不同采光顶形式的建筑光环境模拟分析

金 姗

(沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110168)

采光顶作为改善进深大建筑室内采光的一项有效技术措施，近年来应用越来越广泛。玻璃采光顶是一种以改善室内光环境为主要目的的建筑屋顶的建造形式，由于采光顶具有视觉效果佳、结构简单、减少灯光布置等优点，在公众建筑设计中很受设计师欢迎，出现频率极高，其中最主要的应用场所有商场、体育馆、火车站等。不同的采光顶形式下的室内光环境有着一定的差别，本文探究平顶型、穹顶型、坡型3种形式下采光顶的室内光环境的差异，选择适合该建筑的最佳的采光顶形式。

1 模型建立

本文以沈阳市某具有采光顶结构的商场为原型，该原型的建筑尺寸为长140m，宽100m，高22.5m，共5层，1～5层层高均为5.5m，建筑总面积14000m2，体型系数为0.123，通过查阅公共建筑节能设计标准，该建筑属于甲类公共建筑，规范对每一类型的建筑都有各自的要求，该类建筑每一面的窗墙比应≤0.6，若屋顶有透光部分，则该部分的建筑面积应小于屋顶总面积的20%。该建筑采光顶尺寸为长35m，宽25m，具有2个尺寸相同的采光顶，采光顶总面积为1750m2，满足节能设计标准要求，内部结构为具有不同功能类型的房间若干个，每个房间各自独立，侧墙不透光，基础设施完善。

1.1 模拟条件设置

1.1.1 模拟条件设置

冬至日为全年中太阳高度角最小，太阳光扫过的面积也是最小的，所以冬至日为最不利条件，该天满足条件，则全年都可满足。

1.1.2 玻璃材质选择

玻璃的热工性能对采光顶有直接的影响，目前市场上大多数普通玻璃的热工性能较差，所以有很大的可能会在玻璃表面产生露水，而且北方冬季室内外的温度差比较大，普通玻璃的内表面极易达到空气的露点温度而产生结露现象，从而产生冷凝水，冷凝水对玻璃有着极强的腐蚀作用，故为避免该种不利情况产生，结合大量文献，找到解决方案为增加玻璃的层数，采用复合中空玻璃来提高采光顶的热工性能。根据规范规定，该类建筑的采光顶玻璃材质的传热系数应≤2.3，侧窗玻璃材质的取值为≤1.7。具体参数如下：选取中空夹层玻璃，传热系数K=2.3，侧窗玻璃的传热系数K=1.5。

1.1.3 墙体、屋面材质设置

通过查阅相关规范，得到该地区该类建筑的各项参数的规定值，甲类公共建筑严寒C区，外墙材质的传热系数应≤0.43，屋面材质的传热系数应≤0.35。具体参数见表1、表2。

表1 墙体参数设置

表2 屋顶参数设置

1.2 建立模型

根据上述模拟条件，采用Ecotect软件建立数学模型，Ecotect是一项可持续建筑设计分析软件，Ecotect软件可以对室内的光环境进行详细的分析与计算，可设置多种不同工况，模拟不同情景，同时可以得到采光系数、光照时间等室内光环境评价指标。

在建筑中，由于太阳在天空中的位置无时无刻不在变化，而且不确定因素干扰较多，光环境极其复杂，若对建筑每个时间段都进行模拟工作量很大，故模型的采光分析中采用的是最不利的情况进行采光分析，最不利情况为阴天情况，模型建立如图1～3。

2 室内光环境模拟

本文分析的室内光环境主要从以下3个方面来评价，分别为采光系数、光照时间、光照均匀度。

通俗来讲，采光系数是指在有遮挡建筑物里的某一点，与室外同一水平面无遮挡的同一点，在同一时间接收到太阳照度的比值。某一平面上的一点，受太阳光照射的时间称之为光照时间。光照均匀度是参考平面上的采光系数最低值与平均值之比。

2.1 室内光环境评价方法

根据上述3个室内光环境评价指标，查阅相关文献及规范，整理得到具体限制值，如表3。

表3 采光等级对应采光系数表

按照规范规定，工业建筑以距离地面1m为基准面，民用建筑选取的基准面为距离地面0.75m，公用建筑以地面为基准面。本建筑类型为公共建筑中的商业建筑，故选取每一层的地面为确定采光系数的基准面，采光系数最高不宜超过7%。光照时间理论上不小于2h。

对于具有顶部采光需求的建筑，每一等级的光照均匀度均应≥0.7。

2.2 采光顶形式对光环境的影响分析

运用软件分别对平顶型采光顶、圆弧型采光顶以及坡型采光顶进行模拟，在保证其它条件都相同的情况下，通过改变采光顶的形式对具有不同类型采光顶的建筑进行光环境模拟分析，分别对采光系数、光照时间、光照均匀度进行模拟对比分析。通过模拟，得出的模拟结果见图4～6。

图4 测点10采光系数变化 图5 测点10光照时间变化 图6 光照均匀度变化

3 光环境模拟分析结果

从以上采光系数、光照时间、采光均匀度的数据整理来看，平型采光顶、圆弧形采光顶、坡型采光顶的采光系数大致相同，没有特别大的变化，随着楼层的增加，采光系数不断增加，3种形式的采光系数较规范规定超出一小部分，应采用适当的遮阳手段进行调节；从光照时间上来看，每一层的光照时间随着楼层的增加不断增加，这是由于楼层越高，阳光的散射越大，光照时间更长，3种形式的采光顶中，平顶型采光顶的光照时间要优于圆弧形采光顶和坡型采光顶；图6是采光均匀度的数据整理图，每一层分别取了256个测点进行采光均匀度的分析，得出的结论为平顶型采光顶和坡型采光顶的均匀度相较于圆弧形采光顶的要好，一层的采光均匀度相较于其它层来说较好,这是由于一层距离采光顶较远，接收到阳光有限，与其它没有采光顶的位置接收到的阳光大致相同。

综上所述，平顶型采光顶与坡型采光顶的室内光环境与圆弧形采光顶相比较好，从整体数据来看，平顶型采光顶更加适合该建筑模型。