幼儿园活动室室内光环境优化设计策略研究.pdf

SEP 2023摘要：近年来，由于对幼儿教育事业的重视程度不断增加，各地纷纷兴建了大量幼托类建筑。这些建筑旨在为学龄前儿童提供一个舒适且健康的教育环境，因此对幼托建筑的室内光环境也提出了更高的要求。本文结合儿童的身心特点，对影响其生活成长的相关光环境因素进行分析，利用斯维尔采光分析软件Dali2023作为研究工具，选取南通源兴路幼儿园活动室进行室内光环境现状模拟，进一步研究幼儿园室内光环境的影响因素，确定优化目标，从而针对性地提出光环境优化策略，并使用软件模拟验证优化策略的有效性。关键词：幼儿园活动室；室内光环境；优化策略1 研究背景近年来，随着国家计划生育政策的调整，为了给学龄前儿童提供一个舒适、健康的成长环境，各地兴建了大量幼托类建筑。幼儿园建筑作为重要的学前教育机构，其作用不仅仅是保育儿童，更要为学龄前儿童提供一个舒适健康的教育环境，因此对幼托建筑的室内光环境也提出了更高的要求。2 室内光环境对儿童的重要性2.1 儿童生理特点相较于成年人，幼儿眼部的自我调节会比较少，幼儿对于眼部不适的反应不如成人灵敏，室内光照的不均匀性更容易引起儿童眼部的视觉疲劳感。除此之外，幼儿的眼睛透射率较大，在相同的光环境中，幼儿视网膜上所接受到的光线会更多，因此幼儿会更容易受到眩光的干扰，从而影响生物节律。研究表明，幼儿近视频发的一个重要因素为幼儿所处光环境不合理1。2.2 幼儿对自然光环境的依赖除了对幼儿的眼球发育有影响外，自然光对幼儿身体成长也有较大的影响。儿童如果长时间缺乏充足的自然光，幼儿体内对钙和磷的合成就会不充分，导致骨骼的强度不足以支撑幼儿体重，出现下肢骨骼弯曲、身材矮小等情况，这是典型的由于维生素D的缺失2。自然光照对于儿童的新陈代谢和血液循环有促进意义。3室内光环境评价指标3.1 静态评价指标照度。照度即参照平面上的光通量密度，单位为lx，它等于1 lm的光通量分布在1 m2的被照面上，用来表示被照射面上的光通量密度。采光均匀度。民用建筑取距地面0.8 m的假定水平面上，即在假定工作面上的照度最低值与平均值之比为采光均匀度3。3.2 动态评价标准有效天然光照度（Useful Daylight Illuminance，UDI），即全年工作面上天然光在一定范围内有效照度的时间比例。根据国际照明委员会 CIE 所给出的建议，推荐照度值为 4502000 lx。说明随着室内照度的增加，儿童视觉的舒适度和反应速度都能得到提高。但如果照度过高，超过了2000 lx，则会对儿童的眼部健康造成危害。因此选择UDI在4502000 lx范围内作为幼儿园活动室的光环境评价标准最为合适。4 幼儿园活动室室内光环境模拟分析本文选取江苏省南通市源兴路幼儿园为典型代表，展开幼儿园活动室室内光环境模拟分析。在斯维尔绿色建筑设计软件Dali2023的基础上，根据源兴路幼儿园活动室的实际尺寸，自绘图纸，转化成斯维尔建筑模型，并加载南通气象文件，根据实测调研数据对建筑采光口的材质、面积、位置以及内饰壁面材质进行设定，对幼儿园的光环境现状进行模拟分析。4.1 采光模型相关参数设置模型尺寸13.7 m（长）13.5 m（宽）3.9 m（高），窗台高度设置为0.3 m。模型室内装饰材料反射比设置为顶棚0.7、地面0.35、墙面0.7，模拟时间选择9月16日11：00，光气候设置为大气清新的晴天工况，在距离地面0.75 m处设置工作平面进行采光计算。4.2 光环境模拟分析对幼儿园活动室模型的室内光照情况进行模拟研究，以补充实地调研的误差和局限性，选择全年具有代表意义的夏至日和冬至日作为模拟时间，分析平面设置高度为0.75 m。根据源兴路幼儿园冬至日和夏至日正午采光模拟彩图（图01)可以看出，由于冬季正午太阳高度角低于夏季正午太阳高度角，所以在南向采光的活动室内，冬季正午室内近窗处的照度略高于夏季正午的室内近窗处的平均照度，南侧活动室的平均照度高于其他方位的活动室。将源兴路幼儿园一层南侧活动室分别命名为A1、A2、A3、A4（图01），对活动室模型分别进行静态光环境评价中光照均匀度、照度平均值、和动态评价标准UDI（4503000 lx)的模拟分析，根据模拟结果(表01）可以看出，南通地区幼儿园室内光环境主要存在以下方面的问题：根据 2021 年 11 月 1 日开始实施的 T/ASC 022021 健康建筑评价标准，对于幼儿园建筑采用侧向采光的房间，其光照均匀度不应低于0.4。根据表中对牡丹江幼儿园和源兴路幼儿园各个活动室自然光照均匀度的模拟统计结果可知，各个活动室的采光均匀度普遍偏低，与标准相差甚远，需要做出改善。通过对比源兴路幼儿园A1、A2活动室的平均照度和自然光照均匀度可知，2个活动室在房间尺寸，采光口构造相同的情况下，A1活动室的平均照度和自然光照均匀度都远高于A2活动室。A1活动室采用双向侧窗采光，而A2活动室采用单向侧窗采光，说明采用单向侧面采光的活动室室内光照均匀度较差，照度沿进深方向下降明显，在窗口的儿童容易受到眩光的影响，而远离窗口的儿童容易感觉采光不足。对比A2和A3、A4活动室，3个活动室的窗墙比和体块尺寸相同，仅存在朝向方面的区别。通过分析UDI指数可以看出，建筑采光口的朝向对室内光环境质量也有着较大的影响，并非正南向的采光口可以给室内创造良好的光环境。5 幼儿园活动室室内光环境优化策略结合源兴路幼儿园室内光环境模拟及实际调研，可将影响幼儿园活动室自然光环境的因素分为3类：建筑形体尺度及布局、侧窗形式、其他遮阳导光构造措施。为控制研究变量，得出客观的结果，以一个典型的南向幼儿园活动室空间作为模拟对象，综合静态和动态光环境评幼儿园活动室室内光环境优化设计策略研究幼儿园活动室室内光环境优化设计策略研究RESEARCH ON OPTIMAL DESIGN STRATEGY OFRESEARCH ON OPTIMAL DESIGN STRATEGY OFINDOOR LIGHT ENVIRONMENT IN KINDERGARTEN ACTIVITY ROOMSINDOOR LIGHT ENVIRONMENT IN KINDERGARTEN ACTIVITY ROOMS汤逸洋（苏州科技大学建筑与城市规划学院，苏州 215009）图01 源兴路幼儿园冬至日和夏至日正午室内照度分布表01 幼儿园活动室冬季室内平均照度统计119学术价标准，对室内全年天然光环境进行评价，通过对平均照度、光照均匀度和UDI（4502000 lx)数据进行对比研究，比较不同设计策略化对室内光环境的影响，对多个影响因素分别进行模拟对照。力求最优的优化策略。5.1 选择合适的采光朝向通过对比可知，采光口的朝向对建筑室内光环境质量起着决定性的作用，采用南向采光时，直射阳光对室内照度会有明显的提升。夏热冬冷地区的建筑为了在冬季获得更多的日照，在夏季尽量避免阳光直射，应确定最佳朝向为室内获取更好的光环境。通过对南通地区多所幼儿园的走访调研可知，幼儿园活动室的主要朝向集中在南偏西35至南偏东35之间，利用采光分析软件Dali2023对多个朝向的活动室室内光环境进行模拟对比研究。根据对各个朝向的活动室空间模拟结果（表02）比较可知，当模型窗口朝向由南偏西转向南偏东时，全年工作面上天然光在 4502000 lx的时间比例逐渐提升，当模型处于南偏东35时达到最大值32。平均照度呈现先增大后减小的趋势，当模型处于南偏东5时达到最大值993 lx。模型处于不同位置的室内照度均匀度基本保持不变。综合考虑当建筑开窗朝向为南偏东最佳。5.2 设置建筑退台增加光反射面由于活动室室内普遍进深较大，自然光照均匀度较低，且幼儿园建筑多为23层的多层建筑，可以考虑通过体块退进的方法，使活动室获得更多的采光面。首层活动室可以利用退出的顶面进行天窗采光，二层以上可以利用露台将更多的自然光通过反射进入室内，并且为儿童创造更多的活动空间（图02）。根据幼儿园活动室室内活动单元自然光照模拟结果（表03），采用了体块退进布局的活动室空间，二层室内平均照度和采光系数均有明显提升，采光系数提升 34.2，平均照度提升14.5。由此可见，通过体块进退来创造更多采光面，最终达到优化室内光环境的做法是可行的。当场地面积受限，仅有的室外场地不能满足儿童使用需求时，通过退台的设计手法不仅可以为每个活动室单元提供独立且拥有良好采光的室外活动场地，也可以将更多的自然光线引入室内。5.3 优化建筑层高及进深为了研究幼儿园活动室室内的层高和进深对光环境产生的影响，将其他变量因素保持不变，改变幼儿园活动室天花板高度和进深，对室内光环境相关参数进行模拟对比研究，分别将活动室层高设置为 3.3、3.9、4.5、5.1 m进行光环境模拟分析（表04）。通过模拟结果的相关数据可知，当外界自然光环境条件相同时，活动室的层高越小，室内采光系数和平均照度越高，因此较小的层高更能保证室内充足的采光。在其他建筑模型相关参数不变的情况下将室内进深长度设置为 11.5、12.5、13.5、14.5、15.5 m进行光环境模拟分析（表05）。根据模拟结果可知，随着活动室的进深趋小，室内的采光系数、平均照度、照度均匀度均有明显提升。因此，在规范和使用要求允许的前提下，可以尽量降低幼儿园活动室的层高和进深，以保证良好的室内光环境。5.4 调整窗台高度对于窗台的高度而言，保持窗户尺寸、透射比、室内装饰材料这些变量不变的前提下，分别将窗台高度设为0.2、0.3、0.4、0.5 m进行模拟分析，窗户尺寸设置为5.1 m 2.7 m，顶棚反射比设置为0.7，地面反射比设置为0.35，墙面反射比设置为0.7，窗户材质选择普通白色玻璃。由模拟结果（表06）可以看出，随着窗台高度的升高，室内的采光系数和平均照度也随之提升，且窗台高度对于室内平均照度的影响较为明显，但照度均匀度基本不受窗台高度变化影响，说明窗台高度对照度均匀度的影响较小。5.5 增设遮阳系统根据实地调研可知，大多数幼儿园均采用表02 朝向对室内光环境模拟结果的影响图02 体块进退示意图表03 设置退台前后室内光环境模拟结果表04 层高对室内光环境模拟结果的影响表05 进深长度对室内光环境模拟结果的影响表06 窗台高度对室内光环境模拟结果的影响120SEP 2023窗帘进行遮阳，窗帘虽然可以有效遮挡阳光直射，但也遮挡了儿童对外界的视线。根据JGJ392022 幼儿园建筑设计规范，幼儿园活动室必须朝南布局，建筑遮阳措施可以有效减弱南侧太阳直射光线对室内的影响，提高室内照度的均匀度，减少出现眩光的可能，并且不会阻碍儿童与外界的视线交流。常见的遮阳措施分为平板遮阳和百叶遮阳2种：平板遮阳主要分为水平遮阳、垂直遮阳和挡板式遮阳；百叶遮阳主要分为水平式遮阳百叶和垂直式百叶遮阳 2种。模拟分析中，将幼儿园活动室设置为南向采光，窗台高度设为0.3 m，顶棚反射比设置为0.7，地面反射比设置为0.35，墙面反射比设置为0.7，窗户材质选择普通白色玻璃，分别模拟水平遮阳、垂直遮阳、挡板式遮阳、水平式百叶遮阳、垂直式百叶遮阳对活动室光环境的影响。根据模拟结果（表07）可知：设置水平遮阳后，近窗处的照度明显下降，说明水平遮阳对太阳直射光线有阻挡作用，对提升室内照度均匀度有积极作用，对于UDI（4502000 lx)的数值提升较为明显；垂直板式遮阳对于太阳直射光线的阻挡作用较弱，因此垂直遮阳的室内平均自然光照度相较于水平式遮阳更高，同时在活动室开间方向照度均匀度也会更高，但室内照度均匀度和UDI（4502000 lx)数值低于水平式遮阳；挡板式遮阳在近窗处对太阳直射光的阻挡作用最强，对室内平均照度的降低作用明显；水平式百叶遮阳和垂直式百叶遮阳对于采光系数和平均照度的降低作用最为明显，说明百叶式遮阳可以阻挡大部分光线进入室内，并且水平式百叶遮阳对于室内采光的均匀度和UDI（4502000 lx)值提升明显，且遮阳效果也明显优于垂直式百叶遮阳。总的来说，相较于无遮阳措施，各种遮阳措施都可以阻止室外光线进入室内，室内的照度均匀度和UDI（4502000 lx)值均有所提升，室内光环境质量的排列顺序为：水平式百叶遮阳挡板式遮阳垂直式百叶遮阳水平板式遮阳垂直板式遮阳。5.6 增设反光板系统反光板的高度一般设置于人平均高度以上4，遮挡直射阳光的同时并不遮挡视线。反射板表面可以选用反射比较大的材料，通过对光线的二次反射，使光线进入室内深处，提高室内照度均匀度。反光板处于不同的高度，可对室内光环境产生不同的影响，模拟分析中将幼儿园活动室模型设置为南向采光，窗台高度设为0.3 m，顶棚反射比设置为 0.7，地面反射比设置为0.35，墙面反射比设置为0.7，窗户材质选择普通白色玻璃。反射板反射比设置为0.85，长度设置为2.400 m，分别将反光板高度设置为2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8、2.9 m进行对比研究。通过对各项模拟数据（表08）的对比研究可知，随着反光板高度的提升，室内采光系数和平均照度也随之提升，当反光板高度为2.5 m时，室内照度均匀度达到最高值0.33。6 总结本文通过斯维尔绿色建筑设计软件挖掘幼儿园室内光环境现存的问题，探讨室内光环境优化策略，解决现存问题，达到保证充足光照、提高光照均匀度的目的，通过模拟分析得出以下结论：首先，在建筑朝向方面，通过模拟结果比较可知，当建筑窗口朝向由南偏西转向南偏东时，UDI(4502000 lx)数值逐渐提升，当模型处于南偏东35时，达到最大值32。其次，通过建筑退台的形式可以让室外光线通过反射的形式进入室内，提高室内平均照度。采用了体块退进布局后，二层活动室内平均照度和采光系数均有明显提升，采光系数提升34.2，平均照度提升14.5。第三，建筑的窗户设计，在条件允许的情况下，尽量提高窗户的高度，在窗口加设水平式百叶遮阳也有助于提升室内平均照度，加设水平式百叶遮阳后，光照均匀度提升 19，UDI（4502000 lx)数值提升10.3。最后，对于仅采用侧面采光和室内进深较大的活动室而言，可以在窗口设置反光板。反光板虽然会降低室内的平均照度，但可以有效提升室内光照均匀度。在条件允许的情况下，可以通过设置导光管系统来提升室内深处的照度。根据模拟数据可知，采用导光管对室内光环境有着较大的提升作用，室内平均照度提升1.3，照度均匀度提升25。参考文献：1 谭恒，康华明.职前幼儿教师“儿童行为观察与支持”实践检核及提质路径研究J.遵义师范学院学报，2023，25(2):117-121.2 胡仓颉.基于优化幼儿园光环境的遮阳板形式研究J.山西建筑，2020，46(9):18-19.3 张志芳.单内廊式建筑内廊自然采光优化策略研究D.邯郸:河北工程大学，2011.4 吴玉冬，俞天琦，胡仓颉，等.北京地区小学教室反光板辅助采光系统优化C/中国城市科学研究会，苏州市人民政府，中美绿色基金，中国城市科学研究会绿色建筑与节能专业委员会，中国城市科学研究会生态城市研究专业委员会.2020国际绿色建筑与建筑节能大会论文集.北京:中国城市出版社，2020:513-519.图片来源：本文所有图表均为作者自绘。收稿日期：2023-05-16表07 遮阳形式对室内光环境模拟结果的影响表08 不同高度反光板对室内光环境模拟结果的影响121