淺議天然采光與建筑面積節(jié)能設(shè)計實踐

◆■何水清1毛希元2何川◆■何水清1毛希元2何川1(1.江蘇省徐州市新型建筑技術(shù)應(yīng)用中心；２.江蘇省新沂市規(guī)劃局)一引言建筑的天然采光就是將日光引入室內(nèi)建筑內(nèi)(4)根據(jù)氣候、窗戶位置和朝向確定玻璃材料以保證最高照明效能根據(jù)墻壁頂棚和地面)部精確地控制并將其按一定方式分配以提供比人工光源更理想和質(zhì)量更好的照明。全世界照明用電約占總發(fā)電量的9%～20%，照明能耗為一次能消耗的4%用天然光能節(jié)約照明用電在追求生態(tài)和可持續(xù)發(fā)展的今天具有十分重要的意義。太陽為人類提供了巨大的天然光能，在建筑中充分利用天然光可顯著減少能耗和運行費用同時多用天然采光有利于環(huán)境并減少了電光源的需求量，則相應(yīng)減少了電力消耗和相關(guān)污染因此天然采光具有最小的能耗和長遠的經(jīng)濟效益。表1推薦表面反射系數(shù))結(jié)合建筑藝術(shù)處理，確定能調(diào)節(jié)天然采光的建筑構(gòu)件如房檐、遮陽板或其他形式。2采光系統(tǒng)設(shè)計建筑的天然采光需在周圍結(jié)構(gòu)上開口，即形成窗允許日光進入并充分分配和發(fā)散光線設(shè)計良好的天然采光能避免因直射引起的會削弱視力和產(chǎn)生不舒適的多余的得熱和亮度，目前天然采光的創(chuàng)新為我們提供了范圍很廣的先進高效和高度完善的系統(tǒng)根據(jù)窗位置形式的不同可將天然采光劃分為側(cè)窗采光系統(tǒng)天窗采光系統(tǒng)中庭采光系統(tǒng)和新型天然采光系統(tǒng)。)側(cè)窗采光系統(tǒng)是房間的一側(cè)或兩側(cè)上開采光口是最常見常用的一種采光系統(tǒng)光線具有明二采光設(shè)計方案與設(shè)計1采光設(shè)計方法建筑的天然采光設(shè)計過程可分為以下步驟：)性能目標。)建筑的位置、形狀和朝向。)融入基本建筑形式。5ORNGY/3天花板墻壁地面80～9060～6520～50太陽能SLARENERY確的方向性太陽能SLARENERY確的方向性有利于形成陰影并可通過該側(cè)窗看到外界風(fēng)景擴大視野主要缺點是照度分布不均勻近窗處照度大隨進深變化照度下降速度很快。一般房間的窗洞上口至房間深處的連線與地面所成的角度不小于26?則可保證房間進深方向的均勻性高側(cè)窗可看作側(cè)窗的特例是一種非常好地使日光深入內(nèi)部空間的方法除房間進深影響光線的均勻外建筑物的間距窗戶的面積分布及性狀等都影響房間照度和均勻。從外墻窗戶射入并反射到房間后部的光量以及房間前部和后部的比較照度水平受到室內(nèi)表面折反射系數(shù)的控制反射系數(shù)越高房間后部的照度越大。反射系數(shù)還會影響背景的亮度水平和工作面與背景的反差。)天窗采光系統(tǒng)又可細分為矩形天窗、鋸齒形天窗橫向天窗井形天窗和平天窗等類型其中平天窗在公共建筑中應(yīng)用較為廣泛。平天窗就是屋頂上的水平開口，是普遍采用的日光照明方法如果使用合理是使光線進入房間的最有效的方法天窗通常布置成網(wǎng)格狀天窗之間的距離約為地面到頂棚平面距離的1.5倍最佳天窗窗地比可從5%到10%或更高具體數(shù)值根據(jù)玻璃的透射率天窗設(shè)計的效率需要的照度水平和頂棚的高度以及房間是否有機械空調(diào)系統(tǒng)而變化。因為大多數(shù)平天窗需散射玻璃以控制太陽輻射所以無法看到外面如果在晝光照明中采用平天窗，必須保證：①②在天窗下設(shè)置擋板將一些反射光反射到頂棚表面上。這種技術(shù)使頂棚成為相對較大的非直射光源，減少了光源對背景的反差。③考慮屋頂?shù)脑O(shè)計如果在傾斜的屋頂上使用天窗，天窗的效率會隨屋頂傾斜度的增加而降低而且光線分布形式更象側(cè)光照明如果屋頂朝北傾斜，太陽輻射的控制問題不大；如果屋頂朝東、南或西傾斜，則控制的問題較大。)中庭最大的貢獻在于提供了優(yōu)良的光線和射入到平面進深最遠處的可能性，允許進深較大的建筑能天然采光本身則成為一個天然光的收集器和分配器至于庭院天井和建筑凹口可看作中庭的特殊形式。中庭采光除考慮直射光外，更主要的是光線中庭“光通道的作用面向使用空間的開口就是這條光道的出口處，這條光道四院的墻體決定這一光線的強弱以及有多少光線可照到中庭底和進入建筑物最底層房間的內(nèi)部。到達中庭地面的直射光量取決于中庭本身的比例——縱橫比該特性決定庭院光照水平的衰減程度天空光線越強烈庭院越寬使最底層達到有效的光照水平不過側(cè)面反射也很重要不同反射性能的墻其效能有很大差異對于靠中庭采光的底層部分對面的反射墻就是它“天空若該墻為一從頂?shù)降氐牟ＡЩ蛲耆浅ㄩ_的，則從理論上的另一極端來說該處未敞開卻有一強反射面對著墻光線經(jīng)反射進入這個通道光的強度減弱極少光線應(yīng)按所需理想地進入每一層樓，其余經(jīng)反射再向下傳遞這一概念的邏輯結(jié)果是，在每一層窗的排列設(shè)置不同頂層僅需極少的窗，增反射界面，往下逐漸增加玻璃窗，減少反射界面，直至最后全部開玻璃窗。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了許多新型天然采光系統(tǒng)如幾何光學(xué)系統(tǒng)、光導(dǎo)纖維引光系統(tǒng)等。下m光導(dǎo)纖維引光系統(tǒng)主要是依靠可見光波在光導(dǎo)管內(nèi)的全反射將光波從引入端傳至輸出端光導(dǎo)纖6ORNGY/3太陽能太陽能與建筑太陽能廚 0 房餐廳臥室3 臥室2 14250 0 太陽能廚 0 房餐廳臥室3 臥室2 14250 0 11000衛(wèi)生間臥室1客廳書房 00 0 0 單位mm圖1典型戶型SLARENERY維引光系統(tǒng)主要由三部分組成：引入喇叭形捕光器對準陽光將陽光集束進入光導(dǎo)中段為光導(dǎo)管可像電線一樣彎曲穿插進入受光房末端為透明透光管，將光線輸出。天然采光可提供比人工光源更理想、質(zhì)量更好的照明在建筑設(shè)計中充分利用太陽光能將陽光引入建筑內(nèi)部使人們的視覺效果改善工作效率提高使空間具有更好的顯色性使空間富有生命力同時對節(jié)省能耗減少環(huán)境污染追求生態(tài)和可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。選套間為南北朝向建筑面面積約112m2為常見的三室二廳一廚一衛(wèi)戶型，平面圖和窗戶洞口的實際尺寸如圖1所示在進行具體能耗計算之前，測算該住宅戶型在滿足普通住宅最低自然采光系數(shù)情況下開窗面積情況參考衡量所選擇實三寒冷地區(qū)住宅采光設(shè)計實踐窗戶是建筑中最重要的構(gòu)件之一對一般多層居住建筑而言傳統(tǒng)采光方式是以自然采光為南我國寒冷地區(qū)有著冬季氣溫低持續(xù)時間長，白天太陽照射進室內(nèi)時間短，通過窗戶流失掉的熱能多，用西安地區(qū)為例說明。西安市位于北緯33?39'～34?45'，東經(jīng)107?40'～109?49'關(guān)中平原中部地處中緯度內(nèi)陸性季風(fēng)氣候由于氣候受大陸季風(fēng)影響溫度的季節(jié)變化明顯四季分明冷熱干濕雨熱同季。冬夏兩季較長春秋兩季較短冬季寒冷風(fēng)小、霧多少雨春季溫暖干燥多風(fēng)氣候多；夏季炎熱多雨，伏旱突出多雷雨大；秋季涼爽氣溫速降年平均氣溫～℃最冷月1溫月7通施。1多層住宅開窗分析普通民用住宅應(yīng)符合的最低采光標準見表2。表1住宅室內(nèi)最低采光標準根據(jù)GB50096-199《住宅設(shè)計規(guī)范窗地面)各房間的具體尺寸計算出在滿足最低采光情況下的開窗面積具體計算結(jié)果見表3結(jié)合圖1所示實際窗戶洞口尺寸可發(fā)現(xiàn)該實例各墻面上窗戶洞口都比規(guī)范規(guī)定的最低采光面積大，尤其是南向客廳選用了3900mm×1600mm大窗，因此該套戶型滿足于進一步分析的前提。7ORNGY/3采光系數(shù)最低值%窗地面積比值A(chǔ)c/Ad廚房1太陽能與建筑太陽能太陽能SLARENERY表3各房間最低開窗面積吸收太陽光一部分直接透過窗戶進入室內(nèi)還有一部分是由各層玻璃吸收太陽能輻射能量后向室內(nèi)傳熱在穩(wěn)態(tài)條件下窗戶的能量平衡方程可表達為：(E=氣滲透熱損失ERHr太陽能SLARENERY表3各房間最低開窗面積吸收太陽光一部分直接透過窗戶進入室內(nèi)還有一部分是由各層玻璃吸收太陽能輻射能量后向室內(nèi)傳熱在穩(wěn)態(tài)條件下窗戶的能量平衡方程可表達為：(E=氣滲透熱損失ERHr(i-oU(T-o)qC2窗戶能耗計算通過窗戶的太陽能量包括兩部分：一是直接透過窗戶進入室內(nèi)的熱量二是各層玻璃吸收太陽能量后作為一個個獨立的小熱源間接向室內(nèi)輻射的熱量太陽得熱系統(tǒng)的理論值為0～1實際值約在～0之間相同條件下該值越小，通過窗戶的太陽輻射得熱就越少。數(shù)U為而對于1～6層普通居住型建筑窗戶氣密性等級確定不低于Ⅲ級水平相當于窗戶每米縫長的空氣P其中HGsolar為透過窗戶的太陽的熱量W；U為整窗傳熱系數(shù)，W/(m2KTi為室內(nèi)溫度，To為室外溫度L為空氣滲透率m3/qCP為空氣熱容取1200J/(m3K)。由式(1)計算出的ER為正表示窗戶得到的輻射熱大于窗戶損失掉的熱能窗戶得反之ER為負，表明窗戶損耗的熱量大于通過窗戶得到的熱能，窗戶散熱。(2)窗戶的傳熱量E計算①：M式Ap為凈玻璃投影面積m2取Sa為透過玻璃以及被玻璃吸收后進入室內(nèi)的總?cè)丈湓缕骄掌谳椪樟縦J/(md為取5M為該月的天數(shù)。)表。計算中涉及到的測量數(shù)據(jù)來源于西安建筑科滲透量Q3/(K)其他熱工參數(shù)采暖天l數(shù)取100d冬季平均室外溫度取℃。3南向窗戶的傳熱量計算)窗戶傳熱方式和室內(nèi)外環(huán)境的輻射換熱、內(nèi)外層表面的對流換熱、玻璃層間的輻射換熱和對流換熱玻璃層內(nèi)的導(dǎo)熱及玻璃對太陽輻射的表4窗戶得熱量計算技大學(xué)建筑學(xué)院氣候研究所根據(jù)表4的結(jié)果可進H為。量T量計算：qIN,T=(Ti-ToLqC=(18-0.9)(7.5/3600)P式中，i和o取值為西安地區(qū)冬季室內(nèi)和室外溫度的平均值數(shù)據(jù)由《民用建筑節(jié)能設(shè)計標準》查找得到。③8ORNGY/3號 位 11月 12月 1月 2月 3月M d 15 31 31 28 15t kJ/(m) 5891 5263 5752 6942 8541SI,M J 66273 122365 133734 145782 96086臥室1臥室2臥室3 廳 房 279 2 6 1 22 8 0 4 5 寬×高244464太陽能太陽能與建筑太陽能SLARENERY在西安整個冬季通過窗戶的傳熱量：E--計算結(jié)果是負值，說明該住宅戶型的窗戶是散熱的，也就是通過窗戶得到的太陽熱量小于由于窗戶傳熱和冷風(fēng)滲透所造成的熱量損失。4計算結(jié)果的分析其窗戶面積要大于采光規(guī)范所要求的面積，但計算結(jié)論卻不利于節(jié)能，這樣的計算結(jié)果說明在西安地區(qū)單純的依靠增加窗戶的面積并不能使住宅通過利用太陽輻射熱降低室內(nèi)的采暖能耗，相反還會因此損失掉更多室內(nèi)熱能。結(jié)合西安的實際地理環(huán)境等因素進行分析可發(fā)現(xiàn)造成這種結(jié)果的主要原因有兩：一方面是因為西安地區(qū)緯度偏高冬季太陽高度角小太陽光的入射角較大，所以室內(nèi)日照時間較短，真正進入室內(nèi)的太陽輻射熱能很；另一方面由于西安地區(qū)冬季室外平均溫度較低外界環(huán)境氣溫低且持續(xù)時間較長室內(nèi)溫度相對一直較高，因而窗戶部分通過熱傳導(dǎo)和冷風(fēng)滲透等方式向外界傳熱的時間長所以在西安地區(qū)單純通過增加窗戶面積的節(jié)能效果并不理想，應(yīng)在滿足采要求的前提下盡可能減少窗戶面積。寒冷地區(qū)住宅的開窗并不能一味增加面積，必須結(jié)合當?shù)氐臍夂驐l件因地制宜地進行節(jié)能設(shè)計對于緯度較低太陽能資源豐富冬季室外平均氣溫較高地區(qū)提倡采用增加南向開窗面積盡量多利用太陽輻射熱能的方法節(jié)能對于高緯度、冬季室外平均氣溫較低地區(qū)，則應(yīng)該在滿足基本采光和通風(fēng)的前提下，把窗戶的傳熱量和太陽得熱量結(jié)合起來考慮，才能使該地區(qū)的窗戶熱工設(shè)計真正起到節(jié)約能耗的目的。四采光與通風(fēng)隔離，保溫與節(jié)能統(tǒng)一據(jù)山東省濰坊市場實踐通用外窗之所以高能耗太陽能SLARENERY在西安整個冬季通過窗戶的傳熱量：E--計算結(jié)果是負值，說明該住宅戶型的窗戶是散熱的，也就是通過窗戶得到的太陽熱量小于由于窗戶傳熱和冷風(fēng)滲透所造成的熱量損失。4計算結(jié)果的分析其窗戶面積要大于采光規(guī)范所要求的面積，但計算結(jié)論卻不利于節(jié)能，這樣的計算結(jié)果說明在西安地區(qū)單純的依靠增加窗戶的面積并不能使住宅通過利用太陽輻射熱降低室內(nèi)的采暖能耗，相反還會因此損失掉更多室內(nèi)熱能。結(jié)合西安的實際地理環(huán)境等因素進行分析可發(fā)現(xiàn)造成這種結(jié)果的主要原因有兩：一方面是因為西安地區(qū)緯度偏高冬季太陽高度角小太陽光的入射角較大，所以室內(nèi)日照時間較短，真正進入室內(nèi)的太陽輻射熱能很；另一方面由于西安地區(qū)冬季室外平均溫度較低外界環(huán)境氣溫低且持續(xù)時間較長室內(nèi)溫度相對一直較高，因而窗戶部分通過熱傳導(dǎo)和冷風(fēng)滲透等方式向外界傳熱的時間長所以在西安地區(qū)單純通過增加窗戶面積的節(jié)能效果并不理想，應(yīng)在滿足采要求的前提下盡可能減少窗戶面積。寒冷地區(qū)住宅的開窗并不能一味增加面積，必須結(jié)合當?shù)氐臍夂驐l件因地制宜地進行節(jié)能設(shè)計對于緯度較低太陽能資源豐富冬季室外平均氣溫較高地區(qū)提倡采用增加南向開窗面積盡量多利用太陽輻射熱能的方法節(jié)能對于高緯度、冬季室外平均氣溫較低地區(qū)，則應(yīng)該在滿足基本采光和通風(fēng)的前提下，把窗戶的傳熱量和太陽得熱量結(jié)合起來考慮，才能使該地區(qū)的窗戶熱工設(shè)計真正起到節(jié)約能耗的目的。四采光與通風(fēng)隔離，保溫與節(jié)能統(tǒng)一據(jù)山東省濰坊市場實踐通用外窗之所以高能耗主要原因就是既要采光又要通風(fēng)兩功能合一為了滿足通風(fēng)要求在窗上設(shè)置各種形式的開啟窗從而導(dǎo)致密閉保溫杯隔熱等技術(shù)難題。一旦將二者分離開來，采光窗就變成固定窗或靈活多便的自由單一窗。通風(fēng)面積一般不大于采光窗的1/2。有些工程可根據(jù)實際情況混合采用通風(fēng)窗采光窗和通用窗如正面朝東或朝西的樓房可在