建筑方案的天然采光性能分析方法

夏春海

(特華博士后科研工作站，北京 100029)

1 引言

由于天然采光可降低建筑照明能耗，因此20世紀70年代能源危機以后，天然采光模擬技術(shù)得以快速發(fā)展，而側(cè)窗采光、中庭采光、天窗采光等采光方式也逐漸被建筑師所采納。

常用的采光模擬軟件有德國的ADELINE、美國勞倫斯伯克利實驗室開發(fā)的SUPERLITE和Radiance、加拿大建設(shè)研究所開發(fā)的Daysim。此外，不少學者還對影響側(cè)窗和中庭采光效果的因素進行了研究，并總結(jié)出方便設(shè)計計算的經(jīng)驗公式［1］［2］［3］［4］。

盡管應用詳細的逐時模擬軟件能夠計算各種采光部件的采光系數(shù)和全年采光滿足率，但是建模復雜、計算時間長，很難對建筑方案進行快速分析。現(xiàn)有的經(jīng)驗公式盡管速度快、操作簡便，但是目前僅能計算采光系數(shù)，無法計算全年采光滿足率，也就無法預測照明節(jié)能率。另外，無論是逐時模擬軟件還是經(jīng)驗公式都僅僅能計算單個采光部件的采光效果，還不能反映建筑整體的天然采光效果，也無法分析建筑造型、平面布局、立面設(shè)計的影響。

為了提高建筑方案的采光水平，使天然采光技術(shù)能融入到方案構(gòu)思中，需要在現(xiàn)有采光模擬計算軟件的基礎(chǔ)上研究簡便、快捷的天然采光性能分析方法和設(shè)計流程。

2 模擬軟件

Daysim是由加拿大建設(shè)研究所開發(fā)的專門用于預測建筑全年天然采光性能的模擬計算軟件，該軟件基于Radiance計算核心，以DA作為全年天然采光評價指標［5］［6］。軟件誤差不超過10%，與同類軟件相比可獲得較高精確度［6］［7］。

本文應用Daysim軟件進行采光模擬計算時的具體設(shè)置如下:

(1)地點為北京，氣象參數(shù)選用DeST能耗模擬軟件的氣象文件;

(2)室內(nèi)照明時間段為7:00～20:00;

(3)辦公建筑照度允許值為300 lx;

(4)默認設(shè)置內(nèi)遮陽百葉，當工作面的太陽直射輻照度超過50 W/m2時放下遮陽百葉，此時百葉的可見光透過率為25%［5］;

(5)根據(jù)文獻［5］，室內(nèi)天花板表面反射比為0.8，內(nèi)墻表面反射比為0.6，地板反射比為0.4;

(6)照明控制方式包括通斷控制 (計算DA)和連續(xù)調(diào)光控制 (計算DAcon)。

3 側(cè)窗采光分析

影響建筑側(cè)窗采光性能的因素包括窗墻比、窗臺高、玻璃可見光透過率、室內(nèi)墻體表面反射比、朝向、遮陽百葉設(shè)置等參數(shù)，方案階段主要研究窗墻比、玻璃可見光透過率和朝向?qū)Σ晒庑阅艿挠绊憽?/p>

距離側(cè)窗距離越遠，采光影響越小，影響范圍大致為3.7米左右［1］，本文按4米考慮。

圖1 房間采光性能分析模型

如圖1所示的房間，房間進深均為10米，層高4米，室內(nèi)工作平面高750mm。對不同窗墻比 (0.3≤ω≤0.7)和不同玻璃可見光透過率τ(0.4≤τ≤0.8)組合的案例進行詳細模擬計算，并進行回歸分析得到如下所示經(jīng)驗計算公式。

其中，DA0為工作時間段內(nèi)，室外照度滿足室內(nèi)照度要求的時間比例，x1和x2的系數(shù)見表1。擬合計算公式與模擬計算結(jié)果之間的相關(guān)性分析結(jié)果見圖2。兩者相關(guān)性較大，擬合公式能反映實際采光性能的隨 (ωτ)值的變化關(guān)系。

表1 不同朝向側(cè)窗采光計算公式的擬合參數(shù)

圖2 模擬值與經(jīng)驗公式計算值比較

4 中庭采光分析

影響中庭采光性能的因素較多，主要包括中庭形式 (光井指數(shù)WI)、中庭四壁開口面積、天窗開口面積、天窗玻璃可見光透過率、天窗形式、中庭底層反射比、中庭四壁平均反射比。方案設(shè)計階段主要關(guān)心對建筑內(nèi)部空間和圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)影響較大的中庭形式、天窗開口面積、玻璃可見光透過率、天窗形式、周邊區(qū)開口面積對采光的影響。

4.1 中庭底層采光

屋頂可見光等效透過率τroof(天窗可見光透過率與屋頂天窗面積比例的乘積)和光井指數(shù)WI對中庭底層采光影響較大。對建筑層高4米、層數(shù)6層、中庭長20米、寬20米的建筑、頂部為平開窗、玻璃可見光透過率0.6的案例，分別計算不同WI和τroof值的DA變化規(guī)律，如圖3和圖4所示。

圖3 DA值隨光井指數(shù)的變化 (τroof=0.5)

圖4 DA值隨τc的變化曲線 (WI=1.0)

隨著WI值的增大，DA值降低，下降的趨勢分兩個不同的階段;當WI值小于1.5時，DA開始下降緩慢，隨后下降迅速;當WI值大于1.5時，DA下降趨勢則由快變慢;隨著τroof的增大，DA呈負指數(shù)增大。

根據(jù)DA變化特點，采用分段函數(shù)進行擬合。當WI小于1.5時可選用式 (2)計算;當WI值大于1.5時，可選用式 (3)計算。

選用不同WI(0.2≤WI≤3.2) 和 τroof(0.2≤τroof≤0.6)值組合的案例，按照式 (2)和 (3)進行回歸分析，得到如表2所示的系數(shù)x1～x6的取值。相關(guān)性分析結(jié)果如圖5所示，相關(guān)系數(shù)分別為0.9965和0.9951，相關(guān)性較高，利用擬合公式能反映中庭底層采光效果。

圖5 中庭底層經(jīng)驗公式相關(guān)性分析

表2 中庭底層DA和DAcon值計算公式系數(shù)

4.2 中庭周邊區(qū)

中庭周邊區(qū)域 (見圖6)獲得的太陽光比外區(qū)通過外窗獲得的太陽光要少，天然采光主要作用區(qū)域一般不會超過4米［8］。

圖6 中庭周邊區(qū)域示意圖

中庭光井指數(shù) (WI)和屋頂可見光等效透過率(τroof)是影響中庭周邊區(qū)域采光效果的主要影響因素。選擇如圖7所示模型，設(shè)置兩種案例:①τroof值取0.7，改變不同的中庭尺寸使WI值在0.67～2.7之間變化，詳細設(shè)置參見表3;②中庭截面尺寸為20m×20m，層數(shù)為6層，τroof值在0.3～0.7之間變化。計算時，周邊區(qū)與中庭之間開口取值為80%，窗戶 (單層玻璃)可見光透過率取值為80%。

圖7 中庭周邊區(qū)域采光計算案例圖

表3 中庭周邊區(qū)DA和DAcon值計算公式相關(guān)系數(shù)

利用Daysim采光模擬軟件計算全年的DA和DAcon值，計算結(jié)果如圖8和圖9所示。隨著WI值的增大，DA和DAcon值降低，且當WI大于2.0以后，DA和DAcon幾乎不變;隨著屋頂?shù)刃Э梢姽馔高^率的增大，DA和DAcon值呈線性增加。根據(jù)DA和DAcon隨τroof和WI的變化特點，計算公式可表示為

圖8 全年采光滿足率隨WI值的變化情況

圖9 全年采光滿足率隨τroof值的變化情況

當WI在0.67～2.7之間變化、τroof值在0.3～0.7之間變化時，利用Daysim對不同WI和τroof組合的案例進行模擬計算，對計算結(jié)果回歸分析可得式 (4)中的系數(shù)x1～x4取值，模擬計算結(jié)果與擬合公式計算結(jié)果的相關(guān)系數(shù)分別為0.992和0.96(見圖10)。

圖10 中庭周邊區(qū)經(jīng)驗公式相關(guān)性分析

5 整體采光分析

5.1 天然采光節(jié)能率

根據(jù)文獻［9］的研究成果，燈具的相對輸入功率hp(實際輸入功率與額定功率的比值)和相對輸出光量hl(實際輸出光量與額定輸出光量的比值)之間的關(guān)系可表示為:

其中，hl與DAcon的近似關(guān)系為hl=1－DAcon。

定義建筑采光外區(qū)為距離外墻4米以內(nèi)區(qū)域，外區(qū)建筑建筑面積為Fp，其余為建筑采光內(nèi)區(qū)，內(nèi)區(qū)建筑面積為FI。

當燈具采用通斷控制方式時，建筑整體全年天然采光照明節(jié)能率可按下式計算

當燈具采用連續(xù)調(diào)光控制方式時，建筑整體全年天然采光照明節(jié)能率可按下式計算

其中DAI為內(nèi)區(qū)被太陽光照射到區(qū)域的全年采光滿足率，DAp為采光外區(qū)的全年采光滿足率，fp和fI為外區(qū)和內(nèi)區(qū)建筑面積比例，r為內(nèi)區(qū)能獲得天然光部分的面積與內(nèi)區(qū)總面積的比例。

5.2 與體形系數(shù)關(guān)系

如果建筑外區(qū)各朝向的全年采光滿足率和立面面積差異不大，則ηdaylight與建筑體形系數(shù)近似呈線性關(guān)系。建筑外區(qū)是獲得天然采光的主要區(qū)域，而體形系數(shù)越大，建筑外區(qū)面積越大，因此照明節(jié)能率越大。

6 總結(jié)

計算全年采光滿足率的經(jīng)驗公式是模擬輔助采光設(shè)計的有效途徑，符合方案階段天然采光設(shè)計的建筑信息和設(shè)計需求特點。方案階段，模擬輔助天然采光設(shè)計的工作流程如圖11所示，該方法能方便、快捷地分析建筑整體采光性能，從而輔助建筑師進行方案設(shè)計。

圖11 模擬輔助天然采光設(shè)計流程

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