超低能耗背景下侧窗采光研究_王金森.pdf

072023.04/Low Carbon Architectural Design 低碳建筑设计性和室内环境响应特征均区别于传统建筑。再加上我国幅员辽阔，跨越气候区较多，因此其主、被动节能技术的耦合作用效果必须基于实际运行监测数据来进行分析和验证。2 研究背景2.1 自然采光在超低能耗背景下产生的一系列经济、社会、能源消耗问题中，公共建筑人工照明消耗的能源占到全年能耗的10%15%，所以将自然采光作为照明的主要采光来源是解决现如今能耗过大、建筑室内资源浪费的一个相对重要的方式。自然采光与人工照明相比其本身具有一定的优势，主要是可以做到节约能源，无须担心能源浪费问题，也可以在产能过程中减少对环境的污染。此外，自然光对于维系人们的身体健康和保持活力有重要作用，对于人们的行为和心理具有积极影响。自然光比人工照明更能营造出一种丰富的空间感受，以及增加对于建筑细节的感知。自然采光分为顶部采光和侧面采光，本研究目的主要偏重住宅建筑侧窗采光出现的一系列问题。2.2 侧面采光研究历史进程在采光研究中，照度是最能直观体现出光环境效果的单位，但是在数据分析过程中，需要考虑建筑自身的因素、室外天空环境条件、室外的照度变化影响，这些会导致室内的照度数据变化较大，无法作为固定值来进行建筑采光研究，所以照度无法在采光研究实验中作为采光量的单位去使用。为了更好地在采光实验中研究采光量，现今国内外选择使用相对值采光系数来进行实验对采光量进行评价。关于侧面采光的研究是一直在进行并不断改善的，从20 世纪 70 年代开始，国外就有许多进行侧面采光资料整理研究，提出了采光系数平均值的计算公式。1979 年，摘要随着超低能耗建筑的不断推广使用，建筑外墙厚度和窗洞形式发生较大变化，原有的侧面采光计算方式存在较大偏差，为了更加准确地分析采光问题和评定采光系数，解决现有采光系数平均值计算方式在超低能耗建筑背景下偏差较大的问题，利用数学三角函数，通过对采光系数平均值计算原理研究，改进和完善采光系数平均值的计算公式，得到更加准确、更加贴近模拟采光实验数据的计算数值。关键词超低能耗；自然采光；侧面采光；采光系数中图分类号TU113.19文献标识码ADOI10.19892/ki.csjz.2023.04.03Abstract With the further promotion of the utilization of low energy-consumption buildings,there have been great changes on the thickness of the external wall and openings of the windows of the buildings.The original side lighting calculation method has a relatively large deviation.In order to more accurately analyze the lighting problem and evaluate the lighting coefficient,it is important to solve the problem that the existing average calculation method of lighting coefficient has a large deviation under the background of ultra-low energy-consumption buildings.Using mathematical trigonometric function,through the research on the calculation principle of the average value of the lighting coefficient,the calculation formula of the average value of the lighting coefficient is improved and perfected so as to obtain the data that is more accurate and closer to the simulated lighting experiment data.Key words ultra-low energy consumption;natural lighting;side lighting;lighting coefficient 1 引言随着科学技术的发展和经济水平的不断提高，人们对于建筑内部空间的需要和舒适度的标准也在逐步提高，导致能源消耗不断增加，能源供给压力不断增大，同时给生态环境造成了一定的污染。所以现阶段国内建筑领域对于绿色低碳研究十分重视，推广节能型建筑、超低能耗建筑已经成为国内建筑发展的一个必然趋势。超低能耗建筑具有高保温、高气密性的特点，其冷热负荷特作者简介：王金森（1997-），男。研究方向：建筑技术。通信作者：刘学贤（1970-），男，副教授。研究方向：建筑技术。作者单位：青岛理工大学建筑与城乡规划学院超低能耗背景下侧窗采光研究Research on Side Window Lighting under the Background of Ultra-Low Energy Consumption王金森 刘学贤 张振强Wang Jinsen,Liu Xuexian,Zhang Zhenqiang08城市建筑 Urbanism and Architecture/2023.04莱恩斯（Lynes）对矩形侧面采光空间的平均天然采光系数进行了总结，形成了现如今使用的计算公式雏形，后来因为由当时的公式计算出来的数值与实际测量数据一直存在 10%左右的偏差，1984 年该公式又被克里斯普（Crisp）和利特尔费尔（Littlefair）在论文中进行了修正，得到现今使用的采光系数平均值的公式。通过该公式计算得出的数据与模型中实验所得数据更加吻合，并得到北美照明工程学会（IESNA）和其他版本规范肯定和应用。随着科学技术的发展，哈佛大学的莱因哈特（Reinhart）也使用计算机模拟软件 Radiance 验证了前面公式的科学性和正确性，得出的模拟实验数据和公式计算数据比较吻合。最终，该计算公式同样也在建筑采光设计标准（GB 500332013）中作为采光系数平均值的计算公式。对计算公式的研究也随着建筑技术的发展、科学的进步仍旧在不断完善和改进。ADF=AgAt（1-2)（1）上式为当时提出的采光系数平均值的公式，ADF 为采光系数平均值，其他与建筑采光设计标准相同；Ag为窗的净表面面积；At为包括窗在内的室内表面总面积；为采光材料（玻璃）的透射比；为天空遮挡角；则为室内表面平均反射比。3 研究现状现阶段，国内对于侧窗采光的研究主要集中在窗户的尺寸、窗台的高度和窗墙比等方面。通过查阅资料可知，缺少对定量研究侧窗采光的计算研究，大多是套用国外的计算公式和沿袭国外采光设计经验，没有充分考虑国内建筑建造现状，在采光设计中对于规范公式中的计算对象没有实际考虑到与国外的差别，这就导致计算过程中仍旧默认对象为国外大多建筑结构尺寸，容易造成较大的偏差，最后可能无法满足使用者特定需求。针对这种情况，本研究在侧窗采光系数平均值的计算公式中进行深入的了解和研究，以建筑采光设计标准为基础（见表 1），结合青岛地区的标准住宅建筑门窗尺寸，在理想状态下分析现有规范侧光计算公式的计算原理，然后进一步进行补充和改进。4 研究方法研究以青岛市（光气候区区）为对象，确定采用侧面采光时，窗地面积比为 1/6，采光有效进深为 3.0（规范中所给予的数值是窗地面积比乘以对应的光气候系数 K）。侧面采光需要考虑采光系数平均值、窗的总透射比、窗洞口面积、室内表面总面积、室内各表面反射比的加权平均值，以及从窗中心计算的垂直可见天空的角度值。在研究中发现，规范中计算的角度值在选取时存在一定的不合理性，规范中所取 值是从窗中心点计算的垂直可见天空的角度值，此值在不考虑墙体厚度的情况下所取，存在一定的误差，由于以前建筑墙体相对来说较为单薄，并且默认窗户形式为标准形式。在最终计算时候造成的偏差不大，对于普通住宅建筑是可以采用并可以进行计算使用的（见图 1、图 2）。但是现如今超低能耗建筑的推广使用，使得超低能耗建筑在外墙上增加了各种各样的外围护结构，很大程度上改变了原有普通建筑的外墙厚度及结构，建筑墙体厚度不断加大。同时随着建筑设计的不断发展，窗户的位置和形式及窗檐伸出长度也在发生改变，窗洞口对光线的遮挡情况已经无法再被忽略不计，不然将会产生较大误差。当考虑超低能耗建筑外墙厚度和窗洞口光线遮挡时，根据规范中窗户的面积公式，在其他数值不变的情况下，重新定义表 1 窗地面积比和采光有效进深表采光等级侧面采光顶部采光窗地面积比（Ac/Ad）采光有效进深（b/hs）窗地面积比（Ac/Ad）1/31.81/61/42.01/81/52.51/101/63.01/131/104.01/23HdhcDdb中心点参考平面HdhcDdb中心点参考平面图 1 侧面采光示意图（图片来源：建筑采光设计标准）图 2 修改后侧面采光示意图（图片来源：作者自绘）092023.04/Low Carbon Architectural Design 低碳建筑设计所取的 值，该值不再是从窗中心点计算的垂直可见天空的角度值，重新获得的 值等于原来的 值减去垂直可见的天空与窗中心点至外墙边缘相接的夹角角度值。为方便研究，考虑超低能耗建筑外墙厚度造成的计算偏差与现有的规范计算方式比较，采用控制变量的方法，保证在计算过程中采用同一组数据。建筑内部、窗宽、窗户形式、窗口位置都相同。同时默认研究对象建筑无遮挡，故原来 值取值为 90，其他公式中系数均按照青岛当地建筑采光设计标准进行取值。根据青岛市超低能耗建筑房屋标准可知：青岛市外墙保温取值一般为 50 mm，一般住宅层外墙墙厚一般取值 200300 mm，本次研究中建筑外墙暂定固定厚度为 300 mm。青岛市住宅用户窗户的高度一般为 1 5001 800 mm，窗高模数为 100 mm，从1 5001 800 mm 区间分别取值，代入墙厚和窗高的数值得到新的 值，通过新计算公式运算求得新的采光系数平均值（Cav 新），在保证其他数值不变的情况下，与规范中原有的采光系数平均值公式得出的（Cav）进行比较，然后考虑两者之间的关系。（2）1=arctan-0DdHd（4）Cav=AC1Az（1-2j)（3）0=arctanh墙厚h窗高 =0cw （5）1为从窗中心点计算的水平线与外墙边缘相接的夹角角度值；0为垂直可见的天空与窗中心点至外墙边缘相接的夹角角度值。根据建筑采光设计标准为公式中出现的未知数赋值：室内表面积 Az和顶棚、墙面、地面饰面材料和普通玻璃的表面积 Ai暂定为不变常数 a；0按照标准取值为 0.2；C按照标准取值为 0.6；w按照标准取值为0.7；j按照标准取值为 0.4。研究成果：根据公式可知，考虑了推广超低能耗背景下建筑外墙厚度，使得所取 值变小了，采光系数平均值也跟着变小。所以得出的窗地比应该大于规范之中所取的1/6 的值。窗地比具体的数值应当考虑当地的外墙厚度和所选用门窗的高度。在本次研究中，在室内建筑面积不变的情况下，调整选取不同窗户高度、相同宽度的窗户类型，得到的四组不同的新的采光系数平均值 Cav，然后再用规范中所使用的建筑采光标准的计算公式去计算这 4 种情况下的采光系数平均值 Cav，计算两者之间的偏差值，使用如下的公式进行套算，整理表格分析各个条件的关系（见表2）。（6）=100%Cav 新-CavCavCav 新为新计算方式所得采光系数平均值；Cav为原先计算方式所得采光系数平均值；A 为两者差值偏差百分数。5 结论由于所有数据都是在理想状态下所计算出来的，而实际模拟实验测算数据存在一些不可控、不可知因素，依旧存在比较大的计算偏差。因此并不是最符合实际情况的计算公式，仅仅是对原有使用公式的改进和完善。选取这种新的计算方式，重新定义 值以后，出现了默认无反光、无折射的窗檐死角，考虑到死角的材料反射、折射系数、厚度，以及使用面积较小，对实验计算结果影响不大。又由于考虑这些因素会增大与规范中计算的结果偏差，也从侧面证明了此次研究更加具有意义，缩小了与实际生活中采光系数的差距，更加贴近实际结果。由最终整理的建筑采光系数平均值差值表格数据可以得出，随着选取窗高的高度变大，Cav差值浮动越来越小。在重新定义了 1的选取方法后，计算得出新的采光系数平均值比原有的方法计算得出的值要更加精确，这种计算方式在理想情况下选取窗户宽度为 1 200 mm，高度为15001800 mm，造成的偏差范围在 4.4%5.25%。根据所求的采光系数平均值的偏差值，在建筑设计中窗墙比需要有所改动。从增加建筑的墙体厚度来讲，为了满足规范中的侧窗采光要求，窗户面积在设计时应该根据表格中数据增大 4.4%5.25%。重新定义后的计算公式更加准确，在不考虑一些不可控误差范围内，是可以满足大多数住宅建筑的采光计算的。参考文献1 汪铮基于超低能耗的被动主动式建筑设计探研 J建设科技，2019（19）：21-27，312 边宇，袁磊，冷天翔动态采光指标分析与侧窗采光范围 J哈尔滨工业大学学报，2017，49（10）：172-1763 杨振，杨勇绿色建筑的自然采光设计策略研究 J沈阳建筑大学学报（社会科学版），2017，19（04）：331-3364 王梦蕊，刘宇波学校建筑自然采光设计研究浅析：以美国 Boora建筑事务所为例 J新建筑，2017（02）：74-775 王梦蕊天花板形式对改善教室侧窗采光效果的研究 J照明工程学报，2016，27（04）：105-1126 卫莎莎，魏慧娇，吴春玲，等不同侧窗采光方式对绿色办公建筑照明节能的影响研究 J制冷与空调（四川），2015，29（04）：368-373，3797 贺栋，李梅浅谈教学建筑自然采光的优化设计 J河南科技学院学报（自然科学版），2015，43（02）：17-198 何荥，陈彦君高校普通教室侧窗采光研究 J灯与照明，2014，38（01）：1-49 黄海静，郑洁办公建筑天然采光影响因素初探 J灯与照明，2012，36（03）：9-11表 2 不同窗户的采光系数平均值差值偏差角度/墙厚/mm窗高/mm 窗户宽/mm 窗户面积/m2Cav差值/%4.733001 5001 2001.8-5.254.453001 6001 2001.92-4.944.193001 7001 2002.04-4.653.963001 8001 2002.16-4.40