建筑外遮阳形式对室内光环境影响的研究

由玉文，武录森，郭建峰，郭春梅

（1.天津城建大学，天津 300384；2.河南建筑职业技术学院，郑州 450064）

室内光环境是室内环境的主要方面之一，光照对人的情绪，工作效率，认知等方面发挥着重要的作用[1].设计合理的建筑节能采光形式能有效节约建筑的能耗，这已经成为绿色建筑节能的关键措施[2].向俊米等[3]研究得出，合理的遮阳设计能以低廉的成本达到良好的遮阳效果，有效地改善居住建筑室内环境质量.随着国内绿色建筑设计、评价的快速发展，建筑情况复杂、工作量巨大等因素导致了室内光环境往往难以进行实地测量，因此计算机模拟等辅助手段对绿色建筑评价提供了很大的帮助[4].

目前，在绿色建筑中与风、光、热相关的模拟软件存在较多，软件模拟过程的边界问题没有统一的标准.所以，只有对建筑中常用的数值模拟计算方法作标准化的规范，才能够降低因为计算方法不统一、模拟边界条件、主观人为因素导致绿色建筑考察指标的不准确[5].Reinhart等[6]通过发起问卷调查得出在这些模拟软件计算过程中，自然采光系数和照度值是最常用的输出值；遮阳类型的选择也是根据数值模拟的结果选择的，他们统计了40多种采光数值模拟软件，发现这些模拟软件都是以Radiance为计算核心的.

许多学者通过采光模拟软件对建筑外遮阳技术进行了一系列细致研究：赵忠超等[7]阐述了建筑采光模拟软件的种类及特性，然后通过实测与模拟对比的方法，对几种建筑采光模拟软件进行了计算精度的验证，得出Radiance和Ecotect在采光系数方面的模拟精度很高；同时在照度方面Radiance可以获得比较准确的模拟结果.Athienitis等[8]对百叶遮阳的遮阳角度进行了实验研究，在遮阳百叶倾角为78°，太阳高度角为15°的时候，室内透光率最大.Manzan等[9]通过利用软件模拟，对某办公建筑的外遮阳形式进行了采光性能的优化，达到了良好的节能效果.陈春燕等[10]运用Radiance软件，对某酒店标准层客房进行了自然采光模拟，对比分析了有无阳台时室内照度的变化，模拟得出在有阳台遮蔽时室内照度显著降低，95%以上均位于300 lux到2 400 lux区间范围内，整体落在推荐值区间.苏晓明等[11]利用Radiance软件对教室模型进行采光模拟，通过对比四种教室进深尺寸对室内光环境的影响，得出室内光环境质量随着教室进深尺寸的减小而提高，当教室进深为7.5m时的室内采光质量最好.王欣[12]利用光环境模拟软件Ecotect和Radiance对五个气候区的典型城市进行模拟，分析了不同气候区的不同窗墙比对建筑室内照明能耗的影响，得到建筑遮阳对室内光环境的影响规律.

从以上的分析中可以看出，如何设计合理的建筑外遮阳形式对建筑节能和室内采光有重要的影响.但是现有研究大多仅考虑单一的遮阳形式，未考虑采用不同的建筑外遮阳形式对同一建筑房间所产生的影响.本文建立了办公建筑的物理模型，以北京的气象参数为例，模拟在夏至日晴天环境下，水平遮阳、垂直遮阳、综合遮阳和百叶遮阳对室内的照度、平均照度和照度均匀度的影响.

1 模型的建立

本次分析以形式较为简单的单间办公室为研究对象.所建立的物理模型尺寸为5 m×4 m×3 m（长×宽×高）.为了满足《公共建筑节能设计标准》的要求，窗户尺寸为2 m×2 m，窗墙比为1/5[13].另外由于《办公建筑设计规范》中对于办公建筑室内采光的规定，侧窗采光离地面0.8 m以下的部分不计入有效的采光面积，所以本模型，窗户下沿距离地面0.8 m.模型房间的室内各个表面的反射率根据《办公建筑设计规范》设定，墙面为0.75，地板为0.25，天花板为0.75[14].窗户为单层6 mm铝合金框窗.室内的工作台面选取距离地面750 mm处.为了使模拟结果更加准确，水平面选取0.2 m，高处选取0.3 m为一个计算网格，因此横向和纵向的网格数分别为15和20个.采光房间模型的剖面图如图1所示.

图1 采光计算房间剖面

2 模拟工况的选择

对于建筑，室内的光环境是复杂多变的，受很多因素的影响，比如太阳辐射照度、太阳高度角、室外的天气情况，并随着这些因素的变化而不断变化[15].出于对现实需求的考虑，笔者选取了6月21日（夏至日）晴天状况下水平遮阳、垂直遮阳、综合遮阳和百叶遮阳这四种遮阳情况，做全天的室内光照模拟.模拟气象参数采用北京市的气象参数.图2是夏至日室外照度变化图.从图中可以看出在晴天，室外照度变化非常剧烈，特别是早上和傍晚，而在中午，室外照度达到了最大值[16].另外，外遮阳对室内采光的影响在一天中也是不相同的，因为外遮阳主要遮挡太阳直射，因此太阳对窗户的直射作用随全年太阳高度角和方位角的变化而变化[17].

图2 夏至日室外照度变化曲线

3 光照模拟结果分析

3.1 水平遮阳

水平遮阳板置于窗户上方，长2 m宽1 m.图3是不考虑水平遮阳模拟照度变化趋势图.该图显示的是南向窗户上不考虑水平遮阳的条件下，室内的平均照度值，照度最大值，照度最小值，照度均匀度变化趋势.从图中可以看出，当不考虑水平遮阳时，在南向上，室内照度在全天中发生了较大的变化.照度分布的定量指标是照度均匀度，其是最小照度与平均照度的比值.照度均匀度是一个相对较为宏观的指标，其表征了工作平面上最低照度与平均照度的差异程度.从上午10点开始，室内照度开始升高，12点增至最大，平均照度值为2 559 lux；但从下午13点开始，室内照度开始减少，到下午5点照度值减为最小值，照度平均值为567 lux.另外房间的照度均匀度从上午8点到11点和下午14点之后波动比较大，是因为太阳高度角的变化造成室内照度的波动较大.从上午11点到下午14点比较平稳，因为这段时间，房间内照度相对较高，因此照度均匀度变化较小.

图3 不考虑水平遮阳模拟照度变化趋势

图4是考虑水平遮阳时房间内模拟照度的变化趋势图.从图4中可以看出，当增加水平遮阳时，室内的光照从上午8点开始增大，13点增至最大，平均照度值为1 057 lux，然后开始减小，直到减到最小平均照度值为518 lux.而室内的照度均匀值从上午8点到下午17点波动较小，因为当增加水平外遮阳时，水平遮阳可以阻挡更多的太阳直射，使室内的照度变化较小，因此增加了室内的照度均匀度，且一天中，照度均匀度的变化比较平稳.

图4 水平遮阳模拟照度变化趋势

图5为模型房间有水平遮阳和无水平遮阳的平均照度对比图，可以看出，模型房间在有水平遮阳时，室内的平均照度明显降低，可以有效减少房间内的太阳辐射.另外，可以看出，有水平遮阳时室内的平均照度变化明显平缓，这样增加了室内的舒适感.因此，建筑设计时，应充分考虑外遮阳的影响.

图5 有水平遮阳和无遮阳平均照度对比曲线

3.2 垂直遮阳

垂直遮阳适合于遮挡从窗户两侧来的高度角较小的太阳直射辐射.由于夏天太阳在西偏北方向上，此时的太阳辐射将从窗户侧面直射北向或西北偏北方向上的窗户，因此，垂直遮阳对遮挡北向和西北向早上和下午的斜射辐射有一定的作用.本次选择在西北方向上设置垂直遮阳来分析其对室内光线的遮挡效果.笔者将垂直遮阳板的挑出宽度设置为1 m.图6是不考虑垂直遮阳模拟照度变化趋势，显示的是南向窗户上不考虑垂直遮阳的条件下，室内的平均照度值、照度最大值、照度最小值、照度均匀度的变化曲线.

图6 不考虑垂直遮阳模拟照度变化趋势

图7是考虑垂直遮阳室内平均照度全天变化曲线，显示的是南向窗户上考虑垂直遮阳的条件下，室内的平均照度值、照度最大值、照度最小值、照度均匀度的变化曲线.图8是有垂直遮阳和无遮阳平均照度对比图.从图8可以看出，尽管本次模拟设置垂直遮阳的外挑长度为1 m，但在早上，太阳高度角比较小，无太阳直射的情况下，室内的平均照度水平比较低，主要靠天空漫反射，上午8点到上午12，垂直遮阳对室内照度的影响较小，变化率基本都在10%以下.而到下午，更多的太阳辐射照入室内，室内照度明显升高，下午3点室内的平均照度达到最大，为1 409 lux.因此在建筑设计中，垂直遮阳的遮挡作用不能忽略.

图7 垂直遮阳室内平均照度全天变化曲线

图8 有垂直遮阳和无遮阳平均照度对比

3.3 综合遮阳

综合遮阳是将水平遮阳和垂直遮阳两种遮阳方式结合起来，图9是综合遮阳室内平均照度全天变化曲线.该图显示的是南向窗户上考虑综合遮阳的条件下，室内的平均照度值、照度最大值、照度最小值、照度均匀度的变化趋势.从图9中可以看出，当考虑综合遮阳时，在南向上，室内照度在全天中发生了较大的变化.从上午8点开始，室内照度开始升高，这是因为随着太阳高度角的升高，室内接收了更多的太阳辐射，到中午12点室内照度达到了最大.另外，模型房间在有综合遮阳时，对比南向窗户无遮阳条件下室内的照度均匀度明显升高，而且照度均匀度全天都比较平稳.

图9 综合遮阳室内平均照度全天变化曲线

图10是有综合遮阳和无遮阳平均照度对比图，通过对图10的分析，在晴天模型下，模型房间在有综合遮阳时，室内的平均照度明显下降，而且平均照度全天都比较平稳.因此，增加综合遮阳，在有效减少房间内的太阳辐射的同时，也增加了室内的舒适感，所以在绿色建筑设计阶段，做室内的采光数值模拟时，不能忽略综合遮阳对室内采光的影响.另外，通过对比分析室内平均照度的差值，在夏至日，晴天模型下，当中午12点时，增加综合遮阳，室内的照度差值达到最大，为800 lux.而室内照度的差值变化率也在12点达到最大，为65%，这为建筑设计提供了指导作用.

图10 有综合遮阳和无遮阳平均照度对比

3.4 百叶遮阳

百叶遮阳是对其他几种遮阳方式的结合，可以改变的参数有很多.一般情况下，百叶遮阳是通过调节百叶倾角来改变室内的环境，以达到采光、通风以及视野的需要.实验中设置百叶宽度和百叶间距均为0.1 m，百叶长度与窗户宽度相同，叶片总数为20个，叶片可自由转动.

图11是百叶遮阳室内平均照度全天变化曲线图，显示的是南向窗户在考虑百叶遮阳的条件下，室内的平均照度值、照度最大值、照度最小值、照度均匀度的变化曲线.从图11中可以看出，当考虑百叶遮阳时，在南向上，室内照度在全天中发生了较大的变化.从上午8点开始，室内照度开始升高，这是因为随着太阳高度角的升高，室内接收了更多的太阳辐射，到中午12点室内照度达到了最大，平均照度值为824 lux.另外房间的照度均匀度从上午8点到下午5点一直比较平稳.

图11 百叶遮阳室内平均照度全天变化曲线

图12是有百叶遮阳和无遮阳平均照度对比图.通过对图12的分析，在晴天模型下，模型房间在有百叶遮阳时，室内的平均照度明显降低而且变化比较平缓，在有效减少房间内的太阳辐射的同时，也增加了室内的舒适感.因此，在绿色建筑设计阶段，做室内的采光数值模拟时，不能忽略百叶遮阳对室内采光的影响.另外，通过对比分析室内照度的差值，在夏至日，晴天模型下，当中午12点时，室内的照度差值达到最大，为1 500 lux.而室内照度的差值变化率也在12点达到最大，为70%，这为建筑设计提供了指导作用.

图12 有百叶遮阳和无遮阳平均照度对比

4 结论

本文基于采光模拟软件从室内照度、照度均匀度等方面分析了四种基本的外遮阳形式对室内采光及整体光环境的影响.模拟结果显示，水平遮阳可以使室内照度均匀度稳定在0.4～0.5，另外增加水平遮阳后，室内平均照度的变化率最大可达62%；垂直遮阳从上午8点到上午12点对室内照度的影响较小，变化率基本都在10%以下.而到下午，随着更多的太阳辐射照入室内，室内照度明显升高，到下午3点达到最大，为1 409 lux；综合遮阳在中午12点时，使室内的照度差值达到最大，为800 lux，而室内照度的差值变化率也在12点达到最大，为65%；百叶遮阳在夏至日晴天环境下，中午12点时室内的照度差值达到最大，为1 500 lux.

通过对四种遮阳方式的比较可以看出在夏至日晴天环境下，综合遮阳的效果最好，平均照度和照度均匀度在一天内各个时段变化比较平稳，在有效减少房间内太阳辐射的同时，也增加了室内的舒适感.本文通过对夏至日四种遮阳方式有效性的模拟分析，评价建筑遮阳构件的遮阳效果，用于指导相关的设计优化，为确定合理的遮阳位置和选取时间节点提供了参考.