一种新型组合式侧窗采光系统——以重庆高校普通教室为例

陈春宇,严永红

(1.重庆大学建筑城规学院,重庆 400045；2.山地城镇建设与新技术教育部重点实验室,重庆 400045)

引言

天然光对居住者的健康、生产效率和节约能源都有着重要价值。天然光可预防近视[1]、促进眼球的发育[2]、改善情绪[3,4]、调节昼夜节律[5]，缺乏日光会对睡眠周期产生不利影响[6]。天然光还可促进人的行为积极性，提高学习能力和生产效率[7-9]。充分利用天然采光可减少能耗[10,11]。

目前在重庆高校单侧窗普通教室中天然光通常并未得到充分利用。由于侧窗采光方式[12]和地处日光资源匮乏的光气候V区[13]，阴天时天然采光效果不佳，且普遍存在近窗区照度过高而远窗区照度不达标等问题，光环境质量有待改善。

目前已有许多天然采光系统试图改善单侧窗建筑空间的采光质量[14]。其原理通常是利用几何结构收集窗口附近的日光并将其重定向到室内深处。常见的有反光板、棱镜、采光百叶窗等[15]。根据可调节程度采光系统还可分为静态[16]和动态[17,18]两类，后者通常采光性能更好[17]，但需要精细的可移动结构和精准的调控装置[15]，成本较高且可能会分散室内人员的注意力[19]，因此出现了许多采用特殊几何设计可反射不同光线的静态采光系统，但多针对晴天为主地区开发。目前对于重庆等阴天为主地区的成本可控、维护简便的侧窗采光系统的研究较少。

本文以此为切入点，在实地调研的基础上，提出组合式侧窗采光系统，兼顾采光性能、适用性、可行性等三方面因素，可同时满足重庆高校单侧窗普通教室在冬季北向等阴天时的采光需求和夏季南向等晴天时的遮阳需求，并通过采光模拟软件对该系统各组件的最佳设计进行研究。

1 重庆单侧窗普通教室采光现状

1.1 调研对象与方法

普通教室作为学生使用时间最长的学习地点，其光环境质量的重要性不言而喻[20,21]。本文选取重庆大学B区第二综合楼的单侧窗普通教室作为调研对象，分别在冬至日、春分日的晴天和阴天时(表1)进行实地测量。选取2南2北正对的4间教室(表2)，楼层为9楼，避免周围环境遮挡。

表1 测量信息Table 1 Measurement information

表2 教室信息Table 2 Classroom information

采用照度计、激光测距仪等仪器测量天然采光下课桌平面照度在一天中的变化，测量操作严格按照《采光测量方法》(GB/T 5699—2017)相关规定，测量高度取 0.75 m，测试点采用1 m×1 m 网格布局，测量时关闭人工光。

1.2 调研结果与分析

调研发现(表3)，在冬至晴天、冬至阴天、春分晴天、春分阴天4种天空条件下，晴天的照度水平好于阴天，南向教室好于北向教室，春分时期好于冬至时期。春分日晴天时4间教室的平均照度均满足450 lx标准要求，冬至日晴天时仅有1间教室的照度达标。

表3 各教室在进深方向和一天中各时刻的照度值变化Table 3 Changes in the illuminance value of each classroom in the depth direction and at each time of the day

全阴天空下，所有教室的采光情况都十分不理想，平均照度均远低于450 lx。春分日时，教室平均照度较低仅147～281 lx，冬至日时甚至低于100 lx，仅50～96 lx，无法满足教室的视觉作业需求。

全晴天空下，冬至日时的教室采光情况仍不理想。春分日的所有教室在所有时刻的照度值均高于450 lx满足标准要求，其中北向教室照度最高时刻在16:30—17:00，南向教室的平均照度最高时刻在14:30之前；冬至日时南向教室在15:30—16:00之后低于450 lx，而北向教室在所有时刻均低于450 lx。

总体而言，所调研的4间教室均存在照度水平较低、进深方向照度分布不均匀的问题，重庆高校单侧窗教室光环境质量堪忧，需采用性能高效、可行性高、可靠性强的采光系统进行改善，满足晴天、南向教室的遮阳需求和阴天、北向教室的采光需求。

2 一体式窗口采光系统

2.1 采光系统的设计

采光系统从可调节程度来看，手动控制的动态采光系统由于人员操作的不频繁性和不准确性，实际的采光效果较理论值要差[19]；电动控制的动态系统可靠性更强但成本更高，且基于日光追踪的控制方法在重庆等阴天为主的地区适用性较差。相关系统有LBNL[15]研发的利用滚轴实时调节反射面位置的动态反光板系统[图1(a)]、Lee[22]提出的宽度可调的伸缩式反光板系统[图1(b)]和Eltaweel[17]设计的根据太阳高度角和方位角实时调整叶片水平和垂直方向偏转角度的双轴式采光百叶窗系统[图1(c)]等。

图1 动态采光系统Fig.1 Dynamic lighting system

静态系统利用特殊的组件形状实现对全年不同角度的光线的重定向，同样具有较好的采光性能，然而常见的静态系统均不太适用于重庆地区的采光更新设计。如由参数计算形成的可均匀地重定向光线的OLS系统[23][图2(a)]、基于CPC原理[24]的与立面深度结合的Anidolic系统[25,26][图2(b)]和综合采光百叶窗与棱镜组件的Soralux系统[19,27][图2(c)]。其中Anidolic系统涉及与立面墙体的深度结合，不适用已建成建筑；OLS系统和Soralux系统的叶片宽间比过高且所有入射光线均在系统内多次反射损耗较大，更适合晴天为主地区。对于重庆等日光资源缺乏地区，允许通过适量的直射阳光并且采用单次反射的方式减少损耗是十分有必要的。

图2 静态采光系统Fig.2 Static lighting system

在重庆等阴天为主地区，各类采光系统的组合应用可取得更好的采光性能。Lee[28]将反光板与三角棱镜结合，提高了室内光线的均匀度和节能效果，但建议在冬天时拆除棱镜片以避免阻挡光线。Lim[29]将采光百叶窗与反光板组合应用，将有效采光深度从窗口高度的2.5倍显著提高到3.6倍。

通过调研在明确了采光系统的设计需求的基础上，结合以上国内外相关研究并对比了各类系统的特点后发现，挑出于立面的反光板可引入更多天然光，采光百叶窗则具有体积小易与立面融合的优势。因此，本文提出适合重庆高校普通教室的性能高效、适用性强、经济效率高的组合式侧窗采光系统(图3)。该系统将窗口分成上部的高透射采光窗和下部透射率适宜的观景窗，在上段设置采光百叶窗并集成于高透射率双层玻璃内提高系统的防尘性能，在中段设置反光板提高对天然光的收集能力，在下段设置穿孔帷幕提高近窗区的遮阳性能。

图3 组合式侧窗采光系统Fig.3 Combined side window daylighting system

2.2 采光系统的组件

本文提出的组合式侧窗采光系统以采光百叶窗为核心组件，以高透射率采光窗口和反光板为附加采光组件，以穿孔帷幕为附加遮阳组件。

采光百叶窗是常用的采光系统之一，如清华大学超低能耗示范楼[30]采用了电动控制的室外采光百叶窗系统。本系统的采光百叶窗组件的叶片形状采用直板式设计，减少了加工难度，并且将叶片设置于高透射率的双层玻璃间增加防尘能力。

反光板挑出深度更宽可引入更多的光线，能明显提高远窗区域的照度水平。Ahmad[31]研究表明反光板在阴天时也能提升远窗区的照度，将照度均匀度提高30%～90%。Littlefair[16]研究表明反光板可提高15%的核心区照度。本系统采用了采光性能更好[32]的室外室内结合式反光板组件，形状采用直板式和CPC弯曲式，高度的设置注意避免眩光且不阻碍视线和通行。

在利用反光板组件提高了远窗区的照度后，系统的采光效率得到增强，但对近窗区的光线控制能力减弱，因此利用系统下段的穿孔帷幕组件提升遮阳能力。Uribe[33]研究表明，穿孔材料可在维持较好的视看效果的同时具有良好的遮阳效果，可避免眩光，还可降低制冷能耗。

2.3 采光系统的细部处理

采光系统的材料的反射系数大于 80%较为适宜[34]，镜面材料可能增加采光数量，但会在顶棚上形成“光斑”[35]需谨慎使用，可进行凹凸处理。系统中反射组件的上表面采用铝板[36]等反射率为90%的高反射材料提高采光性能；下表面采用反射率为50%的深色哑光涂层避免眩光，还可另附一层吸声材料避免反射噪声。

采光系统具有较好的可维护性，上段的采光百叶窗组件利用双层高透射玻璃彻底密封，中段的反光板组件则具有一定的倾斜坡度并且与立面留出一定缝隙方便排水和清洁。此外，各组件均有足够的强度，保证系统的安全性和可靠性。

3 采光系统的优化设计

3.1 模型建立

在调研的基础上，利用模拟软件对采光系统各组件进行优化设计。通过单因素实验、正交实验和遗传算法探索各组件的性能影响因素和规律，最终得出适合重庆高校普通教室的组合式侧窗采光系统的最佳设计参数。

采用Grasshopper平台上基于Radiance和Daysim采光模拟引擎的Ladybug和Honeybee插件。采光模拟参数采用Jacobs[37]在研究中提出的高精度模拟的推荐值，即-ab=4、-ad=1024、-ar=256、-aa=0.1；测试点的高度设为0.75 m，网格采用0.5 m×0.5 m布局[38]。选择南向和北向这两个典型的教室朝向，并根据调研时采集的具有代表性教室数据建立仿真模型(表4)。

表4 教室模型Table 4 Classroom model

3.2 评价指标

采用全年天然光有效照度比(UDI)和天然采光眩光指数(DGI)等两项指标来评估教室的采光效果。

UDI相比于采光系数、日光自治率(DA)等，可评估全年各种天空条件下整体的采光情况且排除了易引起眩光的过高照度，能够更全面且合理地衡量天然采光情况。其中天然光有效照度范围结合了Nabil和Mardaljevic等[39,40]建议的100～2 000 lx和《建筑采光设计标准》(GB 50033—2013)规定的普通教室天然采光照度标准值为450 lx等两项取值，设定在450～2 000 lx(即UDI450_2000 lx)。

《建筑采光设计标准》(GB 50033—2013)中规定DGI小于20眩光程度为“无感觉”、20～23为“轻微感觉”，本文以此为依据采用DGI并结合UDI>2000 lx对采光系统可能造成的眩光进行综合判断。选取南向和北向教室各自眩光最严重时刻在眩光最严重视看角度的DGI评估室内视觉舒适度。通过事先模拟，最终确定南向和北向教室眩光最严重时刻分别为12月和6月正午，眩光最严重视看角度均为远离窗户的前排区域在1.2 m坐姿高度[41]看向黑板方向。

3.3 优化过程

本文分三步优化适合重庆高校普通教室的组合式侧窗采光系统。将易加工、易安装、对立面影响较少的采光百叶窗集成密封于上部采光窗的双层玻璃中，提高了防尘能力，采光性能更稳定，因此将采光百叶窗作为组合式侧窗采光系统的核心组件，并以此为基础进行性能优化。

首先是对核心组件采光百叶窗的设计进行研究。通过文献查阅确定其叶片角度、间宽比、宽度、安装高度等影响因素[图4(a)]的水平取值，利用单因素实验探索各因素的影响规律，找到南向和北向教室各自的最佳取值范围并细分，展开正交试验，得到采光百叶窗的最佳设计组合。

其次，通过Grasshopper平台中的遗传算法[42]插件Gapalagos，采用类似生物进化的自然选择过程来优化与采光百叶窗组合的直板式和CPC弯曲式反光板组件。CPC原理是指所有通过焦点射向抛物线上的光线都将被反射成平行的光线这一特性[43,44]，被广泛运用于太阳能收集装置和灯具设计等领域[45]。直板式反光板由室外和室内部分的宽度和角度等4个设计参数控制，CPC弯曲式反光板则由抛物线的焦点位置、CPC曲线度数、抛物线宽度等参数控制[图4(b)]。为节省模拟时间，遗传算法的目标指标采用远窗区的采光系数。

图4 采光系统各组件的设计参数Fig.4 Design parameters of each component of the daylighting system

最后，在重庆日照强烈时全天开启采光系统的穿孔帷幕组件，提高遮阳性能。开启时间选择在重庆标准年总照度值较高、日照时数较长[46]的5月到8月。在前两步的基础上优化与之搭配的遮阳帷幕的穿孔率，对比单一式和组合式共9种穿孔情况[图4(c)]，确定最佳穿孔率。从而最终确定适合重庆高校普通教室的组合式侧窗采光系统。

4 模拟结果与分析

4.1 核心组件

采光百叶窗组件的各影响因素的单因素实验水平取值如表5所示，实验时按照单一变量原则，将各因素保持在基准水平仅依次改变需观察的因素水平。

表5 采光百叶窗组件各影响因素及水平取值Table 5 Various influencing factors and level values of daylighting shutter components

结果表明(表6)，设置采光百叶窗后，教室 UDI450_2000 lx有着明显改善，随着角度的增大呈现先升高后降低的趋势。其中北向教室的最佳角度比南向大，这是因为在北向更大的叶片角度可反射更多的天然光，在南向较低的角度有利于控制近窗区过多的光线。

表6 采光百叶窗各因素水平变化对教室UDI450_2000 lx、DGI、UDI>2000 lx的影响规律Table 6 The influence of changes in the level of various factors of daylighting blinds on classroom UDI450_2000 lx,DGI,UDI>2000 lx

随着间宽比的增大，南向教室的UDI450-2000 lx逐渐降低，北向教室则先升高后降低，较低的间宽比更有利于遮阳。随着宽度的变化，UDI450-2000 lx变化不明显。组件尺寸的变化对采光性能的影响较小，可根据实际情况进行等比例调整。随着高度的增高，UDI450_2000 lx逐渐降低，因此在不遮挡视野、不影响通行的情况下安装高度应越低越好。大量已有研究将高度设在2 m左右[14,19,47]，结合我国平均身高[41]和相关规范的规定，本文的组合式侧窗采光系统设置在2.2 m高度。

设置采光百叶窗组件后，UDI>2000lx随着角度、间宽比、高度的减少而降低，对宽度的变化不敏感，教室整体DGI变化不显著，南向教室均在21.5左右能轻微感受到眩光，北向教室在19.5左右不会感受到眩光。

在单因素实验得到的最佳取值范围上将因素水平细分，进行L25(53)正交实验。最终得到南向教室的最佳采光百叶窗组件为“A18/D50/W100”，可提升93%的近窗区UDI450_2000 lx；北向为“A18/D80/W220”，可分别提高72%和30%的近窗和远窗区UDI450_2000 lx。

4.2 附加组件

通过遗传算法，经过数千次模拟分别得到与集成于高透射玻璃内的最佳采光百叶窗组件搭配的直板式和CPC弯曲式反光板组件的最优设计。结果表明(表7)北向教室适合采用CPC弯曲式反光板组件，可分别提高81%和73%的近窗和远窗区UDI450_2000 lx；南向教室则适合采用直板式反光板组件，可分别提高100%和19%的近窗和远窗区UDI450_2000 lx。

在核心组件的基础上附加采光组件优化了系统的采光性能后，再附加遮阳组件进一步优化系统的遮阳性能，研究其仅在日照强烈时期开启时的最佳穿孔率组合。结果表明(表7)南向和北向的最佳穿孔率均为50%，可将UDI>2000 lx控制在2%、DGI控制在22，极大地降低了眩光的可能，对南向近窗区UDI450_2000 lx也有高达59%的提升。

表7 附加采光组件和遮阳组件对教室UDI450_2000 lx、DGI、UDI>2000 lx的优化Table 7 Additional lighting and shading components optimize classroom UDI450_2000 lx,DGI,UDI>2000 lx

4.3 系统性能

比较采光系统的每一步优化策略对教室UDI450_2000 lx在空间和时间上的改善作用(表8)。结果表明，最佳采光百叶窗显著提升了近窗区UDI450_2000 lx和全年UDI450_2000 lx。集成反光板组件后，远窗区UDI450_2000 lx有较明显提升，且再次提高了全年上午和下午的UDI450_2000 lx。设置5月到8月全天开启的穿孔帷幕组件后，近窗区和正午时的UDI450_2000 lx有明显改善，在南向教室的春秋季的正午还可按需开启以进一步提高教室的采光质量。

表8 采光系统优化策略在空间和时间上的UDI450_2000 lx表现Table 8 UDI450_2000 lx performance of daylighting system optimization strategy in space and time

经过三步优化(表9)，组合式侧窗采光系统可显著改善重庆等阴天为主地区的高校普通教室的采光质量。南向教室近窗区UDI450_2000 lx提升了142%，远窗区提升了20%；北向教室近窗区提升了102%，远窗区提升了68%。南向教室UDI>2000 lx控制在33%以下，北向教室在8%以下，极大地减少了眩光可能性。

表9 组合式侧窗采光系统的UDI450_2000 lx和UDI>2000 lx Table 9 UDI450_2000 lx and UDI>2000 lx of combined side window daylighting system

5 结论

调研发现重庆高校单侧窗普通教室采光效果不理想，需进行优化设计，以提高阴天、远窗区、北向教室的照度水平，并控制晴天、近窗区、南向教室过多的光线。

本文将采光百叶窗、反光板和穿孔帷幕组合，提出了经济效率高、可操作性强的适合冬季以阴天为主、夏季以晴天为主地区的侧窗采光系统，极大地改善了教室采光质量，提高了均匀度。将南向教室UDI450_2000 lx提升到70.2%，北向教室提升到81.5%，提高了天然光利用率，有着重要的健康和节能价值，还可为其它地区和侧窗建筑空间的采光优化策略提供理论基础和设计指导。