新型遮阳采光系统的结构优化研究

摘要：随着社会经济水平不断提高，光是人类生存不可缺少的要素，良好的光环境可以提升环境满意度，对健康和工作效率有重要影响。然而在建筑中，对于一些进深较大的房间，会出现近窗部位光线较强，远离窗部位的光线较弱的现象。光线太强或太弱都会对人的视觉造成不适。光线太强会产生眩光，太弱会造成辨识困难。目前建筑采光的相关研究内容主要包括评价指标研究与围护结构设施的效果研究。

关键词：新型；遮阳采光系统；结构优化

引言

建筑外遮阳，可减少传入室内的太阳辐射热量，防止夏季室内过热，是绿色建筑被动节能的关键措施之一，然而遮阳系统在阻隔太阳辐射热的同时也影响了室内的光环境，众多文献也对此进行了研究，如分析了水平式、垂直式、综合式、百叶式等多种不同外遮阳形式对室内采光效率和室内光环境的影响以及对室内采光系数、全年天然光利用率及全年照明能耗的影响，得出了不同外遮阳形式对室内照度及全年天然光利用率的影响程度结果。这些遮阳措施都有一定的局限性，不能有效控制室内环境达到最优舒适度，它们的共同缺点是：遮阳效率不高，并且在进行遮阳的同时会影响室内的自然采光效果。但是自然采光若仅靠窗口或者建筑洞口进行采光，则会造成靠近窗口处的照度偏高，容易眩光和热辐射，远离窗口处的区域照度偏低，不满足工作照度要求，两者形成了矛盾，即：窗口处需要遮阳，而室内远离窗口的进深区域则需要引入更多的自然光。为了改善室内的自然采光，将室外的自然光通过一些技术手段导入室内，是一种可行的解决方案。

1遮阳及采光的评价标准

建筑外遮阳系统的效率高低以及室内自然光环境的好坏需要一套标准来评价，当后期采用相应的技术进行光环境改善时，亦可通过相同的标准来评价。

DAR-全年自然光建筑可利用率（DaylightAvailabilityRatio），即在工作时间内室内无需开启人工光源即可满足工作需要的时间的比例。

为了简要定量说明设置常规百叶遮阳系统对室内光环境的影响程度，设置了两种比对样本，其一为外窗口未设置百叶外遮阳时室内采光环境指标;其二为外窗口设置普通百叶外遮阳系统时室内采光环境指标。同时，当设置常规未改进型百叶外遮阳系统时的DAR值，亦可作为改进型的对比样本。需要说明的是，文中作为对比的常规未改进型可自动旋转百叶外遮阳系统的控制算法是：预测太阳高度角+定时控制算法，简单地说就是程序预先将太阳高度角与时刻的关系存入存储器，当时钟程序运行至相应时刻时，就把对应的角度读出来，用于控制电机旋转至该角度，为了简化控制，通常它只有常见的几个旋转角度：0°、30°、45°、60°、90°。

2研究内容

2.1遮阳采光板

遮阳采光板（以下简称采光板）把外窗玻璃分为两部分：下部分的视窗和上部分的天窗。它不仅可以遮挡房间近窗部位的太阳直射光，还可以将直射光反射到房间后部。目前，国内大部分学者更多关注的是遮阳板的节能设计。以某地区典型住宅建筑为例，对光伏遮阳系统进行综合能效研究，通过改变光伏遮阳系统的方位角和倾斜角，发现南向光伏遮阳系统最佳安装角度为30°。

将百叶遮阳系统加装一个W型的反射部件，使用反射光来防止过度照明，在上层窗区域，利用百叶窗角度较平的部件，使光线可以涌入室内深处;在下层窗区域，利用角度更陡的部件将光线的方向引至天花板，有效的防止了反射眩光。提出了一种可调节的遮阳板，通过改变采光板的角度使之适用于采光和非采光两种工况，并将其应用于四季。在国外的采光板研究中，提出具有漫射表面性质的采光板可以进一步增加房间内部的照度均匀度，并用实验和计算机模拟的方法进行了验证。

2.2窗玻璃

除遮阳结构外，国外的一些学者，通过模型实验和辐射模拟的方式研究了天花板的形状，结果表明弯曲的天花板可以反射更多的日光进入进深处，提高房间进深较深处的照度和房间整体的均匀度。当然，决定采光效果最重要的因素识窗玻璃的面积及其透过率，研究人员逐渐开始关注玻璃的形状对采光效果的影响。棱镜玻璃作为一个高效的采光设计已被使用超过50a，其作用是改变进入室内的光路。高角度的强烈直射光在一年中的某些时候是不可避免的，甚至还会造成眩光。采用的倒梯形玻璃通过改变天窗玻璃的形状来改变光线的方向，可以在防眩光的同时、使房间内光照度的分布更加均匀，既不影响观景，又充分利用房间前部的自然光。

2.3季节需求

采用静态采光板系统可以改善日光性能，但不同季节由于太阳高度角的不同所需要的采光板不同。在北京，日光强度在冬天可能并不足以达到标准照亮整个房间。总体而言，普通采光板系统出现的问题是春天的太阳高度角虽然部分缓解了房间前部过于明亮的问题，但仍需要采光板将更多阳光重定向到房间后部;夏天由于太阳高度角过大导致阳光主要集中在房间前部，导致房间整体照度均匀度不好;而冬季日光虽然可以渗透房间更深的部分但照明水平是不够的。因此，为满足不同需求，提出一种动态可调的新型遮阳采光系统。

3既有居住建筑天然采光优化设计

3.1合理选择既有居住建筑遮阳结构

当前大部分既有居住建筑采用窗帘进行遮光、遮阳，方式较为单一。窗帘能起到很好的遮蔽作用，但也能挡住屋内的视线。建筑遮阳设备可以防止刺眼的光和过度的光照，不妨碍所有的光进入，同时也不会影响内部的视线。建筑遮阳方式包括水平式、垂直式、综合式以及挡板式等多种类型。针对遮阳类型的选择，需要结合建筑朝向以及其他相关影响因素，综合选择采光系数最高的遮阳类型。窗户是既有居住建筑的主要通风和采光口，不同材质的窗体在不同的空间中，其透射率和反射率不同，因此自然采光效果不同。在优化既有居住建筑遮阳设施结构以后，还可以通过更换窗户玻璃的方式优化既有居住建筑天然采光。窗户玻璃材料的透射比越大，则室内采光系数和动态采光平均数都会增加。

3.2基于内外反光板布设的建筑节能优化设计

为进一步优化既有居住建筑节能效果，优化建筑天然采光效果，提出增设内外反光板的设计措施。设计中应注意反光板的安装位置要比人的眼睛高，即安装在灯光孔的内部或外部。反光板需要使用不同的材质，如木材、金属和玻璃等材料制成，如果发光板具有较高的反射比，就能够将更多的光量反射到室内。同时，在夏天，反射镜可以有效地遮挡阳光的高角度，起到遮挡阳光的效果，从而减少了室内的热量，减少了空调的能量消耗，并防止了可能的眩光。在冬天，反光板能将低角度的阳光反射到室内，从而提高“光量”，提高室内需要的热。

3.3创新增设导光管系统

导光管也可称为光导照明装置，其组成部分包括采光区、传输区和漫射区。在采光区户外装置采用投影或折射的原理来采集自然光线，并把它们导入系统中。在传输区，导光管内壁能实现近乎完全的反射，并能在光道中实现长距离高效率地传输光线。在漫射区，把采集的光均匀散射到需要照明的区域，增加了室内的光照均匀性。同时，该系统在不需要供电的情况下可以正常运行，既节省了能源，又减少了电力使用的安全风险。

结语

综合各季节的模拟结果，板长为600mm时对各季节的需求满足情况较好。而由于四个季节太阳高度角的差异，夏季的阳光需通过采光板的反射才可以更好的到达房间后部，而冬季阳光则是更多得通过天窗玻璃而重新定向到房间后部。遮阳采光板的应用，目前只考虑了对光环境的影响，下一步研究会分析其对热环境的影响，从节能的角度来综合评价采光板的优化设计。

参考文献

［1］中国建筑科学研究院．GB50033—2013建筑采光设计标准［S］．北京：中国建筑工业出版社，2013

［2］赵建平，肖辉乾，罗涛，等．建筑采光照明技术研究进展［J］．建筑科学，2013，29（10）：48-54

［3］李雪，彭晋卿，李念平，等．夏热冬冷地区窗户遮阳系统的综合能效研究［J］．建筑科学，2017，（8）：103-110