王夢蕊，劉宇波

(華南理工大學(xué)建筑學(xué)院，亞熱帶建筑科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510600)

引言

天然采光是學(xué)校建筑照明的優(yōu)選，更加有益于學(xué)生的身心健康，有助于保護(hù)視力和提高教室照明的質(zhì)量[1-3]。近年來，科研人員對中小學(xué)校的自然采光設(shè)計(jì)進(jìn)行了大量的研究和實(shí)踐[ 4-12]。2010年美國照明研究中心(LRC)的 Leslie等[6]發(fā)表了《可持續(xù)的學(xué)校天然采光模式》(Patterns to Daylight Schools for People and Sustainability)，首次使用了“采光儀表板”進(jìn)行采光設(shè)計(jì)評估。通常我們對中小學(xué)校采光設(shè)計(jì)進(jìn)行評估時，往往依據(jù)“窗地比”和“平均照度”這兩個指標(biāo)。LRC的“采光儀表板”評價法包括了對采光質(zhì)量的研究，這種評價法對我們進(jìn)行學(xué)校天然采光研究具有非常重要的借鑒意義。

1 “采光儀表板”評價法概述

文獻(xiàn)[6]將學(xué)校建筑分為教室、體育館、走廊三種空間類型，旨在幫助建筑師確定學(xué)校建筑中這三種空間最適宜的天然采光方式或“模式”，此外還將每種采光模式的優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)成彩色分區(qū)圖——“采光儀表板”(圖1)，用來代表八個采光評價指標(biāo)，其中每個指標(biāo)包括與其對應(yīng)的評價標(biāo)準(zhǔn)。采光儀表板是一個評價每個設(shè)計(jì)方案中不同采光指標(biāo)綜合效果的直觀工具，八個采光指標(biāo)是平均照度、覆蓋率、全自然采光百分比、漫反射日光率、晝夜刺激潛力、視野量、太陽輻射得熱、窗地比。

對于八個評價指標(biāo)各自的效果，采光儀表板采用了一種直觀的表達(dá)方式，即不同的顏色：當(dāng)采光儀表板某段為紅色，表示在這種采光模式下該指標(biāo)不能實(shí)現(xiàn)；若為黃色，表示要此模式需要進(jìn)行仔細(xì)評估或改進(jìn)后才能滿足該指標(biāo)；綠色表示能夠很好地實(shí)現(xiàn)該指標(biāo)。以教室為例，各評價指標(biāo)的具體劃分標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 各評價指標(biāo)的具體劃分標(biāo)準(zhǔn)

圖1 采光儀表板(根據(jù)文獻(xiàn)[6]中圖片重繪)Fig.1 Daylighting dashboard

2 “采光儀表板”的評價指標(biāo)分析

每個“采光儀表板”包括八個評價指標(biāo)，分別是：平均照度、覆蓋率、全自然采光百分比、漫反射日光率、晝夜節(jié)律刺激、視野量、太陽輻射得熱、窗地比。

首先，“平均照度”、“覆蓋率”和“全自然采光百分比”是和照度相關(guān)的評價指標(biāo)?！捌骄斩取边@一評價指標(biāo)要求采光設(shè)計(jì)能夠提供足夠的天然日光，但值得注意的是過量的日光可能會引起眩光，所以只有平均照度在323～5 380 lx之間才能達(dá)到綠色標(biāo)準(zhǔn)。“覆蓋率”是指工作平面的日光照度高于最低照度標(biāo)準(zhǔn)(108 lx)的百分率。高覆蓋率表明空間大部分區(qū)域都有足量的日光照明?！叭匀徊晒獍俜直取笔侵腹ぷ鲿r間中單獨(dú)依靠自然采光就能達(dá)到IES規(guī)定的最小照度要求(323 lx)的時間百分比。全自然采光百分比高表明空間大部分時間都可以關(guān)掉電燈，只依靠自然光照明。

對于“平均照度”的評價標(biāo)準(zhǔn)，GB 77993—2010《小學(xué)校教室采光和照明衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》和GB 50099—2011《中小學(xué)校設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定，普通教室課桌面上的平均照度應(yīng)不少于300 lx,黑板面垂直照度的平均值應(yīng)為500 lx。這與指南中對平均照度的要求相似，但我國缺少“覆蓋率”和“全自然天光百分比”這兩項(xiàng)能夠控制最低照度和目標(biāo)照度分布的采光指標(biāo)。文獻(xiàn)[4]指出，我國實(shí)際學(xué)校黑板和課桌照度往往達(dá)不到我國的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，照度分布不均勻，且教室眩光現(xiàn)象嚴(yán)重。

其次，“漫反射日光率”、“晝夜節(jié)律刺激”是和日光光源緊密相連的評價指標(biāo)。這兩個指標(biāo)，目前對于我們來說是比較陌生的?！奥瓷淙展饴省笔侵腹ぷ髌矫鏇]有直射陽光的百分比。教室的直射光會造成眩光，光照分布不均以及熱不適等情況。設(shè)計(jì)師需要在設(shè)計(jì)上考慮建筑出挑，或是增加百頁等遮陽措施，使進(jìn)入教室的光線盡可能為漫反射日光，提高漫反射日光率。例如位于美國北卡羅來納州的史密斯中學(xué)教室采用了南北向的三角形屋頂垂直窗采光，老虎窗底部采用百葉能夠有效地防止眩光(圖2)。立面采用了凹窗結(jié)合傾斜的反光板，能夠有效地阻擋直射光進(jìn)入，起到減少眩光的作用(圖3)。這種采光設(shè)計(jì)在滿足照度要求的同時能夠大大增加漫反射日光率。

圖2 屋頂垂直窗的采光模型[7] Fig.2 Roof daylight model

圖3 立面開窗采光模型[7] Fig.3 Window daylight model

設(shè)立“晝夜節(jié)律刺激”這一評價指標(biāo)是因?yàn)榭茖W(xué)研究表明，人體的生理節(jié)律周期略長于地球自我循環(huán)時間，日光可以促使人體的晝夜節(jié)律與地球同步，特別是早晨的陽光能夠改善青少年的睡眠模式[5]。因此文獻(xiàn)[6]中指出，我們在進(jìn)行學(xué)校采光設(shè)計(jì)時，應(yīng)該盡可能使學(xué)生接觸早晨的日光以促進(jìn)晝夜刺激；用0：00—24：00表示晝夜刺激潛力的大小。綠色的評價標(biāo)準(zhǔn)為在給定的條件下全年應(yīng)有足量的日光照度能夠刺激學(xué)生的生理系統(tǒng)。紅色則表明在這種采光模式下學(xué)生不能接收到足量的刺激生理系統(tǒng)的日光，會容易出現(xiàn)“生理黑暗”的情況。

除了上述五項(xiàng)指標(biāo)外，還有一項(xiàng)我們非常熟悉的指標(biāo)——“窗地比”。窗地比是指該空間窗戶或天窗的面積與地面面積的百分比。在我國，窗地比被認(rèn)為是與我們建筑設(shè)計(jì)最為密切相關(guān)的采光指標(biāo)。GB 50099—2011《中小學(xué)校設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定教學(xué)用房的窗地比應(yīng)該大于五分之一，即大于20%。在我國傳統(tǒng)的教育建筑采光設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師通常采用加大側(cè)窗的模式以滿足照度要求。但大面積的側(cè)窗常常會造成教室眩光現(xiàn)象嚴(yán)重，采光不均勻。在這種情況下，僅依靠自然光照明并不能達(dá)到國家規(guī)范要求的平均照度最低值。所以老師在上課時往往會拉上窗簾，只依靠人工照明。而這不僅浪費(fèi)能源，也不利于青少年的視力健康。而文獻(xiàn)[6]顯示：窗地比需要小于10%才能達(dá)到綠色標(biāo)準(zhǔn)，10%～20%為黃色標(biāo)準(zhǔn)，若大于20%則為紅色標(biāo)準(zhǔn)。這主要原因是文獻(xiàn)[6]中認(rèn)為對于中小學(xué)校來說，墻壁是非常重要的教育資源，可以用來進(jìn)行專題教育、展覽等教學(xué)活動。這里需要指出的是，美國中小學(xué)校室內(nèi)上課的位置通常不是固定的，這就要求教室有更多的實(shí)墻面。此外，由于窗戶和天窗的成本通常高于固體墻壁,因此減小玻璃面積可以降低施工成本。雖然大面積玻璃可以提供更大的景觀和光線,但是它們會造成眩光，也會帶來更多的熱量以及增加制冷成本。文獻(xiàn)[6]認(rèn)為我們在進(jìn)行采光設(shè)計(jì)時不能一味地追求大面積開窗，而是應(yīng)當(dāng)使建筑窗戶或天窗面積最小化，以控制建設(shè)成本。

而我們認(rèn)為，美國中小學(xué)校之所以采用10%左右的窗地比卻仍然能夠滿足教室采光的照度要求，是因?yàn)樗麄儗χ行W(xué)校建筑進(jìn)行了大量的采光設(shè)計(jì)研究和實(shí)踐，對開窗的形式有比較創(chuàng)新的設(shè)計(jì)方法，包括設(shè)計(jì)增加陽光進(jìn)入量的導(dǎo)光措施和防止眩光的措施等。例如美國的里迪·?？诵W(xué)教室采用了老虎窗和彎曲的半透明光架結(jié)合的采光設(shè)計(jì)。這種采光設(shè)計(jì)，在保證一定照度的情況下，能減少約40%的開窗面積。傾斜的天花板，促使光線進(jìn)入到教室的更深處。南向的老虎窗采用傾斜的導(dǎo)光板，起到了遮陽和防止眩光的作用。這些措施不僅減小了窗地比，更加節(jié)能，而且使室內(nèi)光線更加均勻，最大程度避免了眩光。

最后“視野量”和“太陽輻射得熱”是與采光沒有直接聯(lián)系的兩項(xiàng)評價指標(biāo)。其中“視野量”這一評價指標(biāo)對與我們來說也比較新穎。文獻(xiàn)[6]認(rèn)為窗戶有觀景和采光兩種作用。有些窗戶可以采光，但并不一定能夠使人們看到窗外的景觀，例如選擇半透明的天窗。設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)學(xué)校窗戶時也應(yīng)提供足夠的視野量，使學(xué)生能與室外產(chǎn)生交流?！叭照盏脽崃俊笔侵竿ㄟ^玻璃吸收的太陽輻射熱量。在寒冷的月份太陽輻射熱能夠提供被動式采暖，但是在夏季或炎熱的月份，太陽輻射熱會使室內(nèi)過熱，增加制冷費(fèi)用。因此文獻(xiàn)[6]并沒有對日照得熱量的多少進(jìn)行顏色評價，而是對提到的每種采光模式給出了基于美國特定時區(qū)的日照的得熱總量。

3 結(jié)束語

采光儀表板評價法是一種直觀的概念性圖形分析法，能夠直接反映各項(xiàng)采光指標(biāo)的優(yōu)劣。它對我們進(jìn)行中小學(xué)校天然采光設(shè)計(jì)研究具有重要的參考價值。采光儀表板評價法對采光指標(biāo)有了更多方面的關(guān)注，如“全自然采光百分比”、“視野量”等。但是更多的評價指標(biāo)也對我們的建筑采光設(shè)計(jì)提出了更高的要求。這就要求我們在實(shí)驗(yàn)研究和實(shí)踐的基礎(chǔ)上,充分結(jié)合實(shí)際情況，探索適宜的建筑采光設(shè)計(jì)模式和采光評估標(biāo)準(zhǔn)，可以借鑒LRC的采光儀表板評價法，如該法中各個采光目標(biāo)所占的權(quán)重以及各采光目標(biāo)的顏色和比例劃分都值得我們進(jìn)行深入的研究。