窗户采光设计与分析

Doors & Windows TM 2012.01 遮阳专栏 窗户采光与 徐 浩 高伟业 西安建筑科技大学建筑学院 摘 要：窗户是采光的主要手段，本文分析了采光系数对窗户采光的影响，指出了建筑采光设计中需要注意的问题，最后 提出建筑采光设计的必要性，以期为建筑采光设计提供参考。 关键词：窗户； 采光； 窗地面积比； 开窗 Abstract：Windows are the primary means of day-lighting, the article analyzed the effects of lighting coefficient on windows day-lighting were investigated, pointed out the building day-lighting design issues that need attention, and finally raised the need for building day-lighting design. provided a reference for the building day-lighting design. Key words：windows, day-lighting, glazing floor area ratio, window cutting 1 引言 为了建立适宜的天然光环境，建筑采光必须满 足国家采光标准的相关要求，也就是如何正确选取 适宜的采光系数值。 首先要根据视觉工作的精细程 度来确定采光系数值，规律是越精细的视觉工作需 要越高的采光系数值。 另外，窗户是采光的主要渠 道，窗户面积越大，获得的光也越多。 换句话说，窗 地面积比值越大，采光系数值也越大。在建筑采光 设计中， 知道了建筑的主要用途和功能以及窗地 面积比这两项基本要素， 就可以计算精确的采光 系数。 2 窗户与采光系数值 2.1 采光的数量 2.1.1 采光系数 在室内光环境设计时，能否取得适宜数量的太 阳光需要精确的估算。 采光系数是国家对建筑室内 取得适宜太阳光提供的数量指标， 它的定义是：在 全阴天空下，太阳光在室内给定平面上某点产生的 照度与同一时间、 同一地点和同样的太阳光状态 下、在室外无遮挡水平面上产生的照度之比[1]。 由于 我国研究人员已科学地按照室外无遮挡水平面上 产生的照度把全国分成五个光气候区（图 1），简化 了复杂多变的“光气候”，于是影响采光系数值主要 的就是太阳光在室内给定平面上某点产生的照度。 照度由三部分光产生，即天空漫射光、通过周围建 筑或遮挡物的太阳反射光和光线通过窗户经室内 各个表面反射落在给定平面上的光。 这三部分光都 可以用简单的图表进行计算，使采光系数的计算变 得十分容易。 图 1 中国光气候分布图 根据视觉作业不同，我国将光照度分成五个采 光等级，并辅以相应的采光系数。 每个等级又规定 了不同功能或类型的建筑采用不同采光方式时的 48 Doors & Windows TM 2012.01 采光系数。 目前我国极大部分的建筑采光方式为侧 面采光、顶部采光和两者均有的混合采光，因此不 同的方式规定了不同的采光系数。 2.1.2 窗地面积比 顾名思义，窗地面积比就是窗洞口面积与地面 面积之比[2]。 在特定的采光条件下，建筑师可以用不 同采光形式的窗地面积比对建筑设计的采光系数 进行初步估算。 2.2 采光的质量 采光的质量像采光的数量一样是健康光环境 不可缺少的基本条件。 采光的数量（采光系数）只是 满足人们在室内活动时对光环境提出的视功能要 求，采光的质量则是人们对光环境安全、舒适和健 康提出的基本要求。 采光的质量主要包括采光均匀度和窗眩光的 控制。 采光均匀度就是假定工作面上的最小采光系 数和平均采光系数之比[3]。 我国建筑采光标准只规定 顶部采光均匀度不小于 0.7， 对侧面采光不作规定， 因为侧面采光取的采光系数为最小值， 如果通过最 小值来估算采光均匀度， 一般情况下均能超过有些 国家规定的侧面采光均匀度不小于 0.3的要求。 采光引起的眩光主要来自太阳的直接眩光和 从抛光表面来的反射眩光。 窗的眩光是影响健康光 环境的主要眩光源。 目前对采光引起的眩光还没有 一种有效的限定指标， 但是对于健康的室内光环 境，为避免人的视野中出现强烈的亮度对比由此产 生的眩光，还应该遵守一些常用的原则，即被视的 目标（物体）和相邻表面的亮度比不应小于 1:3，而 该目标与远处表面的亮度比不小于 1:10。譬如，深 色的桌面上对着窗户放置显示器时， 在阳光下不 但看不清目标，还要忍受强烈的眩光刺激。解决的 办法是，首先可以用窗帘降低窗户的亮度，其次改 变桌子的位置或桌面的颜色， 使上述的两项比例 均能满足。 3 采光中需要注意的问题 3.1 采光的窗面积和朝向 根据定义，采光系数与窗的朝向无关。 为了获 得大的采光系数值，窗面积越大越有利。 由于北半 球的居民出于健康和心理原因，希望得到足够的日 照，尤其是普通住宅的窗户，最好面朝阳或朝南开。 直射阳光能量逐渐累积，使室内的空气温度不断升 高， 并正比于窗的太阳能量透过比和窗的面积，势 必增加在夏季的空调负荷；在冬季，无论南向窗或 北向窗， 大面积窗户的散热又要增加采暖的负荷， 因此采光窗的面积不是越大越好。 国家建筑采光标 准中根据窗地面积比得到的采光系数是合理和科 学地体现了“够用”的原则，任何超过“够用”原则 的，都要付出一定的代价。 窗面积的大小可以直接 影响建筑的保温、隔热、隔声等建筑室内的环境质 量，最终影响人在室内的生活质量。 3.2 采光材料 现代采光材料的使用，例如玻璃幕墙、棱镜玻 璃、 特殊镀膜玻璃等对改善采光质量有一定作用。 有时因光反射引起的光污染也是十分严重的，特别 是在商业中心和居住区，处在路边玻璃幕墙上的太 阳映像经反射后会在道路上或行人中形成强烈的 眩光刺激， 通过简单的几何作图可以克服这种眩 光。 譬如，坡顶玻璃幕墙的倾角控制在 45°以下，基 本上可以控制太阳在道路上的反射眩光，如图 2 所 示。 对于玻璃幕墙建筑，避免大平板式的玻璃幕墙、 远离路边或精心设计造型等都是解决光污染比较 有效的办法。 图 2 反射眩光控制示意图 3.3 采光形式 目前采光形式主要有侧面采光、顶部采光和两 者均有的混合采光， 随着城市建筑密度不断增加， 高层建筑越来越多，相互遮光比较严重，直接影响 到采光量，不少办公建筑及公共图书馆要靠白天开 灯来弥补采光不足，造成供电紧张。 在建筑设计时， 有时利用天井采光井或反光镜装置等内墙采光方 式可以补充外墙采光的不足，同时也要避免太阳的 直射光和耀眼的光斑。 当然，最好的办法是在城市 规划的要求下，合理选址，严格遵守采光标准要求。 3.4 窗的功能 窗是采光的主要工具， 也起着自然通风的作 反射光线 太阳光 45° 玻璃幕墙建筑物 遮阳专栏 49 Doors & Windows TM 2012.01 遮阳专栏 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! "!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! " 2011中国节能与低碳发展论坛在京召开 日前，由中国节能协会主办的“2011 中国节能与低碳发展论坛”在北京召开。本次论坛以“科学用能、绿色发展”为主题。 在开幕式上，业内人士指出面对日趋强化的资源环境约束，建议应从三方面节能减排。 一是要大力开发水能、风能、太 阳能等低碳能源，提高我国能源安全的保障能力。二要大力采用清洁能源，减少温室气体排放。三要大力加强应对气候变化 的能力建设，以减缓和抵御气候灾害的损失和影响。 本次论坛包括建筑节能、工业节能、交通节能、能源管理与投资、空气源热泵产业等 5 个分论坛，内容涵盖了节能 减排的重点领域和热点问题。 相关政府部门的领导向与会者全面介绍了“十二五”节能减排目标，解读了工业节能、建筑节 能、特种设备节能、煤炭清洁高效利用及环境保护的措施和财税支持政策，分析了“十二五”节能减排形势，指出强化目标责 任、优化产业结构、实施重点工程等是完成“十二五”节能减排目标的重要途径。 用。 在窗户尺寸不变的情况下，窗附近的采光系数 和相应的照度随着窗离地高度的增加而减少，远离 窗的地方照度增加，并有良好的采光均匀度，因此 窗口水平上缘应尽可能高。 落地窗无论对采光或通 风均有良好的效果，在现代住宅建筑采光窗设计已 成为时尚的做法，但对空调、采暖等其他建筑环境 的影响需综合考虑。 双侧窗使采光系数的最小值接近房间中心，于 是增加了房间可利用的进深。 水平天窗具有较高的 采光系数， 有时可以比侧窗采光达到更高的均匀 度，但由于难以排除太阳的辐射热和积污，其使用 受到严重制约。 不管采用何种窗户，必须便于开启、 利于通风和清洗，并要考虑遮阳装置的安装要求。 4 开窗并不是采光的唯一手段 随着科技的发展，采光的含义也在不断地变化 和丰富，开窗作为采光的唯一手段也在变化。 过去， 采光就是通过窗户让光进入室内，是一种被动式采 光。 现在，采光可以利用采光装置主动跟踪太阳运 行，收集到的阳光通过光纤或其他导光设施引入室 内，使窗户作为主要采光手段的情况有所改变。 将 来，窗作为人与外界联系的主要窗口，或作为太阳 能收集器也是有可能的。 目前，我国设计、制作和应 用导光管的技术日趋成熟，可以把光传输到建筑的 各个角落， 而且夜间又可作为人工光载体进行照 明，导光管是采光和照明均可利用的良好工具。 5 采光的必要性 充足的天然采光有利于居住者的生理和心理 健康，同时也有利于降低人工照明能耗，有利于降 低生活成本[4]。 人类无论从心理上还是生理上已适应在太阳 光下长期生活。 为了获取各种信息、谋求环境卫生 和身体健康，光成了人们生活的必需品和工具。 采 光自然成为人们生活中考虑的主要问题之一。 采光 就是人类向大自然索取低价、清洁和取之不尽的太 阳光能，为人类的视觉工作服务。 不利用太阳能或 不能充分利用太阳能等于白白浪费能源。 由于利用 太阳光解决白天的照明问题无需费用，正如俗话所 说：“不用白不用”，何乐而不为呢？ 现在地球上的化 石能源，如煤炭、石油等能源遭遇过度开发，日趋枯 竭。 为了开源节流，人们的目光已经转向诸如太阳 能这样的清洁能源，自然采光和相关的技术显得特 别重要。 当然，目前的采光含义仍指建立天然光环 境，随着技术的进步，采光含义不断拓宽，终有一 天， 采光不仅只是为了建立天然光和人工光环境， 也为其他的用途提供廉价清洁的能源。 参考文献： [1] 沈天行，张九红. 利用图像数字化处理研究标准全云天空 下采光系数[J].照明工程学报，2006，17(2) : 28～32. [2] 吴皓俊.寒冷地区农村太阳能住宅研究[D].西安：西安科技 大学，2009. [3] 王舒扬 . 北京地区住宅建筑室内天然光环境研究 [D].北 京：北京建筑工程学院，2007. [4] 绿色建筑评价技术细则 （试行）》[J]. 建设科技，2008，(2) : 196～199. 50 asus Highlight asus Highlight