劉士鵬，王 薇

（河南工業(yè)大學(xué)，河南 鄭州450000）

1 研究目的

在當(dāng)今社會(huì)，隨著人們生活水平的提高，人們對(duì)生活空間舒適度的要求越來越高，并且發(fā)現(xiàn)自然光不僅可以帶來良好的視覺效果，而且對(duì)人們的身心健康也起積極作用。在教育類建筑設(shè)計(jì)時(shí)，自然采光對(duì)它具有更加重要的意義，由于教育類建筑使用功能的特殊性，教室內(nèi)部的光環(huán)境質(zhì)量要求更高，在滿足足夠照度的同時(shí)，還要避免學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中出現(xiàn)眩光的情況。目前我國(guó)教育水平不斷提高，學(xué)校的建設(shè)也在不斷增加，但是形式卻太過單一，忽視建筑本身的節(jié)能和建筑使用過程中的舒適度；而且隨著施工技術(shù)的提高，開窗面積也不斷增大，但是建筑門窗的保溫隔熱效果并不好，使用者為提高室內(nèi)的舒適度，大量使用機(jī)械照明，人工采暖等方式改善生活空間的舒適度，致使建筑能耗增加；而且在學(xué)生使用過程中，大面積開窗容易導(dǎo)致在工作面產(chǎn)生直射光，影響學(xué)生的使用。本文以鄭州地區(qū)普通教室標(biāo)準(zhǔn)化模型為例，通過分析鄭州地區(qū)的氣候特點(diǎn)，研究普通教室不同開窗形式，并經(jīng)過Ecotect模擬分析不同開窗形式的模擬對(duì)室內(nèi)空間自然采光系數(shù)和照度的影響，選擇合適的開窗形式以及高度，高效利用自然光，減少建筑的能耗。

2 模擬軟件介紹

Ecotect是英國(guó)Square One公司開發(fā)的生態(tài)建筑設(shè)計(jì)軟件，它可以更加直觀地模擬出一些數(shù)據(jù)，在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行全面的輔助，便于設(shè)計(jì)師對(duì)自己的設(shè)計(jì)有更加深入的分析。它是方便快捷而且清晰直觀的設(shè)計(jì)輔助軟件，將模型導(dǎo)入軟件當(dāng)中，就可以通過計(jì)算得出一個(gè)數(shù)字化的可視化分析圖，可以更加直觀地看出來設(shè)計(jì)的效果，在設(shè)計(jì)逐漸深入過程中，該軟件對(duì)模型的分析結(jié)果也更加詳細(xì)準(zhǔn)確。當(dāng)然也是更加便捷和清晰，顯示結(jié)果也變得更加一目了然。

本文主要采用Ecotect對(duì)小學(xué)普通教室的室內(nèi)光環(huán)境進(jìn)行模擬，并分析判斷其開窗形式對(duì)室內(nèi)空間的自然采光的影響。

3 鄭州地區(qū)氣候分析

本文以鄭州為研究對(duì)象，使用Weather Tool軟件對(duì)鄭州地區(qū)進(jìn)行氣象數(shù)據(jù)的分析。鄭州位于河南的中部偏北，鄭州市年平均氣溫為14.3℃，夏熱冬冷，秋日晴和。夏季最熱月7月平均氣溫為27.4℃，最高氣溫為39.6℃；冬季最冷月1月平均氣溫為0.4℃，最低氣溫為-10℃，平均年降水量約為640.9mm。

利用Weather Tool軟件模擬得出鄭州地區(qū)建筑的最佳朝向分析圖（見圖1）和全年鄭州地區(qū)太陽(yáng)的運(yùn)行軌跡分析圖（見圖2），從圖1中可以看出，鄭州地區(qū)建筑的較好朝向?yàn)槟掀?0°至南偏東30°，最佳朝向?yàn)槟掀?°，不易朝向西方或西北方向，在教育類建筑設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該充分考慮該因素，確定最佳朝向，改善室內(nèi)的光環(huán)境，有效利用自然光，減少建筑運(yùn)行過程中的能耗。

圖1 鄭州地區(qū)建筑最佳朝向

圖2 鄭州地區(qū)太陽(yáng)運(yùn)行軌跡

4 建立普通教室基本模型進(jìn)行自然采光分析

4.1 仿真教室模型的基本概況

通過對(duì)鄭州市小學(xué)的調(diào)研，并且根據(jù)對(duì)鄭州市小學(xué)教室的調(diào)研和相關(guān)規(guī)范的規(guī)定，普通教學(xué)教室的尺度一般為6.6m×9m或6.9m×9m，層高為3.6m。本文建立一個(gè)東西長(zhǎng)為9m，南北縱深為6.9m，高度為3.6m；前后各一個(gè)寬0.9m，高2m的門，外窗面積15m2的仿真建筑模型。從Ecotect內(nèi)部材質(zhì)庫(kù)中設(shè)置墻體為鋼筋混泥土墻，門設(shè)置成木材質(zhì)，玻璃選擇LOW-E中空雙層玻璃。保持其他參數(shù)不變，采用不同的開窗形式用Ecotect模擬分析，探究出普通小學(xué)教師最適合的開窗形式。

4.2 用Ecotect對(duì)模型不同開窗形式進(jìn)行模擬

合理利用自然采光對(duì)于建筑在建設(shè)和使用過程中起著十分重要的作用。一個(gè)好的建筑設(shè)計(jì)在滿足節(jié)能的同時(shí)，更重要的是讓使用者得到更加舒適的使用體驗(yàn)。合理的開窗形式以及開窗高度都會(huì)影響到室內(nèi)工作面的照度和采光系數(shù)，對(duì)教育類建筑而言，這顯得更加重要，過強(qiáng)的自然光會(huì)出現(xiàn)眩光現(xiàn)象，而自然光不足則會(huì)使教室內(nèi)部過于昏暗，影響學(xué)生的學(xué)習(xí)。我們通過改變教室開窗形式以及開窗的高度，用Ecotect對(duì)仿真模型進(jìn)行模擬，對(duì)采光系數(shù)和照度圖像進(jìn)行分析，探究合適的開窗形式。

4.2.1 窗戶形狀對(duì)室內(nèi)光照的影響

在保證窗洞口面積相同時(shí)，改變仿真模型窗洞口的形狀，分別設(shè)置正方形洞口，橫向長(zhǎng)窗洞口和豎向長(zhǎng)窗洞口進(jìn)行模擬（見圖3），從圖3中可以看出正方形開窗的采光系數(shù)為18.77%，橫向長(zhǎng)窗的采光系數(shù)為18.16%，豎向長(zhǎng)窗的采光系數(shù)為17.87%，所以正方形窗戶的采光系數(shù)最好。從采光照度來看，三種開窗形式并沒有太大區(qū)別，所以對(duì)小學(xué)普通教室這種不是長(zhǎng)寬適宜的房間易使用偏向正方形的窗戶來保證教室內(nèi)部的自然采光。

4.2.2 窗戶布置方式對(duì)室內(nèi)光照的影響

在保證相同的開窗面積時(shí)，改變仿真模型窗洞的布置形式，對(duì)仿真模型集中開窗和分散布置窗洞進(jìn)行模擬，在開窗面積都為15m2，窗臺(tái)高度都是900mm，工作面高度為800mm時(shí)，當(dāng)集中布置窗戶時(shí)平均采光系數(shù)為9%，平均照度為720.38lux，并且光線分布不均勻，容易出現(xiàn)眩光和室內(nèi)昏暗的情況；當(dāng)分散布置開窗是平均采光系數(shù)為9.31%，平均照度為744.6lux，采光效果明顯優(yōu)于集中布置窗戶，所以在小學(xué)普通教室設(shè)計(jì)時(shí)，盡量選擇分散布置開窗來保證室內(nèi)更加舒適的自然。

圖3 不同形狀窗戶模擬圖像

4.2.3 窗臺(tái)的高度對(duì)室內(nèi)采光的影響

對(duì)室內(nèi)進(jìn)深的采光，最重要的影響因素就是窗臺(tái)的高度。在開窗面積與開窗形式相同時(shí)，改變窗臺(tái)的高度，將900mm的窗臺(tái)改變?yōu)?200mm，使用仿真模型進(jìn)行模擬，當(dāng)改變窗臺(tái)高度時(shí)，室內(nèi)的采光系數(shù)分布也有所改變，從圖3中可以看出，當(dāng)窗臺(tái)較低時(shí)，在窗戶附近的采光系數(shù)比較高，而且向內(nèi)部下降速度極快，當(dāng)增加窗臺(tái)高度時(shí)，雖然接近窗口的地方采光系數(shù)并沒有原來高，但是較遠(yuǎn)處缺有了明顯的改善，室內(nèi)采光的均勻性也得到了提升。

通過上述幾種開窗形式的對(duì)比模擬分析，在不考慮其他因素的影響情況下，綜合室內(nèi)平均自然采光照度和平均采光系數(shù)來看，在小學(xué)普通教室設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該避免集中大量布置窗戶，另外通過調(diào)節(jié)窗臺(tái)的高度，來使室內(nèi)的自然光更加均勻舒適，既能達(dá)到自然采光的要求，也能讓使用者得到更加好的使用體驗(yàn)。所以通過選擇合理的開窗方式，達(dá)到改善室內(nèi)的光環(huán)境，降低建筑的能耗目的。

5 結(jié)論

本文從鄭州地區(qū)的氣候特點(diǎn)，以及教育類建筑的特殊性著手，對(duì)小學(xué)普通教室的開窗形式進(jìn)行一定的模擬分析，基于Ecotect對(duì)開窗形式，高度等方面入手，進(jìn)行自然光整體分析，針對(duì)于設(shè)計(jì)小學(xué)普通教室的自然采光給出一定的理論依據(jù)。但是在實(shí)際的運(yùn)用過程中，有很多其他因素對(duì)室內(nèi)采光情況也起著很大的影響作用，例如室內(nèi)空間的大小、形狀、高度等因素，所以我們還需要更多的實(shí)踐和檢驗(yàn)，選擇更加合適的開窗形式及位置，設(shè)計(jì)出更加環(huán)保節(jié)能的建筑作品。