条件。夏至日选用Sunny Sky，它是使用CIE晴天模型产生太阳和晴朗蓝色天空，用以模拟最有利的夏季设计条件。冬至日选用Cloudy Sky，它是使用CIE全阴天模型产生一个完全被云笼罩的天空，用以模拟最不利的冬季设计条件。先在软件Ecotect和Radiance中进行采光系数与四个节气日照度的模拟，再在Daysim中进行动态模拟，模拟结果见表2。

结论：

（1）采光系数（DF）、DF≥3%占面积比与采光均匀度

南北向教室的空间形态是对称的，不同朝向与采光系数的分布无关，故工作平面上的采光系数分布也一致。南北侧教室在进深深处上空设置圆弧顶棚后的DF平均值均略有提高，但增幅不大。采光均匀度都有所提高，归功于增加了进深深处各点的采光系数，也就在采光相对较弱的区域上空设置圆弧顶棚后使得教室内采光更加均匀了。DF≥3%占面积比略有上涨，虽增幅不大，但终归是有益的。南北向两个教室的采光均匀度在设定了弧形顶棚后均有大幅提升，增幅均为20.7%。

（2）四个节气日12点照度与照度均匀度

南向教室内因近窗处存在大量直射光，导致照度均匀度较低。与其相对应的北向教室的照度均匀度则较好。从表2中可看出南向教室即使设置了局部弧形顶棚，四个节气日的照度均匀度除冬至日外均低于北向水平顶棚教室的照度均匀度。造成这种情况的一大原因是南向教室近窗处收到的直射光较多，故可在南侧教室窗户的适当位置设置兼有反光作用的遮阳板，在晴天和多云天时可以遮挡部分时段的太阳直射光，同时将遮挡的光线反射到顶棚，光线经过顶棚的再次反射便可到达进深深处，从而在降低近窗处照度的同时提高了进深深处的照度，也就实现了整个教室照度均匀度的提高。冬至日时，可见在相当于全阴天这种最不利采光的天空下，两种顶棚下的南北向教室的照度均匀度较为接近，除南向教室在水平顶棚下为0.26，其余均达到稍高的0.28。

表2 两侧教室模拟结果

（3）DA与UDI

南北向教室在设定了局部弧形顶棚后使得全天然采光时间百分比(DA)这一动态评价指标的平均值均略有上升，即表明工作平面上各点在全年工作时间中单独依靠天然采光就能够达到最小照度450lx要求的时间百分比平均值有所增加。而有效天然采光照度时间百分(UDI)的各区间评价指标的改变则并不明显。

综上，在采光条件较差的单侧窗教室进深深处上空设置反射率较高的弧形顶棚可起到提升采光均匀度和照度均匀度的目的，对全天然采光时间百分比(DA)平均值有小幅的提升，对有效天然采光照度时间百分比(UDI)的改变并不明显。本文弧形顶棚的弧度是笔者在建模时随意画出的，由此得出了上文中的相关结论。以何种形式的局部弧形顶棚结合具体的教室空间能够产生较好的采光环境，这需在教室采光设计时结合计算机模拟进行具体情况具体分析，进而改善因进深超过采光有效进深引起的局部采光不足和整体采光不均。