天然采光設計是以太陽為光源的建筑環(huán)境采光設計。天然光不僅照亮環(huán)境,使我們看清并認知周圍的環(huán)境,獲得80%人類賴以生存的環(huán)境信息,而且日光的晝夜更迭,明暗變化,支配著人體的生物鐘,控制著生活起居周期和生命節(jié)律。陽光還制造維生素和諸多營養(yǎng)物,使人們保持身心健康.而且,人眼在天然光條件下比在人工光下具有更高的視覺功效因此,搞好天然光環(huán)境設計,具有十分重要的意義。它有利于節(jié)約能源,保護環(huán)境,并可為建筑環(huán)境增“光”添“彩”。
一、天然采光基本知識
天然光特性(又稱光氣候特征)
1.天然光的組成和影響因素
天然光源可分為直射日光和天空光兩類:
(1)直射日光:太陽光穿過大氣層,射到地面,稱為直射日光。由于地球與太陽相距很遠,可認為直射日光是平行射到地面的。直射日光照度大,具有方向性,會在被照物體后形成陰影;
(2)天空光:又稱天空擴散光,是部分陽光經(jīng)過大氣層上空氣分子、灰塵、水蒸氣微粒等多次反射,在天空形成的具有一定亮度的天然光源。天空光照度較低,無一定方向,不能形成陰影;
(3)地面反射光:直射日光和天空光經(jīng)地面反射及地面和天空之間多次反射,使地面照度和天空亮度有所增加,這部分光源稱地面反射光。一般在采光設計時,可不考慮地面反射光的影響;
(4)光氣候:指由直射日光、天空光和地面反射光形成的天然光平均狀況;
(5)晴天:云量占天空30%以下的無云或少云天氣。晴天地面照度由直射日光和天空光疊加形成。直射日光占90%,天空光占10%。天空最亮處在太陽附近,太陽亮度達20萬熙提(sb)(1熙提=104cd/m2),天空亮度一般為0.2~2.0熙提。離太陽越遠,亮度越低,最低值在與太陽呈90o角處。因此,建筑物朝向?qū)Σ晒庥绊懞艽。朝陽房間面對太陽所處的半邊天空亮度較高,室內(nèi)照度也較大;
(6)全云天(陰天):天空全部為云所遮蓋的天氣。這時,無直射日光,只有天空擴散光。
全云天天空的亮度分布,可按式(2-25)計算:
式中Lz——天頂亮度,cd/m2,它是接近地平線處天空亮度的3倍;
Lo——仰角為θ的天空亮度,cd/m2;
θ——計算天空亮度處的高度角(仰角)。
國際采光協(xié)會命名這樣的天空為CIE全陰天空。采光設計與計算都假定天空為全陰天空。
在全陰天空下,地平面的照度Ew用下式計算:
式中Ew——地面照度,lx;
Lz——天空亮度,cd/m2。
2.影響天然光的因素
影響天然光的因素有:太陽高度角、云量、云狀、日照率、地理緯度以及海拔高度等。
3.采光標準
(1)采光系數(shù):采光系數(shù)C是指室內(nèi)給定水平面上某一點由全陰天天空光所產(chǎn)生的照度(En)與同一時間同一地點,在室外無遮擋水平面上由全陰天天空光所產(chǎn)生的照度(Ew)的比值,即
利用采光系數(shù),可根據(jù)室內(nèi)照度標準換算出所需的室外照度,或由室外照度求出室內(nèi)照度。
(2)采光系數(shù)標準值
采光標準將視覺工作分為I~V級,并規(guī)定各等級天然光照度最低值分別為250,150,100,50及25lx。定義室內(nèi)完全利用天然光工作時的室外天然光最低照度為“臨界照度”,其值為50001x。根據(jù)臨界照度值,可將室內(nèi)天然光照度換算成采光系數(shù)。由于不同采光口類型在室內(nèi)形成不同的光分布,故采光標準依照不同采光口類型,提出不同的要求。頂部采光時,采用平均值。側(cè)面采光時,室內(nèi)光線變化大,故規(guī)定用采光系數(shù)最低值,見表2-2。
注:1.兼有側(cè)窗和天窗的混合采光,側(cè)窗取采光系數(shù)最低值Cmin(%),天窗取采光系數(shù)平均值Cav(%);
2.計算點的確定,單側(cè)窗取窗對面距內(nèi)墻1m的點為計算點;矩形天窗當為單跨或邊跨時取距外墻內(nèi)面lm處的點為計算點,其余情況按《民用建筑采光設計標準》中的附錄B確定;
3.亮度對比小的Ⅱ、Ⅲ級視覺作業(yè),其采光等級可提高一級采用。
4.光氣候分區(qū)
我國各地光氣候有很大區(qū)別,如采用同一采光標準顯然是不合理的。因此,采光標準將我國劃分為I~V個光氣候區(qū),用光氣候系數(shù)與相應室外臨界照度表示各區(qū)天然光照度的高低,見圖2—13與表2-3。其中,天然光最豐富的地區(qū)是西北和北部地區(qū),向南逐步降低,四川盆地最低。上述表2-2中所列的采光系數(shù)標準值僅適用于Ⅲ類光氣候區(qū)。其他地區(qū)應按所處的光氣候區(qū),選擇相應的光氣候系數(shù)(見表2—3)。各區(qū)具體的采光系數(shù)標準值為采光標準所列的采光系數(shù)標準值乘上光氣候系數(shù)。
二、采光口形式及特性
(一)采光口形式
1.采光口
室內(nèi)裝有玻璃等透光材料的孔洞統(tǒng)稱為采光口。
采光口可分為側(cè)窗和天窗兩種。二者兼有的室內(nèi)采光,稱為混合采光。
2.側(cè)窗
側(cè)窗是在房間外墻上開的采光口。其中窗底離地面2m以上的側(cè)窗,稱為高側(cè)窗。側(cè)窗采光的優(yōu)點是光線的方向性好,有利于形成陰影,適于觀看立體感強的物體,并可觀看室外景觀。缺點是照度分布不均勻,近窗處照度高,離窗遠處水平照度下降很快。當采光面積相等且窗底標高相同時,正方形窗口采光量(指室內(nèi)各點照度總和)最大,豎長方形次之,橫長方形最小。但從照度均勻性看,豎長方形沿進深方向均勻性最好,橫長方形沿寬度方向較均勻。
影響室內(nèi)橫向采光均勻性的主要因素是窗間墻。窗間墻愈寬,橫向均勻性愈差。
側(cè)窗的朝向?qū)κ覂?nèi)光分布也有較大影響。晴天南向側(cè)窗采光量大,但不穩(wěn)定,有直射光;東西兩側(cè)窗采光量不穩(wěn)定,早晚有直射光;北向單側(cè)窗采光量小,但穩(wěn)定。
側(cè)窗分單側(cè)窗、雙側(cè)窗和高側(cè)窗三種,高側(cè)窗主要用于倉庫和博覽建筑。
3.天窗
天窗即頂部采光口。天窗最大優(yōu)點是有利于采人光量并使照度均勻分布。天窗可以有如下幾種形式:
(1)矩形天窗:這種天窗位置較高,不易形成眩光。為避免直射陽光射人室內(nèi),天窗的玻璃最好朝南北向。
(2)橫向天窗(橫向矩形天窗):這種天窗的玻璃也宜朝南北向。
(3)鋸齒形天窗:這種天窗有傾斜的頂棚做反射面,增加了反射光,采光效率比矩形天窗高,窗口一般朝北。
(4)平天窗:特點是采光效率高,但設計時應注意采取防止光污染、防直射陽光影響和防止結(jié)露的措施。
(5)井式天窗:這種窗主要用于通風兼采光。
(二)采光口尺寸及窗地面積比
采光口的尺寸與面積一般先用《建筑采光設計標準》中規(guī)定的窗地面積比(Ac/Ad)估算。如對Ⅲ類光氣候區(qū)的單層普通玻璃窗的面積用《建筑采光設計標準》中的表5.0.1估算(表2-4)。
注:1.此表按Ⅲ類光氣候區(qū)計算,其他氣候區(qū)應乘以表2—3中的光氣候系數(shù)K;
2.對I、Ⅱ類采光等級的建筑,若開窗面積受限,采光系數(shù)可降至Ⅲ級標準值。照度不足部分用人工照明補充,但天然光和人工光的總照度不應超過標準規(guī)定照度的1.5倍。
我國《住宅建筑規(guī)范》(GB50368—2005)規(guī)定,住宅中的臥室、起居室(廳)、廚房應設置外窗,窗地面積比不應小于1/7。
記住表2—5中所列的幾種主要建筑的采光系數(shù)與室內(nèi)天然光臨界照度。
三、采光計算
采光計算方法是利用一系列圖表,根據(jù)房間有關數(shù)據(jù)查出相應的未裝上窗扇的無限長帶形空洞的采光系數(shù),然后考慮各種因素對采光系數(shù)的影響并加以修正,從而得出實際的采光系數(shù)值,天窗和側(cè)窗所用的圖表不同。
1.側(cè)窗
側(cè)窗采光系數(shù)的最低值為:
式中Cmin——側(cè)窗采光系數(shù)最低值(設計值X光氣候系數(shù)K);
C’d——窗洞口采光系數(shù),按《建筑采光設計標準》(以下簡稱《標準》)第5.0.5條的規(guī)定取值;
K’τ——總透射比;
K’ρ——室內(nèi)反射光增量系數(shù),按《標準》附錄D表D-6的規(guī)定取值;
Kw——室外建筑物擋光折減系數(shù),按《標準》中的附錄六附表6—5確定;
Kc——窗寬修正系數(shù),取建筑物的長度方向一面墻上的窗寬總和與建筑物的長度之比。
2.頂部采光
頂部采光系數(shù)平均值的計算式為:
式中Cav——頂部采光系數(shù)平均值;
Cd——天窗窗洞的采光系數(shù),按《標準》第5.0.5條的規(guī)定取值;
Kτ——頂部采光總透射比;
Kρ——頂部采光的室內(nèi)反射光增量系數(shù),按《標準》附錄D表D—1的規(guī)定取值;
Kg——高距比修正系數(shù),按《標準》附錄D表D—2的規(guī)定取值。
采光的總透射比可按式(2-30)和式(2—31)確定:
式中Kτ——頂部采光總透射比;
K’τK′——側(cè)面采光的總透射比;
τ——采光材料的透射比,按《標準》附錄D表D—7的規(guī)定取值;
τc——窗結(jié)構的擋光折減系數(shù),按《標準》附錄D表D—8的規(guī)定取值;
τw——窗玻璃的污染折減系數(shù),按《標準》附錄D表D—9的規(guī)定取值;
τj——室內(nèi)物體的擋光折減系數(shù),按《標準》附錄D表D—10的規(guī)定取值。
頂部采光和側(cè)面采光的室內(nèi)反射光增量系數(shù)應根據(jù)室內(nèi)各表面飾面材料的反射比確定。室內(nèi)各表面飾面材料反射比的加權平均值,可按式(2—32)確定:
Ap、Aq、Ad、Ac,——分別為頂棚、墻面、地面和窗洞口的面積。
計算點的確定
側(cè)面采光計算點應按下列規(guī)定確定
1單側(cè)采光應取假定工作面與房間典型剖面交線上距對面內(nèi)墻面1m點上的數(shù)值;多跨建筑的邊跨為側(cè)窗采光時,計算點應定在邊跨與鄰近中間跨的交界處;
2對稱雙側(cè)采光應取假定工作面與房間典型剖面交線中點上的數(shù)值;
3非對稱雙側(cè)采光的計算點,可按單側(cè)窗求出主要采光面?zhèn)却暗挠嬎泓cP,并以此計算另一面?zhèn)却暗亩纯诔叽。當與設計基本相符時,可取P點作為計算點(圖B.0.1)。
B.0.2頂部采光計算點應按下列規(guī)定確定
1多跨連續(xù)矩形天窗其天窗采光分區(qū)計算點可定在兩跨交界的軸線上;單跨或邊跨時,計算點可定在距外墻內(nèi)面1m處。
2多跨連續(xù)鋸齒形天窗其天窗采光的分區(qū)計算點可定在兩相鄰天窗相交的界線上(圖B.0.2-2)。
3平天窗采光的分區(qū)計算點,可按下列規(guī)定確定(圖B.0.2-3):
(1)中間跨、屋脊兩側(cè)設平天窗時,采光分區(qū)計算點可定在跨中或兩跨交界的軸線上。
(2)中間跨屋脊處設平天窗時,采光計算點可定在兩跨交界軸線上。
B.0.3兼有側(cè)面采光和頂部采光的分區(qū)計算點,可按本標準表5.0.1所列的窗地面積比確定(圖B.0.3)。
當以側(cè)窗采光為主時,采光計算點以側(cè)面采光計算點來控制;當側(cè)面采光不滿足寬度Bx時,應由頂部采光補充,其不滿足區(qū)域所需的窗洞口面積可按本標準表5.0.1所列的窗地面積比確定。
四、天然采光的控制與調(diào)節(jié)
為了調(diào)節(jié)采光量,改善室內(nèi)照度分布,減少或防止眩光,創(chuàng)造舒適宜人的室內(nèi)光環(huán)境,經(jīng)常需要對采光口采取遮光和控光措施:
1.透光材料
利用乳白玻璃等擴散透射材料,或采用能將光線擴散到天棚的折射玻璃或反光板等,增加房間進深方向的照度,改善室內(nèi)照度均勻度;還可利用玻璃磚之類既可透光、折射,又不透明的材料來控光。
2.窗簾百葉
窗簾可起透光和擋光作用。百葉多用于朝南、朝東和朝西的窗口,通過調(diào)整其葉片的傾角,可起控光作用。
3.遮陽板
遮陽板可以阻擋直射日光,防止眩光,使室內(nèi)照度均勻。水平式遮陽板可遮擋從上方投射的光線,適用于南向窗口;垂直式遮陽板能遮擋高度角較小,從窗側(cè)斜射的陽光,適用于東北、北和西北向窗口;綜合式遮陽板能有效地遮擋高度角中等、從窗側(cè)斜射的陽光,適用于東南和西南向窗口;擋板式遮陽板可遮擋高度角較小,正射窗口的陽光,適用于東西向附近的窗口。
五、采光質(zhì)量
(1)I~Ⅳ級頂部采光的采光均勻度(最低采光系數(shù)與平均采光系數(shù)之比)不宜小于0.7,側(cè)面采光不作規(guī)定;
(2)生產(chǎn)車間側(cè)面采光窗不舒適眩光指數(shù)DGI標準:20時無眩光感覺,23時有輕微眩光感覺,25時眩光可接受,27時感到不舒適,28時眩光嚴重,但能忍受;
(3)改善采光質(zhì)量時,不應降低采光標準。
六、美術展覽館采光設計要點
(1)適宜的照度:陳列室采光系數(shù)不大于2%;
(2)避免直接眩光:觀看展品時,窗口應處在視野范圍以外,參觀者的眼睛到畫框邊緣和窗口邊緣的夾角應大于14o,見圖2—14;
(3)避免一、二次反射眩光:對面高側(cè)窗的中心和畫面中心連線與水平線的夾角應大于50o,見圖2—15;
(4)墻面應采用中性色調(diào),其反射比應取0.3左右。