长安大学建筑工程学院 万蓉 史博昌 邸浩然 汪斌
【摘 要】自然采光对人体健康、情绪和工作效率有着积极的作用，但是强烈的自然光会造成教室近窗部分的眩光，百叶遮阳可以有效改善室内光环境。本文通过Ecotect和Radiance模拟分析冬季晴天时百叶内遮阳对西安地区高校教室内光环境的影响，得出百叶遮阳角度、遮阳面积、百叶宽度和百叶宽度与百叶间距之比对光环境的影响，并提出高校教室优化措施。结果表明：冬季晴天采用半遮阳形式的百叶会对室内照度改善更为有利，其提高了室内远窗部分的照度，增加了室内照度的均匀度；采用内遮阳时，百叶角度设计需根据当地太阳高度角来变化；采用百叶宽度150mm、角度45°或60°、百叶间距为225mm的半遮阳作为百叶遮阳较为适宜。
【关键词】自然采光；百叶内遮阳；照度；光环境
Abstract: Daylighting has a positive effect on human health, mood and work efficiency, but strong natural light will cause glare in the classroom near the window, and louver shading can effectively improve the indoor light environment. In this paper, through Ecotect and Radiance simulation analysis of the influence of the inner blinds system on the light environment in college classrooms in Xi 'an in winter sunny days, the influence of louver shading angle, shading area, louver width and ratio of louver width to louver spacing on the light environment is obtained, and the optimization measures of college classrooms are proposed. The results show that the semi-shading louver in sunny days in winter is more beneficial to the improvement of indoor illumination, which increases the illumination of the far window and the uniformity of indoor illumination. When using the inner blinds system, the louver Angle design should be changed according to the local sun altitude angle. It is more suitable to adopt semi-shading louver with louver width of 150mm, angle of 45° or 60° and louver spacing of 225mm for shading.
Key words: Daylighting；the inner blinds system；illuminance；light environment
1 前 言
随着中国高等教育的蓬勃发展，高校教室内的物理环境越来越被重视。室内物理环境主要包括室内热环境、光环境、声环境和空气品质，其中光环境是室内物理环境中至关重要的一部分。高校教室是典型的高密度人群建筑，与其他高密度建筑具有明显不同的特点。首先，高校教室使用时间规律，与学生的作息时间一致；其次，高校的使用人群为青少年，大致年龄为17~22岁。教室是学生重要的学习场所，其环境的优劣直接影响学生的身心健康和学习效率，对学生生理和心理产生一定影响，环境的舒适程度影响学生的健康发展和学习效率。
在对西安地区某高校教室室内光环境的调研中发现，冬季晴天时，学生仍然普遍使用教室的遮阳帘来进行遮阳。由于室内遮阳的遮阳能力过强导致室内照度偏低，因此学生打开人工光源来补充室内照度以满足学习需求。教室内学生接受的自然光降低，而过多的暴露在人工光源之下。研究表明，自然光对学生的健康、情绪和学习效率有着积极的影响[1,2,3]。减少自然采光的利用而依赖人工光源还会导致教室的能耗进一步增加[4]。
此外，室内光环境质量对于视力的影响也不可忽略。根据中国学生体质健康报告，中国大学生视力不良率呈逐年升高趋势。2000年~2014年，大学生视力不良率从73.01%升高到86.36%[5]。相关学者对视力损害与室内光环境的关系做了研究。陈玉胜、王智勇、华文娟等[6,7,8,9]认为教室光环境对学生视力存在影响，光环境的改善可有效减缓学生远视能力下降速率，预防近视发生。Yong Wang等[10]研究阳光照射对恒河猴近视风险，研究结果表明：暴露在自然的户外光线下有助于减少远视离焦引起的近视，降低青少年猴的近视风险。
自然光对人体的健康、情绪和工作效率等起着积极的作用，但是强烈的自然光会对眼睛造成不舒适眩光。在窗户加设遮阳构件会可以有效改善室内光环境，减小教室近窗部分的眩光影响。刘国丹等[11]对不同遮阳形式进行了模拟，指出百叶遮阳对室内光环境的改善效果更好。邓天福等[12]认为百叶外遮阳措施能大幅度降低建筑能耗,有效改善室内光环境。余理论等[13]利用Radiance和Daysim等光照模拟软件对百叶外遮阳从照度、光照均匀度、眩光等方面分析百叶角度的对室内光环境的影响。梁树维等[14]模拟5种不同角度的百叶外遮阳下分别在冬季和夏季对办公建筑的室内光环境的影响，得到不同季节百叶外遮阳的适宜角度。管玲俐等[15]模拟了南向和西向不同百叶角度下各季节建筑能耗及眩光值，得到了夏热冬冷地区不同季节百叶遮阳的最优角度。
前人的研究指出了室内光环境对学生的重要性，并且对不同的遮阳形式对室内光环境的影响进行了深入的研究。已有文献对百叶外遮阳研究较多，而百叶内遮阳同样可以作为遮阳构件进行使用。内遮阳相对于外遮阳有着其独特的优势，比如：内遮阳在室内不易被腐蚀、角度易调节等，但这方面的研究目前相对较少，有待于进一步深入和完善。有鉴于此，本文选取西安地区某大学教室为研究对象，通过Ecotect和Radiance模拟软件分析冬季晴天时百叶内遮阳角度、遮阳面积、百叶间距和百叶宽度在对光环境的影响规律，并与实测数据对比，对高校教室遮阳构件进行优化改进。
2 研究方法
2.1 研究对象
本文选取西安某教室为研究对象，其具体建筑参数如下表1，教室模型如下图1。
表1 所选取教室建筑参数
教室模型如下图1。
图1 建筑模型
2.2 研究内容
在对教室光环境进行模拟前，对所选择教室室内照度进行现场实测，得到了实际环境中教室室内照度变化规律，并通过实测数据与所建模型计算结果进行对比，验证了模型的可靠性。
根据实测教室物理参数建立模型，窗台高度为0.6m，玻璃采用双层透明玻璃，室内各表面反射率分别设置为：天花板为0.75，内墙为0.75，地板为0.35，网格设置为60×50。本文采用百叶内遮阳，分析的影响因素为百叶遮阳面积、角度、宽度和间距。模型的具体参数如下：
① 遮阳面积
a）全遮阳 b）半遮阳（百叶仅覆盖窗户下半部分）
② 遮阳角度
15°、30°、45°、60°、75°和90°
③ 百叶宽度（忽略百叶遮阳厚度）
50mm、100mm、150mm
④ 百叶宽度与百叶间距比（本文均用具体比例来代替百叶宽度与百叶间距比）
1:1、1:1.5和1:2
在冬季晴天无遮阳情况下，对室内照度进行模拟，得到室内平均照度、最高照度、最低照度、照度均匀度等结果。改变百叶遮阳的宽度、角度、百叶宽度与百叶间距比和遮阳面积，对室内照度进行模拟，并将得到的结果与无遮阳条件下的结果进行对比分析。
3 室内光环境模拟结果及分析
3.1 无遮阳教室室内照度分析
在Radiance软件中选择时间为中午12:00，将网格范围划分与实测范围一致，得到无遮阳教室室内光环境模拟结果，将实测数据与模拟结果对比，如下表2所示。
表2 模拟结果与实测结果进行对比
模拟结果如图2所示。
a 二维模拟图 b 三维模拟图
图2 无遮阳教室模拟结果
由上图可知，在无遮阳时，室内平均照度小于《建筑采光设计标准》[16]规定的教育建筑标准照度450lx，仅有近窗一部分区域大于450lx，室外自然光对室内照度影响范围仅在3m左右。随着教室进深的增加，室内照度衰减逐渐减小。教室内照度差异显著，均匀度也较差。
从表中可以看出模拟数据与实测数据较为接近，整体略高。究其原因，是模拟的外部环境条件与实际情况存在一些差异，例如：实测过程中窗外有树木遮挡而在模拟过程中未能全面考虑，玻璃洁净程度略高于实际数据，未考虑室内座位等的反射，测量或者建模过程中的一些误差。但总体来看，模拟室内平均照度与实测平均照度相差10.57%，最大照度相差6.48%，照度均匀度相差0.11%。模拟得到的各项数据与实测数据误差保持在10%左右，Radiance模拟得到的室内光环境准确度较高，能够反映实际室内光环境情况。
3.2 不同百叶遮阳下室内照度模拟结果分析
利用Radiance软件模拟有百叶遮阳的教室室内光环境，网格范围调整到整个教室，得到不同因素下的室内平均照度、最高照度、最低照度和照度均匀度，将得到的结果与无遮阳教室的室内光环境对比分析。
图3 50mm百叶宽度不同角度、间距和面积下室内平均照度、最低照度、最高照度和照度均匀度
图4 100mm百叶宽度不同角度、间距和面积下室内平均照度、最低照度、最高照度和照度均匀度
图5 150mm百叶宽度不同角度、间距和面积下室内平均照度、最低照度、最高照度和照度均匀度
根据图3~图5数据分析：
（1）不同工况下平均照度分析：相同百叶角度和百叶间距下半遮阳的平均照度高于全遮阳；相同百叶角度和遮阳面积下百叶间距越大，室内平均照度越大。相同百叶间距下，室内平均照度随着百叶角度的增加出现先增加后减小的趋势。半遮阳、百叶角度30°和45°时，室内平均照度接近，且大于其他角度时的平均照度；全遮阳、百叶角度为30°时，室内平均照度为最大值。
（2）不同工况下最低照度分析：相同百叶角度和百叶间距下半遮阳的最低照度高于全遮阳；相同百叶角度和遮阳面积下百叶间距越大，室内最低照度越大。相同百叶间距下，遮阳面积为全遮阳时，室内最低照度随着百叶角度的增加出现先增加后减小的趋势，百叶角度为75°时，室内平均照度为最大值；遮阳面积为半遮阳时，室内最低照度随着百叶角度的增加而增加。
（3）不同工况下最高照度分析：相同百叶角度和百叶间距下半遮阳的最高照度高于全遮阳。百叶宽度为50mm和100mm时，相同百叶角度和遮阳面积下百叶间距越大，室内最高照度越大；百叶宽度为150mm时，相同百叶角度和遮阳面积下百叶间距1:1.5和1:2室内最高照度较为接近且大于百叶间距为1:1的室内最高照度。相同百叶间距下，室内平均照度随着百叶角度的增加出现先增加后减小的趋势，百叶角度为30°时，室内最高照度为最大值。
（4）不同工况下照度均匀度分析：1）随着百叶角度的增加，室内照度均匀度增加，半遮阳的照度均匀度变化程度较全遮阳平缓。主要原因是照度均匀度是最低照度与平均照度的比值，在30°之前随着百叶角度的增加，最低照度的增加程度要大于平均照度的增加程度；在30°之后，随着百叶角度的增加，最低照度在减小，平均照度在降低，因而室内照度均匀度随着百叶角度的增加而增加。2）百叶间距越小，照度均匀度变化越剧烈，不同百叶宽度、相同百叶角度的半遮阳时照度均匀度变化在百叶角度小于60°时，相同条件下半遮阳的照度均匀度高于全遮阳，在百叶角度大于60°时，相同条件下半遮阳的照度均匀度低于全遮阳。
可以看出，相同百叶角度、相同百叶宽度半遮阳时的室内平均照度、最低照度、最高照度均高于全遮阳。主要原因是半遮阳时窗户采光面积大于全遮阳。百叶角度小于60°半遮阳照度均匀度高于全遮阳，百叶角度大于60°照度半遮阳照度均匀度低于全遮阳。
由于模拟季节为冬季，选择模拟时间为11月30日12时，根据公式（1）计算得到当时西安地区太阳高度角。
（1）
式中，δ—太阳赤纬；h—时角；φ—地理纬度。
太阳赤纬可由公式（2）计算得到，时角可由公式（3）计算得到。
（2）
式中，n—计算日在一年中的日期序号。
（3）
式中，T—当地的真太阳时，h；Tm—该时区的平均太阳时，h；L—当地子午线的经度，deg；Lm—该时区中央子午线的经度，deg；e—时差，min；± —东半球取正，西半球取负。
根据公式（1）~（3）可知11月30日12时西安地区太阳高度角约为34°，接近百叶角度中的30°。因此，在对室内百叶角度调整时，使用30°的百叶遮阳，室内近窗处进光量较多，使得室内照度最大。室内近窗处的照度主要是由太阳直射光所决定，远窗处的照度主要是由反射光和散射光所组成。因此，当内遮阳角度与太阳高度角相近时，室内近窗处的直射光较多，室内最高照度最大，导致室内平均照度最大。随着百叶角度的增加，室外自然光在进入室内时，在百叶遮阳上反射自然光增加，导致进入室内远窗处的反射光增加。因此，室内最低照度随百叶角度的增加而增加。
综上所述，在冬季选择百叶内遮阳时，本着“平均照度较大，最高照度较小。最低照度较大，照度分布较均匀”的原则，选择遮阳面积为半遮阳、遮阳角度为45°或60°的百叶内遮阳。原因是百叶角度15°的室内最低照度最小，百叶角度30°的室内最高照度最高，百叶角度75°和90°的室内最高照度和平均照度较小。选择半遮阳是因为百叶遮阳为半遮阳时室内最低照度大于全遮阳，并且成本会减少一半。
将设置不同百叶宽度和百叶间距的遮阳面积为半遮阳、遮阳角度为45°或60°的百叶内遮阳的室内照度进行比较以便选择合适的百叶宽度和百叶间距。
图6 不同百叶宽度和百叶间距下半遮阳、遮阳角度为45°或60°的室内平均照度、最低照度、最高照度和照度均匀度
由上图可知，百叶宽度为100mm时，室内平均照度、最低照度和照度均匀度最小，百叶宽度为50mm和150mm的室内平均照度、最低照度和照度均匀度相接近。随着百叶宽度的增加，最高照度在逐渐减小。因此，选择宽度为150mm的百叶作为内遮阳。采用150mm的百叶遮阳时，百叶间距为1:1的室内平均照度和最低照度最小，百叶间距为1:2的室内最高照度最大，各百叶间距下的照度均匀度都较为接近。因此，选择百叶间距为1:1.5作为百叶遮阳的间距。
在选用上述百叶遮阳后，室内照度与无遮阳时的室内照度对比，如表3所示。
表3 有无遮阳室内光环境对比
由表3可知，采用百叶遮阳时室内平均照度降低25%左右，最高照度降低31%左右，最低照度降低20%左右，照度均匀度上升68%左右。采用百叶遮阳后，室内整体照度降低，虽然最低照度降低20%，但是其照度值仅是由122.77lx降低到100lx左右，对远窗部分照度影响较小，并且照度均匀度有了显著提高。
4 结 论
本文利用Ecotect和Radiance软件模拟西安地区高校教室冬季晴天不同规格百叶内遮阳时的室内照度分布，为西安地区高校教室室内光环境的改造优化提供可行的建议。主要结论如下：
1）采用百叶内遮阳时，百叶角度与当地太阳高度角接近时，室内平均照度最大。随着百叶角度的增加，远窗部分得到的反射光增加，从而照度增加。
2）设计百叶遮阳时应同时考虑教室近窗部分和远窗部分照度。采用全遮阳时虽然会较大程度减小近窗区域的照度，避免强光刺激，但是也会很大程度的减小远窗部分的照度，使远窗区域照度过低；而采用半遮阳时虽然增加比全遮阳时了部分近窗的照度，但是对于远窗区域却大大改善了照度过低的情况。采用半遮阳后，近窗区域照度降低了约550lx，远窗区域照度降低约20lx。因此，采用半遮阳形式的百叶会对室内照度改善更为有利。
3）在选择百叶内遮阳时，综合考虑最高照度、最低照度以及平均照度等因素，选择百叶宽度150mm、角度45°或60°、百叶间距为225mm的半遮阳百叶遮阳时较为适宜。
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[16] GB/T 50033-2001, 建筑采光设计标准[S].
备注：本文收录于《建筑环境与能源》2021年4月刊 总第42期（第二十届全国暖通空调模拟学术年会论文集）。版权归论文作者所有，任何形式转载请联系作者。
