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昼光照明在教学楼建筑设计中的应用
昼光照明在教学楼建筑设计中的应用
2007-12-0318:
11
摘要：
昼光照明较之人工照明呈现的诸多优势使得昼光照明设计一直在建筑设计中处于重要位置。
随着高校教学楼建筑规模化、多样化、智能化的发展，其照明设计的要求自然更高。
本文针对教学楼这一类建筑，探索了建筑设计中昼光照明的实施策略。
关键词：
昼光照明；主动；被动；策略
1引言
昼光照明就是将日光引入建筑内部，并将其按照一定的方式分配，以提供比人工光源更理想和质量更好的照明。
昼光照明减少了电力光源的需要量，减少了电力消耗与环境污染。
研究证明昼光照明能够形成比人工照明系统更为健康和更兴奋的环境，可以使工作效率提高15％。
昼光照明还能够改变光的强度、颜色和视觉，有助于提高工作效率和学习效率。
随着社会生产力的发展，人才的培养成为科技进步至关重要的环节。
近年来，我国高校逐步向多学科的综合性大学发展，许多高校在规模和教学质量上不断调整，以适应新时代的需求。
高等学校规划建设也逐渐成为一个新的课题，高等学校教学楼的设计也随着规划规模的扩大发生了一些变化。
教学楼的容积率提高，教室的使用面积逐渐增大，针对教室室内的光线、照度设计提出了更为复杂的要求，具体表现在三个方面：
其一，开间变大。
开间的增加导致视距加长，为了保证后排座位讲台区域和黑板亮度的正常要求，其照度的设计更为复杂。
其二，进深增加。
为了设计有效的座椅视线，开间变大必然影响建筑的进深。
增加了进深才可以提高教室两侧有效的视线区域。
教室的进深从6m至13m不等，甚至更多。
其三，窗地比减小。
教室开间和进深都有增大的趋势，虽然出于结构和空间各方面的需要，层高会有所增加，但还要综合考虑节能设计和成本控制，窗地比势必下降，室内照度的均好性便很难达到。
其次关于梁的厚度也会增大，为了形成有效的室内空间高度，减小顶棚的压抑感，势必增加教室的层高。
为了既节约建筑成本，又符合节能规范，窗玻璃有效透光面积与室内使用面积之比的窗地比值必然下降。
如何实现室内照度的均好性，值得研究。
这些问题虽然可以通过电力光源来实现，但对人工照明系统的过分依赖不利于节约能源和保护环境，况且持续人工照明对使用者会产生一定的心理压力。
调查表明：
90％的雇员更喜欢在有窗户和可以看到室外景观的房间中工作，某一项研究的结果是75％的办公室和工厂职工认为日光比人工照明质量高。
因此为了给教学楼这一学习场所营造轻松积极的学习氛围，我们需要在这些不利趋势下因势利导，设计更优越的昼光照明。
2教学楼昼光照明的实现策略
在选择具体昼光照明措施之前，对教学楼建筑的形体要进行科学的选择，应尽量选择符合于日光照明、太阳辐射供热、供冷和建筑功能最紧凑的建筑轨迹与形状。
被包围的空间体积对应的外表面越大，建筑室内受其外表面热交换的影响也越大。
然而，在实际教学楼的设计应用中，追求空间变化与提高热效率成为“鱼”和“熊掌”的关系。
对比长江大学新校区规划竞标中的几个建筑方案，会发现空间层次的错综变幻更能够吸引甲方的眼球。
传统方正的教学楼首先提供了最为直观的功能——上课、学习。
而丰富的空间错落、形体的高差变化、步移景异的共享空间，似乎更让学生一见钟情。
如何使这两者兼而有之呢?
通过对几栋教学楼的对比观察发现，形体的凹凸变化、空间的错落呼应，大大地丰富了四个朝向的开窗形式与采光需求。
同样是东西向，有的以遮阳为主，有的却要引入日光；同样是南北向，有的为教室学习空间采光，有的为共享走道采光。
各种新的采光量与遮光量的要求均发生改变，与之对应的昼光照明策略也各不相同。
如果从建筑对日光的利用类型上，可以将昼光照明分为两大策略。
一种是以遮住不宜光线为主的被动昼光照明策略，另一种是以引入宜人光线为主的主动昼光照明策略。
2．1被动昼光照明策略
直接的阳光在非工作区域内是有利的，它可以使人们知道室外的天气情况和时间。
这些因素可以缓解在无窗环境内的压力。
然而，如果一个关键工作区域受到太阳直射，就会产生令人无法接受的反差，使人暂时失明的眩光或隐蔽的放射。
避免关键工作区域的太阳直射和对多余亮度的控制成为被动昼光照明的重心。
2．1．1利用遮阳避免不宜光线
我国自古就有各种木百页窗格及各种卷帘形式的遮阳措施应用在不同形式的建筑上。
为了进行适应地域气候特点的建筑设计，建筑师们构想出了很多设计解决方案。
遮阳构架的创造是基于对气候适应性的考虑，是将遮阳构件与玻璃立面结合在一起，它经历了一个从简单的外部构件直接整合于建筑结构的发展过程。
传统遮阳构架处于阳光曝晒之下时，被具有较高热容量的混凝土慢慢加热，热量随着空气的流动传导到室内。
因此建筑设计采用一些更轻巧、美观、便于安装、清洁维护的产品。
例如外立面上的穿孔铝板夏季由于空腔的存在可以更有效地降低热负荷、分散热能。
外遮阳板是简单易行的遮阳方式。
外遮阳一般可以分为两类：
固定在建筑上的遮阳设施称为固定外遮阳，反之则称为活动外遮阳。
对于南向或接近南向的窗户，夏季太阳照射时的高度角较高，设置固定水平式遮阳板即可满足遮阳要求。
这种遮阳能形成很大的遮阳区，在降低南墙表面温度和防止阳光直射窗户方面达到很好的遮阳效果。
对于西向或接近西向的窗户，夏季太阳照射时的高度角相对于南向较低，入射的日光更容易抵达关键工作区域，从而产生令人无法接受的眩光或隐蔽的放射。
针对西墙除了内遮阳以外，主要以垂直遮阳为主。
如果使用水平外遮阳板则需要与窗户平行，并结合活动外遮阳控制低入射角的太阳照射。
也有结合固定双层墙体来协调西晒问题的教学楼建筑设计，这种处理手法大大降低了西墙表面的温度。
2．1．2过滤日光
选择性透光遮阳是利用窗的透光材料本身来遮阳，通过过滤日光，夏季能避免房间过热，但由于玻璃的性能不能随季节的不同而变化，会影响冬季对太阳能的利用。
因此，选择性透光玻璃遮阳具有一定的局限性。
虽然采用信息的可变换玻璃（光敏玻璃、热敏玻璃、电敏玻璃、液晶）可以解决选择性透光玻璃的局限性，但由于造价太高，不适于教学楼建筑的大规模使用。
利用落叶林木过滤日光，夏季树叶繁茂，大片的树阴正好投射在外墙体，利于建筑的夏季供冷，有效地缓解了空调的电力负荷。
到了冬季，树叶凋落，不影响冬季太阳能对墙体的供热。
2．2主动昼光照明策略
改变采光口的位置和日光反射板的反射角度，可以使建筑核心区域阴暗的光线得到合理的补充，这一策略分两个阶段。
2．2．1平面上在较近位置引入日光
长江大学14号教学楼建筑平面设计阶段通过改变入射口、缩短入射距离来实现在较近位置引入日光。
在大进深的建筑布局中，针对面积大的教室、实验室，扭转其传统布局方位，在教室、实验室之间形成凹入的半开敞空间，退让的侧墙上开设教室、实验室的自然采光口。
此处南向的直接照射量较少，东西向由于间距不是很大，除去顶层必须设置外遮阳以外，其他下部楼层由于建筑的阴影正好形成东西向教室的自然遮阳，所以进入室内的是漫反射日光，稳定且柔和。
南侧的凹人阳台与中部的内廊连为体，从而减少内走廊白天的电力负荷。
2．2．2立面上在较高位置引入日光，即侧窗光线的引入
以一个进深12m、开间18m、层高4.3m的教室为例。
冬季太阳入射角低，南向和西向的教室获得的日光量较多。
此时阳光温和地照射到临窗的课座椅边，形成有益的学习环境。
如果日光投射到黑板或多媒体讲台上，则容易形成眩光。
所以黑板和多媒体讲台处10-1.5m不宜设置窗户。
在侧窗的采光中，均匀的照度分布是设计的核心。
由于学生是分散在整个教室内，要求保证照度均匀，希望在工作区域内照度差别限制在1:
3之内；在整个房间内不超过1:
10。
这样可以避免不同照度引起的视觉疲劳。
为此可把窗台高度提高到1.2m，将窗上檐提到顶棚处，这样可降低临窗处照度，减少照度不均匀性。
单独使用侧窗，虽然可采取措施改善其采光效果，但仍然受到其采光特性的限制，如果结合高侧窗与天窗设计，因为它们位于建筑物较高的位置，可以将阳光引入建筑核心，其室内的采光系数会更理想，照度更均匀。
最简单的天窗是将部分屋面做成透光的，它的效率最高，但有强烈眩光。
夏季，还由于太阳光直接射入，室内热环境恶化，影响学习，故在透光屋面下宜做成扩散光顶棚，以防止阳光直射，并使室内光线均匀，采光系数达到要求。
为了解决直射阳光问题，除了将窗户设置格栅或活动百叶来防止直射阳光对前景造成的强烈视觉反差之外，也可做成北向的单侧天窗。
2．2．3在窗户上设置反光装置
在采光口的选择上，侧窗造价低、使用维护方便，但采光不均匀仍然是缺点，为了弥补这一缺点，除了结合天窗以外，还可采用反光装置来实现。
2．2．3．1在窗户横档上设置反光装置
在窗户横档上使用扩散光玻璃，这样使射向顶棚的光线增加；或者在窗户横档上安装指向性玻璃，使光线折向顶棚，两者均可提高房间深处的照度。
2．2．3．2在合适的窗玻璃上装窗格
与侧光照明一起使用，窗格是一种非常有效的装置。
这种位于或高于视线的水平装置可以将落在窗户上的光线反射到顶棚上，进入房间深处。
降低了因日照太强而无法舒适工作的临窗处照度。
这种策略尽管减少了进入空间的总光通量，但它使整个空间的照度更均匀。
3小结
昼光照明拥有节约电力资源，保护生态环境等明显优势，并能形成积极的心理导向，提供更优越的视觉经验。
现今，随着建筑材料建筑技术的发展，昼光照明设计拥有了更广阔的舞台。
在教学楼设计中，利用各项策略创造高效的昼光照明系统将为教学环境的优化起到积极的推动作用。
水平和垂直遮阳方式对北京地区西窗和南窗遮阳效果的分析
来源：
中国论文下载中心 [05-12-2516:
54:
00] 作者：
佚名 编辑：
studa9ngns
Optimumoverhangandverticalshadingdevicedimensions
forenergysavinginBeijing
摘要：
窗口外遮阳是改善住宅夏季室内热环境、降低空调能耗的一个重要措施，但太阳辐射对于冬季室内热环境却是非常有利的，因此，外窗遮阳设计要平衡冬、夏季对太阳辐射的不同需求。
本文以平均遮阳系数作为衡量遮阳效果的指标，选择北京地区的西窗和南窗为研究对象，针对水平和垂直遮阳两种方式，定量分析了遮阳板的安装位置和构造尺寸对冬夏季遮阳效果的影响程度。
并在综合考虑冬夏季不同需求的基础上，给出了遮阳板合理的安装位置和构造尺寸的推荐值。
关键词：
平均遮阳系数：
冬、夏季；水平遮阳；垂直遮阳
Abstract:
Theapplicationofoverhangsorvertical-shadingdevicesoverwindowsisanimportantmethodtoamelioratetheindoorenvironmentsandreducetheenergyconsumptionofair-conditioninginsummer.However,solarheatgainsarebeneficialtotheindoorenvironmentsinwinter.Inthedesignofexfernalshadingdevices,differentrequirementsforsolarheatgainsinthehotseasonandcoldseasonshouldbetakenintoaccount.InviewofsouthwardandnorthwardfenestrationsinBeijing,thispaperpresentsquantitativeanalysestothepredictionofinstantaneousirradianceontheshadedfaceateverytiltandazimuthduringwinterorsummer.Andaverageshadingcoefficientsinwinterorinsummerhavebeenselectedforevaluatingshadingeffectsindifferentseasons.Optimalconfigurationdimensionsofhorizontalandverticalshadingdevicesarerecommendedonthebasisofdifferentrequirementsforsolarheatgainsinwinterandinsummer.
Keywords:
averageshadingcoefficient;winterorsummer;overhang;verticalshadingdevice
引言
住宅窗口外遮阳的目的在于减少夏季进入到室内的太阳辐射热，从而改善室内热环境，降低空调制冷负荷。
然而，遮阳板对于冬季的室内热环境是不利的，因为其降低了冬季进入到室内的太阳辐射热。
另一方面，遮阳效果是随遮阳形式及遮阳板构造尺寸而变化的，如垂直遮阳板对东西向窗口就几乎未起到遮阳的作用[1]。
因此，理想的遮阳形式及遮阳板构造尺寸要能够同时满足冬、夏季不同时刻室内热环境对太阳辐射热的不同要求，故对不同遮阳形式的遮阳效果进行分析就十分必要。
对于北京地区，在东、南、西、北四个不同朝向中，西向的夏季太阳辐射强度最大，西向窗口对夏季遮阳的要求最为迫切；而南向的冬季太阳辐射最强，确定南向窗口的遮阳状况时应尽量减少其对冬季太阳辐射得热的影响，基于此，本文以西窗和南窗为例，定量分析水平遮量板和垂直遮阳板在不同构造尺寸下的遮阳效果，为建筑师在设计过程中采用合理的遮阳形式及确定遮阳板构造尺寸提供参考。
1分析方法
采用遮阳系数表示遮阳板对外窗的遮阳效果，遮阳系数是指遮阳板在太阳光线照射下形成的外窗日影区面积与外窗表面积的比值，即为：
（1）
式中：
k--遮阳系数；As--外窗日影区面积；A--外窗表面积。
外窗日影区面积是根据遮阳板构造尺寸及太阳高度角和方位角计算确定的，因此，遮阳系数是随太阳高度角和方位角逐时变化的。
故对于冬季采暖期（11月16日至3月15日）和夏季空调期（6、7、8月）是外窗遮阳状况，可采用相应时期逐时遮阳系数的平均值来衡量。
夏季的平均遮阳系数越大，遮阳效果赵好；而冬季的平均遮阳系数越小，遮阳对冬季热环境所引起的负面影响越小。
2水平遮阳方式
2.1遮阳构造
水平遮阳方式的具体构造见图1所示。
图1水平遮阳构造
图中：
X--外窗宽度；Y--外窗高度；W--遮阳板宽度；a--遮阳板距离窗户侧边距离；b--遮阳板距离窗户顶边距离。
研究水平遮阳构造的遮阳效果，实质上是分析不同的遮阳板宽度及遮阳板与外窗相对距离的条件下，外窗夏季和冬季平均遮阳系数的变化趋势。
正同对南窗和西窗分别分析。
本文中取1.5m×1.5m的外窗作为研究对象。
2.2南窗
2.2.1遮阳板与外窗相对距离a，b的影响
首先分析计算遮阳板宽度W分别为0.2m，0.4m，0,8m和1.0m时，冬、夏季的平均遮阳系数。
对于不同的W值，相同季节平均遮阳系数a和b的变化趋势是一致的。
图2、图3分别给出了W=0.4m时，夏季和冬季的平均遮阳系数随a和b的变化曲线。
图2南窗夏季平均遮阳系数随a，b的变化 图3南窗冬季平均遮阳系数随a，b的变化
对于夏季和冬季，虽然其平均遮阳系数均随着遮阳板距窗户侧边距离a的增大而增大，增大a有利于夏季的遮阳，却不利于冬季的太阳得热。
但由于冬季平均遮阳系数之间的差异则较小，因此，可尽量增加a值。
对于夏季和冬季，平均遮阳系数均随遮阳板距窗户顶边距离b的增大而减小，因此，增大b不利于夏季的遮阳，却有利于冬季的太阳得热，但相比较夏季平均遮阳系数，冬季的平均遮阳系数整体上都较小，并且b大于0.12m后对冬季遮阳系数的影响很小。
这样，可考虑取b为0.12m。
根据上述的分析，对W=0.8m的情况，分别取a=0.4m,b=0.12m,和a=b=0m计算冬、夏季平均遮阳系数，计算结果如表1所示。
计算结果表明：
对于a=0.4m,b=0.12m的情况，夏季平均遮阳系数更大，而冬季平均遮阳系数更小，故a，b的取值分别定为0.4m和0.12m。
表1 不同a和b下的冬、夏季平均遮阳系数比较
遮阳尺寸
夏季
冬季
a=0.4,b=0.12
a=0,b=0
0.78
0.65
0.17
0.21
2.2.2遮阳板宽度W的影响
由上分析，a=.4m,b=0.12m是一个比较理想的取值，在这种情况下，分析遮阳板宽度W的影响。
如图4所示。
不论冬夏季，遮阳系数都是随W的增大而增大，这对夏季遮阳有利，对冬季获取太阳辐射热却不利。
但遮阳板宽度从0～0.5m变化时，夏季遮阳系数的提高快，大于0.5m后，遮阳系数的变化趋势趋于平缓。
图４ 南窗冬、夏季平均遮阳系数随Ｗ的变化
由于冬季通过南窗的太阳辐射是房间得热的主要来源，这对于提高室温，降低供暖流能耗有重要意义，因此在提高夏季遮阳系数的同时，必须将冬季的遮阳系数控制在一定范围内。
当W为0.5m时，夏季平均遮阳系数为0.71，冬季平均遮阳系数为0.09，基本能满足夏季遮阳和冬季得热的综合要求。
因此推荐W的取值在0.5m左右。
总体上说来，水平遮阳对于南向是一种比较理想的遮阳方式。
2.3西窗
2.3.1遮阳板与外窗相对距离a，b的影响
首先仍分析在不同的W取值（0.2～1.2m）下，遮阳板与外窗相对距离a和b对平均遮阳系数的影响。
结果表明：
对于不同的W，平均遮阳系数随a和b的变化趋热是一致的。
从图5和６可看出，冬、夏季平均遮阳系数随a的变化趋势一致，均是随a的增大而增大。
但a增大到0.4m后，夏季平均遮阳系数基本保持一致，而冬季平均遮阳系数的变化则仍十分明显，故a的取值为0.4m较为合理。
图5夏季平均遮阳系数随a，b的变化 图6西窗冬季平均遮阳系数随a，b的变化
另一方面，冬、夏的平均遮阳系数均随b的增大而减小。
但对于北京地区，西窗在夏季有大量的太阳辐射热进入，对室内热环境相当不利；而冬季，西窗并不是主要的得热窗口，因此，b的取值应首先考虑西窗夏季的遮阳问题，保证遮阳系数在夏季尽量大，这样，b的值取为0m。
表2给出在W为0.4m的情况下，对应不同a，b取值的冬、夏季平均遮阳系数，可以直观地看到，a=0.4m,b=0m是比较合理的取值。
表2不同a和b下的平均遮阳系数比较
遮阳尺寸
夏季
冬季
a=0m,b=0m
a=0.4m,b=0.1m
a=0.4m,b=0m
a=0.6m,b=0m
0.30
0.28
0.34
0.34
0.17
0.16
0.22
0.24
2.3.2遮阳板宽度W的影响
以上的分析确定了a，b的取值。
在这种较理想的遮阳构造形式下，分析遮阳板宽度W的影响，如图7所示，无论夏季还是冬季，平均遮阳系数都随着遮阳板宽度的增大而增大。
当W=1.5m时夏季的平均遮阳系数仅达到0.68，而冬季的平均遮阳系数为0.36。
考虑到冬季西向的太阳辐射强度在80W/m2左右，约为南向的一半，即冬季西窗并不是主要的得热窗口，因此，在条件允许的情况下，应尽量增加西窗遮阳板的宽度，但总的来说，西窗的水平遮阳效果并不理想。
图7西窗冬、夏季平均遮阳系数随W的变化
3垂直遮阳方式
3.1遮阳构造
垂直遮阳方式的具体构造见图8所示。
图中：
X--外窗宽度（1.5m）；Y--外窗高度（1.5m）；W--遮阳板宽度；l--遮阳板长度；a--遮阳板与窗侧边的距离；b--遮阳板顶与窗顶的距离。
图8垂直遮阳构造
与水平遮阳构造的分析方法一致，研究垂直方式的遮阳效果，实质上也是分析在不同的遮阳板宽度、长度及遮阳板与外窗相对距离的条件下，外窗夏季和冬季平均遮阳系数的变化趋势。
下面对南窗和西窗分别分析。
3.2南窗
3.2.1遮阳板与外窗相对距离a，b的影响
首先分析遮阳板与外窗的相对距离a和b的影响状况。
图9、图10分另表示出在一定的遮阳板宽度和长度（W=0.4，l=1.0m）下，夏季和冬季平均遮阳系数随a和b的变化趋势。
图9南窗夏季平均遮阳系数随a，b的变化 图10南窗冬季平均遮阳系数随a、b的变化
分析比较图9和图10，夏季和冬季平均遮阳系数均是随a的降低而增加，而随b的变化趋势则相反，夏季遮阳系数随b的增加而增加，冬季遮阳系数随b的增加而降低。
因此，冬、夏季遮阳状况对a的要求是相互矛盾的，而对b的要求则是相互一致的，b值的增加同时有利于改进遮阳状况和降低对冬季得热的负面影响，故取b值为0.4m。
在这种情况下，对应a值为0.2m的冬季遮阳系数不超过0.08，这说明可略该尺寸遮阳构造对冬季太阳辐射得热的影响。
因此，a，b的取值分别定为0.2m和0.4m。
3.2.2遮阳板宽度W和长度l的影响
进一步再分析遮阳板宽度W与长度l对遮阳效果的影响。
根据以上确定的a，b取值，图11、图12分别表示在不同遮阳板宽度W和长度l下，夏季和冬季平均遮阳系数的变化规律。
图11南窗夏季平均遮阳系数随W，l的变化 图12南窗冬季平均遮阳系数随W,l的变化
图11和图12表明：
夏季和冬季平均遮阳系数均是随W，l的增加而增加，因此，冬、夏季遮阳状况对W，l的要求也是相互矛盾的，但超过0.4m后，遮阳板宽度W对夏季平均遮阳系数的影响基本保持不变，而对应0.4m遮阳板宽度的冬季遮阳系数也在0.1左右，故W的取值定为0.4m。
以上综合考虑冬、夏季的太阳辐射特点，确定了比较合理的a，b，W值。
在这种情况下，图13表示出南窗夏季和冬季平均遮阳系数随遮阳板长度变化。
图13不同遮阳板长度下南窗夏季和冬季平均遮阳系数 图14不同遮阳板长度下西窗夏季和冬季平均遮阳系数比较
冬、夏季的平均遮阳系数均随遮阳板长度的增加而增加，但即使针对这种较理想的遮阳构造，当遮阳板长度增加到1.6m时，南窗夏季的遮阳系数也仅为0.35左右，而冬季的平均遮阳系数已超过0.1。
因此，垂直遮阳方式对于南窗的遮阳效果并不明显。
3.3西窗
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