由玉文，武錄森，郭建峰，郭春梅

（1.天津城建大學(xué)，天津 300384；2.河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，鄭州 450064）

室內(nèi)光環(huán)境是室內(nèi)環(huán)境的主要方面之一，光照對人的情緒，工作效率，認(rèn)知等方面發(fā)揮著重要的作用[1].設(shè)計合理的建筑節(jié)能采光形式能有效節(jié)約建筑的能耗，這已經(jīng)成為綠色建筑節(jié)能的關(guān)鍵措施[2].向俊米等[3]研究得出，合理的遮陽設(shè)計能以低廉的成本達(dá)到良好的遮陽效果，有效地改善居住建筑室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量.隨著國內(nèi)綠色建筑設(shè)計、評價的快速發(fā)展，建筑情況復(fù)雜、工作量巨大等因素導(dǎo)致了室內(nèi)光環(huán)境往往難以進(jìn)行實地測量，因此計算機(jī)模擬等輔助手段對綠色建筑評價提供了很大的幫助[4].

目前，在綠色建筑中與風(fēng)、光、熱相關(guān)的模擬軟件存在較多，軟件模擬過程的邊界問題沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn).所以，只有對建筑中常用的數(shù)值模擬計算方法作標(biāo)準(zhǔn)化的規(guī)范，才能夠降低因為計算方法不統(tǒng)一、模擬邊界條件、主觀人為因素導(dǎo)致綠色建筑考察指標(biāo)的不準(zhǔn)確[5].Reinhart等[6]通過發(fā)起問卷調(diào)查得出在這些模擬軟件計算過程中，自然采光系數(shù)和照度值是最常用的輸出值；遮陽類型的選擇也是根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果選擇的，他們統(tǒng)計了40多種采光數(shù)值模擬軟件，發(fā)現(xiàn)這些模擬軟件都是以Radiance為計算核心的.

許多學(xué)者通過采光模擬軟件對建筑外遮陽技術(shù)進(jìn)行了一系列細(xì)致研究：趙忠超等[7]闡述了建筑采光模擬軟件的種類及特性，然后通過實測與模擬對比的方法，對幾種建筑采光模擬軟件進(jìn)行了計算精度的驗證，得出Radiance和Ecotect在采光系數(shù)方面的模擬精度很高；同時在照度方面Radiance可以獲得比較準(zhǔn)確的模擬結(jié)果.Athienitis等[8]對百葉遮陽的遮陽角度進(jìn)行了實驗研究，在遮陽百葉傾角為78°，太陽高度角為15°的時候，室內(nèi)透光率最大.Manzan等[9]通過利用軟件模擬，對某辦公建筑的外遮陽形式進(jìn)行了采光性能的優(yōu)化，達(dá)到了良好的節(jié)能效果.陳春燕等[10]運用Radiance軟件，對某酒店標(biāo)準(zhǔn)層客房進(jìn)行了自然采光模擬，對比分析了有無陽臺時室內(nèi)照度的變化，模擬得出在有陽臺遮蔽時室內(nèi)照度顯著降低，95%以上均位于300 lux到2 400 lux區(qū)間范圍內(nèi)，整體落在推薦值區(qū)間.蘇曉明等[11]利用Radiance軟件對教室模型進(jìn)行采光模擬，通過對比四種教室進(jìn)深尺寸對室內(nèi)光環(huán)境的影響，得出室內(nèi)光環(huán)境質(zhì)量隨著教室進(jìn)深尺寸的減小而提高，當(dāng)教室進(jìn)深為7.5m時的室內(nèi)采光質(zhì)量最好.王欣[12]利用光環(huán)境模擬軟件Ecotect和Radiance對五個氣候區(qū)的典型城市進(jìn)行模擬，分析了不同氣候區(qū)的不同窗墻比對建筑室內(nèi)照明能耗的影響，得到建筑遮陽對室內(nèi)光環(huán)境的影響規(guī)律.

從以上的分析中可以看出，如何設(shè)計合理的建筑外遮陽形式對建筑節(jié)能和室內(nèi)采光有重要的影響.但是現(xiàn)有研究大多僅考慮單一的遮陽形式，未考慮采用不同的建筑外遮陽形式對同一建筑房間所產(chǎn)生的影響.本文建立了辦公建筑的物理模型，以北京的氣象參數(shù)為例，模擬在夏至日晴天環(huán)境下，水平遮陽、垂直遮陽、綜合遮陽和百葉遮陽對室內(nèi)的照度、平均照度和照度均勻度的影響.

1 模型的建立

本次分析以形式較為簡單的單間辦公室為研究對象.所建立的物理模型尺寸為5 m×4 m×3 m（長×寬×高）.為了滿足《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》的要求，窗戶尺寸為2 m×2 m，窗墻比為1/5[13].另外由于《辦公建筑設(shè)計規(guī)范》中對于辦公建筑室內(nèi)采光的規(guī)定，側(cè)窗采光離地面0.8 m以下的部分不計入有效的采光面積，所以本模型，窗戶下沿距離地面0.8 m.模型房間的室內(nèi)各個表面的反射率根據(jù)《辦公建筑設(shè)計規(guī)范》設(shè)定，墻面為0.75，地板為0.25，天花板為0.75[14].窗戶為單層6 mm鋁合金框窗.室內(nèi)的工作臺面選取距離地面750 mm處.為了使模擬結(jié)果更加準(zhǔn)確，水平面選取0.2 m，高處選取0.3 m為一個計算網(wǎng)格，因此橫向和縱向的網(wǎng)格數(shù)分別為15和20個.采光房間模型的剖面圖如圖1所示.

圖1 采光計算房間剖面

2 模擬工況的選擇

對于建筑，室內(nèi)的光環(huán)境是復(fù)雜多變的，受很多因素的影響，比如太陽輻射照度、太陽高度角、室外的天氣情況，并隨著這些因素的變化而不斷變化[15].出于對現(xiàn)實需求的考慮，筆者選取了6月21日（夏至日）晴天狀況下水平遮陽、垂直遮陽、綜合遮陽和百葉遮陽這四種遮陽情況，做全天的室內(nèi)光照模擬.模擬氣象參數(shù)采用北京市的氣象參數(shù).圖2是夏至日室外照度變化圖.從圖中可以看出在晴天，室外照度變化非常劇烈，特別是早上和傍晚，而在中午，室外照度達(dá)到了最大值[16].另外，外遮陽對室內(nèi)采光的影響在一天中也是不相同的，因為外遮陽主要遮擋太陽直射，因此太陽對窗戶的直射作用隨全年太陽高度角和方位角的變化而變化[17].

圖2 夏至日室外照度變化曲線

3 光照模擬結(jié)果分析

3.1 水平遮陽

水平遮陽板置于窗戶上方，長2 m寬1 m.圖3是不考慮水平遮陽模擬照度變化趨勢圖.該圖顯示的是南向窗戶上不考慮水平遮陽的條件下，室內(nèi)的平均照度值，照度最大值，照度最小值，照度均勻度變化趨勢.從圖中可以看出，當(dāng)不考慮水平遮陽時，在南向上，室內(nèi)照度在全天中發(fā)生了較大的變化.照度分布的定量指標(biāo)是照度均勻度，其是最小照度與平均照度的比值.照度均勻度是一個相對較為宏觀的指標(biāo)，其表征了工作平面上最低照度與平均照度的差異程度.從上午10點開始，室內(nèi)照度開始升高，12點增至最大，平均照度值為2 559 lux；但從下午13點開始，室內(nèi)照度開始減少，到下午5點照度值減為最小值，照度平均值為567 lux.另外房間的照度均勻度從上午8點到11點和下午14點之后波動比較大，是因為太陽高度角的變化造成室內(nèi)照度的波動較大.從上午11點到下午14點比較平穩(wěn)，因為這段時間，房間內(nèi)照度相對較高，因此照度均勻度變化較小.

圖3 不考慮水平遮陽模擬照度變化趨勢

圖4是考慮水平遮陽時房間內(nèi)模擬照度的變化趨勢圖.從圖4中可以看出，當(dāng)增加水平遮陽時，室內(nèi)的光照從上午8點開始增大，13點增至最大，平均照度值為1 057 lux，然后開始減小，直到減到最小平均照度值為518 lux.而室內(nèi)的照度均勻值從上午8點到下午17點波動較小，因為當(dāng)增加水平外遮陽時，水平遮陽可以阻擋更多的太陽直射，使室內(nèi)的照度變化較小，因此增加了室內(nèi)的照度均勻度，且一天中，照度均勻度的變化比較平穩(wěn).

圖4 水平遮陽模擬照度變化趨勢

圖5為模型房間有水平遮陽和無水平遮陽的平均照度對比圖，可以看出，模型房間在有水平遮陽時，室內(nèi)的平均照度明顯降低，可以有效減少房間內(nèi)的太陽輻射.另外，可以看出，有水平遮陽時室內(nèi)的平均照度變化明顯平緩，這樣增加了室內(nèi)的舒適感.因此，建筑設(shè)計時，應(yīng)充分考慮外遮陽的影響.

圖5 有水平遮陽和無遮陽平均照度對比曲線

3.2 垂直遮陽

垂直遮陽適合于遮擋從窗戶兩側(cè)來的高度角較小的太陽直射輻射.由于夏天太陽在西偏北方向上，此時的太陽輻射將從窗戶側(cè)面直射北向或西北偏北方向上的窗戶，因此，垂直遮陽對遮擋北向和西北向早上和下午的斜射輻射有一定的作用.本次選擇在西北方向上設(shè)置垂直遮陽來分析其對室內(nèi)光線的遮擋效果.筆者將垂直遮陽板的挑出寬度設(shè)置為1 m.圖6是不考慮垂直遮陽模擬照度變化趨勢，顯示的是南向窗戶上不考慮垂直遮陽的條件下，室內(nèi)的平均照度值、照度最大值、照度最小值、照度均勻度的變化曲線.

圖6 不考慮垂直遮陽模擬照度變化趨勢

圖7是考慮垂直遮陽室內(nèi)平均照度全天變化曲線，顯示的是南向窗戶上考慮垂直遮陽的條件下，室內(nèi)的平均照度值、照度最大值、照度最小值、照度均勻度的變化曲線.圖8是有垂直遮陽和無遮陽平均照度對比圖.從圖8可以看出，盡管本次模擬設(shè)置垂直遮陽的外挑長度為1 m，但在早上，太陽高度角比較小，無太陽直射的情況下，室內(nèi)的平均照度水平比較低，主要靠天空漫反射，上午8點到上午12，垂直遮陽對室內(nèi)照度的影響較小，變化率基本都在10%以下.而到下午，更多的太陽輻射照入室內(nèi)，室內(nèi)照度明顯升高，下午3點室內(nèi)的平均照度達(dá)到最大，為1 409 lux.因此在建筑設(shè)計中，垂直遮陽的遮擋作用不能忽略.

圖7 垂直遮陽室內(nèi)平均照度全天變化曲線

圖8 有垂直遮陽和無遮陽平均照度對比

3.3 綜合遮陽

綜合遮陽是將水平遮陽和垂直遮陽兩種遮陽方式結(jié)合起來，圖9是綜合遮陽室內(nèi)平均照度全天變化曲線.該圖顯示的是南向窗戶上考慮綜合遮陽的條件下，室內(nèi)的平均照度值、照度最大值、照度最小值、照度均勻度的變化趨勢.從圖9中可以看出，當(dāng)考慮綜合遮陽時，在南向上，室內(nèi)照度在全天中發(fā)生了較大的變化.從上午8點開始，室內(nèi)照度開始升高，這是因為隨著太陽高度角的升高，室內(nèi)接收了更多的太陽輻射，到中午12點室內(nèi)照度達(dá)到了最大.另外，模型房間在有綜合遮陽時，對比南向窗戶無遮陽條件下室內(nèi)的照度均勻度明顯升高，而且照度均勻度全天都比較平穩(wěn).

圖9 綜合遮陽室內(nèi)平均照度全天變化曲線

圖10是有綜合遮陽和無遮陽平均照度對比圖，通過對圖10的分析，在晴天模型下，模型房間在有綜合遮陽時，室內(nèi)的平均照度明顯下降，而且平均照度全天都比較平穩(wěn).因此，增加綜合遮陽，在有效減少房間內(nèi)的太陽輻射的同時，也增加了室內(nèi)的舒適感，所以在綠色建筑設(shè)計階段，做室內(nèi)的采光數(shù)值模擬時，不能忽略綜合遮陽對室內(nèi)采光的影響.另外，通過對比分析室內(nèi)平均照度的差值，在夏至日，晴天模型下，當(dāng)中午12點時，增加綜合遮陽，室內(nèi)的照度差值達(dá)到最大，為800 lux.而室內(nèi)照度的差值變化率也在12點達(dá)到最大，為65%，這為建筑設(shè)計提供了指導(dǎo)作用.

圖10 有綜合遮陽和無遮陽平均照度對比

3.4 百葉遮陽

百葉遮陽是對其他幾種遮陽方式的結(jié)合，可以改變的參數(shù)有很多.一般情況下，百葉遮陽是通過調(diào)節(jié)百葉傾角來改變室內(nèi)的環(huán)境，以達(dá)到采光、通風(fēng)以及視野的需要.實驗中設(shè)置百葉寬度和百葉間距均為0.1 m，百葉長度與窗戶寬度相同，葉片總數(shù)為20個，葉片可自由轉(zhuǎn)動.

圖11是百葉遮陽室內(nèi)平均照度全天變化曲線圖，顯示的是南向窗戶在考慮百葉遮陽的條件下，室內(nèi)的平均照度值、照度最大值、照度最小值、照度均勻度的變化曲線.從圖11中可以看出，當(dāng)考慮百葉遮陽時，在南向上，室內(nèi)照度在全天中發(fā)生了較大的變化.從上午8點開始，室內(nèi)照度開始升高，這是因為隨著太陽高度角的升高，室內(nèi)接收了更多的太陽輻射，到中午12點室內(nèi)照度達(dá)到了最大，平均照度值為824 lux.另外房間的照度均勻度從上午8點到下午5點一直比較平穩(wěn).

圖11 百葉遮陽室內(nèi)平均照度全天變化曲線

圖12是有百葉遮陽和無遮陽平均照度對比圖.通過對圖12的分析，在晴天模型下，模型房間在有百葉遮陽時，室內(nèi)的平均照度明顯降低而且變化比較平緩，在有效減少房間內(nèi)的太陽輻射的同時，也增加了室內(nèi)的舒適感.因此，在綠色建筑設(shè)計階段，做室內(nèi)的采光數(shù)值模擬時，不能忽略百葉遮陽對室內(nèi)采光的影響.另外，通過對比分析室內(nèi)照度的差值，在夏至日，晴天模型下，當(dāng)中午12點時，室內(nèi)的照度差值達(dá)到最大，為1 500 lux.而室內(nèi)照度的差值變化率也在12點達(dá)到最大，為70%，這為建筑設(shè)計提供了指導(dǎo)作用.

圖12 有百葉遮陽和無遮陽平均照度對比

4 結(jié)論

本文基于采光模擬軟件從室內(nèi)照度、照度均勻度等方面分析了四種基本的外遮陽形式對室內(nèi)采光及整體光環(huán)境的影響.模擬結(jié)果顯示，水平遮陽可以使室內(nèi)照度均勻度穩(wěn)定在0.4～0.5，另外增加水平遮陽后，室內(nèi)平均照度的變化率最大可達(dá)62%；垂直遮陽從上午8點到上午12點對室內(nèi)照度的影響較小，變化率基本都在10%以下.而到下午，隨著更多的太陽輻射照入室內(nèi)，室內(nèi)照度明顯升高，到下午3點達(dá)到最大，為1 409 lux；綜合遮陽在中午12點時，使室內(nèi)的照度差值達(dá)到最大，為800 lux，而室內(nèi)照度的差值變化率也在12點達(dá)到最大，為65%；百葉遮陽在夏至日晴天環(huán)境下，中午12點時室內(nèi)的照度差值達(dá)到最大，為1 500 lux.

通過對四種遮陽方式的比較可以看出在夏至日晴天環(huán)境下，綜合遮陽的效果最好，平均照度和照度均勻度在一天內(nèi)各個時段變化比較平穩(wěn)，在有效減少房間內(nèi)太陽輻射的同時，也增加了室內(nèi)的舒適感.本文通過對夏至日四種遮陽方式有效性的模擬分析，評價建筑遮陽構(gòu)件的遮陽效果，用于指導(dǎo)相關(guān)的設(shè)計優(yōu)化，為確定合理的遮陽位置和選取時間節(jié)點提供了參考.