基于晝光眩光特性的辦公建筑遮陽(yáng)使用需求分析

李崢嶸 陸瑞陽(yáng) 趙 群

1同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源學(xué)院

2同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院

基于晝光眩光特性的辦公建筑遮陽(yáng)使用需求分析

李崢嶸1陸瑞陽(yáng)1趙 群2

1同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源學(xué)院

2同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院

本文以上海某辦公室為例，采用DGP晝光眩光模型進(jìn)行模擬計(jì)算，比較了不同朝向、不同人員位置、不同人員視線方向、不同玻璃透射率與是否使用遮陽(yáng)設(shè)施的眩光水平差異，評(píng)價(jià)了室內(nèi)人員處于不同狀態(tài)時(shí)遮陽(yáng)的使用需求。由于將晝光眩光的發(fā)生情況用量化的方式進(jìn)行描述，具體表現(xiàn)了遮陽(yáng)設(shè)施的使用需求，為室內(nèi)布局以及遮陽(yáng)眩光自動(dòng)控制策略提供依據(jù)。

晝光眩光遮陽(yáng)需求DGP

0 引言

隨著玻璃在建筑中大面積使用，更多的太陽(yáng)光可以進(jìn)入建筑室內(nèi)，在增加室內(nèi)照度的同時(shí)帶來(lái)了強(qiáng)烈的晝光眩光。為了減少晝光眩光的影響，辦公建筑通常采用內(nèi)遮陽(yáng)的方式以減小天空視閾，降低晝光眩光感覺(jué)。由于遮陽(yáng)設(shè)施的可見(jiàn)光透射率較低，在使用遮陽(yáng)設(shè)施的同時(shí)會(huì)造成室內(nèi)部分工作平面的照度偏低，需要開(kāi)啟照明補(bǔ)充照度，增加了建筑照明能耗。因此在防止晝光眩光與增加室內(nèi)照度中尋找平衡點(diǎn)是建筑節(jié)能的一個(gè)研究方向，涉及到遮陽(yáng)的使用和控制模式。

評(píng)價(jià)室內(nèi)的眩光水平需要依靠眩光指標(biāo)進(jìn)行?，F(xiàn)有的很多眩光指標(biāo)都是針對(duì)小的建筑人工光源開(kāi)發(fā)的，如VCP、BGI、UGR，但是上述指標(biāo)都不適合用于晝光眩光預(yù)測(cè)，原因如下：①晝光眩光的光源比較大，超過(guò)了0.01的體積角，大的眩光光源可以提升眼睛的適應(yīng)性，導(dǎo)致對(duì)眩光感覺(jué)的改變；②在相同的光源大小下，人員對(duì)自然光具有更強(qiáng)的忍受力。

DGI（Daylight Glare Index）是針對(duì)晝光眩光的主要指標(biāo)，它考慮了人員對(duì)自然光的忍受能力，將指標(biāo)進(jìn)行了上移，但是由于最先的DGI是從大面積人工光源的結(jié)果上引進(jìn)，它仍然不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)眩光水平，部分研究表明實(shí)際情況中的眩光情況低于DGI預(yù)測(cè)值。

DGP[1]（Daylight Glare Probability）是基于自然光進(jìn)行試驗(yàn)得到的眩光指標(biāo)體系，相對(duì)于人工光源試驗(yàn)獲得的指標(biāo)體系有進(jìn)步。DGP模型現(xiàn)已被Daysim和DIVA軟件納入計(jì)算，可以獲得全年動(dòng)態(tài)眩光結(jié)果[3]。

本文采用DGP指標(biāo)模型對(duì)室內(nèi)的眩光水平影響因素和遮陽(yáng)使用需求進(jìn)行分析，為遮陽(yáng)自動(dòng)控制策略提供依據(jù)。

1 DGP模型

DGP模型是由Jan Wienold于2006年開(kāi)發(fā)，用于評(píng)價(jià)室內(nèi)晝光眩光的指標(biāo)。作者通過(guò)實(shí)際太陽(yáng)光環(huán)境下實(shí)驗(yàn)房測(cè)試與問(wèn)卷調(diào)研，得到室內(nèi)環(huán)境與太陽(yáng)眩光感覺(jué)的關(guān)系。該模型以眼部照度、眩光源亮度、立體角與位置指數(shù)作為參數(shù)，擬合出評(píng)價(jià)晝光眩光的公式：

式中：Ev為眼部的垂直照度；Ls,i為光源亮度；ωs,i為光源體積角；Pi為位置指數(shù)。

DGP表征人員受太陽(yáng)眩光影響情況，指標(biāo)分為四個(gè)等級(jí)，如表1。

表1 DGP等級(jí)劃分

當(dāng)DGP超過(guò)0.4時(shí)認(rèn)為人員受到晝光眩光的影響。

2 辦公室模型建立與驗(yàn)證

2.1 研究對(duì)象

本文研究對(duì)象位于上海，屬于典型的辦公房間，尺寸為5.7m×7.0m×3.4m，窗戶尺寸為4.7m×1.7m，下沿距離地面0.9m，窗戶朝南，為鋁框單層標(biāo)準(zhǔn)平板玻璃，窗墻比0.4。房間位于大樓第五層，窗戶前無(wú)明顯遮擋物。房間布局如圖1所示。

圖1 研究對(duì)象房間布局

2.2 模型驗(yàn)證

采光系數(shù)（Daylight Factor）是一項(xiàng)用于評(píng)價(jià)室內(nèi)自然光采光效果的重要參數(shù)，且容易通過(guò)測(cè)試得到。本部分通過(guò)實(shí)測(cè)獲得研究對(duì)象各個(gè)測(cè)點(diǎn)的采光系數(shù)，將其與模擬得到對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的采光系數(shù)進(jìn)行比較，以驗(yàn)證模型的光學(xué)準(zhǔn)確性。采光系數(shù)C的計(jì)算公式如下[4]：

式中：En為在全陰天空漫射光照射下，室內(nèi)給定平面上的某一點(diǎn)由天空漫射光所產(chǎn)生的照度，lx；Ew為在全陰天空漫射光照射下，與室內(nèi)某一點(diǎn)照度同一時(shí)間、同一地點(diǎn)，在室外無(wú)遮擋水平面上由天空漫射光所產(chǎn)生的室外照度，lx。

對(duì)房間內(nèi)部20個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行照度測(cè)試，測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。經(jīng)過(guò)比較，各測(cè)點(diǎn)的誤差均在10%以內(nèi)，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果比較如圖2所示。本文采用該模型進(jìn)行房間全年眩光特性分析。

圖2 實(shí)測(cè)與模擬采光系數(shù)比較

3 模擬工況設(shè)定

本文對(duì)上海地區(qū)辦公室內(nèi)的眩光情況進(jìn)行了模擬，考慮了不同的窗戶朝向、人員位置、視線方向、玻璃透射率以及是否使用遮陽(yáng)設(shè)施對(duì)室內(nèi)眩光的影響，具體設(shè)置見(jiàn)表2。不同因素的組合表征了不同的室內(nèi)人員狀態(tài)，各因素在房間的體現(xiàn)如圖3所示。

表2 研究的影響因素

由于變量繁多，在后續(xù)進(jìn)行比較時(shí)，文中以南向、45°視線朝向、2m進(jìn)深、普通平板玻璃、無(wú)遮陽(yáng)狀態(tài)為比較的基準(zhǔn)，評(píng)價(jià)其中某一參數(shù)的改變對(duì)眩光影響時(shí)，其他參數(shù)均處于基準(zhǔn)狀態(tài)。

圖3 室內(nèi)不同狀態(tài)示意

4 模擬結(jié)果與分析

4.1 朝向?qū)ρ９獾挠绊?/p>

將各個(gè)朝向全年眩光水平進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以箱形圖的形式進(jìn)行表述。箱形圖表示的含義如圖4所示。

圖4箱形圖含義說(shuō)明

圖5 為各個(gè)朝向全年工作時(shí)間段的眩光水平箱形圖。北向的眩光水平顯著低于南、東、西三個(gè)方向。北向眩光最大值可達(dá)1，但比例較低，超過(guò)75%的時(shí)間眩光值均低于0.4，處于可接受的范圍。南、東、西三個(gè)方向的中位數(shù)在0.4附近，認(rèn)為近一半的時(shí)間都存在眩光干擾。

圖5 各朝向的眩光水平

4.2 人員位置對(duì)眩光的影響

隨著人員位置與窗的距離增加，眼部垂直照度會(huì)減小，玻璃作為光源在眼睛位置的體積角也有所減小，眩光值總體呈減小的趨勢(shì)，如圖6所示。

圖6 各進(jìn)深的眩光水平

4.3 視線方向?qū)ρ９獾挠绊?/p>

當(dāng)進(jìn)深為2m時(shí)，90°視線角度與45°視線角度的眩光水平接近，45°視線方向稍高于90°方向。當(dāng)視線方向繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，眩光水平隨著角度的減小而減小，如圖7所示。

圖7 各視線方向的眩光水平

4.4 玻璃透射率與遮陽(yáng)設(shè)施對(duì)眩光的影響

模擬分別采用普通玻璃和雙層Low-E玻璃兩種，透射率分別為0.96和0.70。遮陽(yáng)是調(diào)節(jié)室內(nèi)光環(huán)境的重要手段。模擬中采用內(nèi)遮陽(yáng)設(shè)施，可見(jiàn)光透射率10%，反射率47%。從圖8中可以看出，使用遮陽(yáng)后的眩光水平顯著降低。

圖8 Low-E玻璃與遮陽(yáng)工況的眩光水平

5 遮陽(yáng)的需求分析

以產(chǎn)生不舒適晝光眩光為遮陽(yáng)使用條件，認(rèn)為當(dāng)DGP大于0.4時(shí)有使用遮陽(yáng)的需求，當(dāng)DGP小于0.4時(shí)宜將遮陽(yáng)收起以便充分利用自然光增加室內(nèi)照度水平，減少建筑照明能耗。用動(dòng)態(tài)模擬方法得到全年逐時(shí)眩光變化，統(tǒng)計(jì)各朝向全年工作時(shí)段（8:30~ 17:30，以8.5～17.5表示）各時(shí)刻DGP>0.4所占比例作為遮陽(yáng)使用頻率，用以表征使用遮陽(yáng)的需求。遮陽(yáng)使用頻率從0～1變化，值越高表明對(duì)遮陽(yáng)需求越高。以雷達(dá)圖來(lái)表征各季節(jié)平均各時(shí)刻的遮陽(yáng)使用頻率，其所圍面積的大小可以表示該季節(jié)對(duì)遮陽(yáng)需求大小。

5.1 不同朝向各季節(jié)遮陽(yáng)需求

不同窗戶朝向有不同的眩光狀態(tài)，從圖9中可以看出，南向的窗戶對(duì)遮陽(yáng)需求最高，且從上午9:30到下午15:30各時(shí)段需求比較平均。北向的遮陽(yáng)需求最小，在夏季下午13:30到17:30時(shí)段眩光需求可以達(dá)到0.5，其他時(shí)間遮陽(yáng)需求均小于0.25。東向與西向的遮陽(yáng)需求低于南向高于北向，東向遮陽(yáng)需求從上午8:30到12:30，下午沒(méi)有遮陽(yáng)需求；西向遮陽(yáng)需求從上午11:30到下午17:30。

圖9 各朝向的遮陽(yáng)需求

5.2 不同進(jìn)深各季節(jié)遮陽(yáng)需求

圖10表示了不同進(jìn)深下的情況的遮陽(yáng)需求水平。在距離窗0.5～1m的范圍之內(nèi)對(duì)遮陽(yáng)的需求差異不大，多個(gè)時(shí)刻需要100%使用遮陽(yáng)。從季節(jié)來(lái)看，在該進(jìn)深范圍內(nèi)，遮陽(yáng)需求與太陽(yáng)高度角無(wú)關(guān)，而與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度相關(guān)，夏季的遮陽(yáng)需求稍高于冬季。當(dāng)進(jìn)深大于1.5m時(shí)，遮陽(yáng)需求開(kāi)始減小。當(dāng)進(jìn)深大于3m時(shí)，夏季遮陽(yáng)需求明顯小于冬季，太陽(yáng)高度角開(kāi)始發(fā)揮主導(dǎo)作用。

圖10 各進(jìn)深的遮陽(yáng)需求

5.3 不同視線方向各季節(jié)遮陽(yáng)需求

圖11表示了在不同視線方向下的遮陽(yáng)需求。45°與90°視線方向的遮陽(yáng)需求較其他方向高，最高可達(dá)0.75。其他視線角度的遮陽(yáng)需求均處于低水平，除冬季部分時(shí)刻能超過(guò)0.5，其他時(shí)間遮陽(yáng)需求均不超過(guò)0.3。 -90°視線方向遮陽(yáng)需求為0，并未表示在圖11中。

圖11 各視線方向的遮陽(yáng)使用需求

6 結(jié)論

1）針對(duì)本文研究對(duì)象中的測(cè)點(diǎn)位置，窗戶位于南、西、東三個(gè)方向均有較高的眩光水平，有較高的遮陽(yáng)需求。對(duì)于窗戶在南向的房間冬季的眩光水平高于夏季，更需要遮陽(yáng)；北向在夏天傍晚時(shí)刻有較高眩光水平，也需要遮陽(yáng)。

2）當(dāng)視線方向朝向窗戶時(shí)，進(jìn)深距離對(duì)眩光的影響與窗戶的結(jié)構(gòu)相關(guān)。當(dāng)夏季太陽(yáng)高度角較高時(shí)，若測(cè)點(diǎn)位于陽(yáng)光直射范圍之外，則其受眩光影響相對(duì)較小。而冬季由于太陽(yáng)高度角低，眩光水平普遍較高。

3）視線角度對(duì)眩光的影響很大，90°向外與向內(nèi)的眩光水平差異巨大。對(duì)于辦公室來(lái)說(shuō)，室內(nèi)人員的有著不同的工作位置和不同的視線方向，在評(píng)價(jià)測(cè)點(diǎn)的眩光水平時(shí)需要將兩者同時(shí)考慮。另外，即使兩個(gè)測(cè)點(diǎn)眩光水平接近，需求出現(xiàn)的時(shí)刻也會(huì)有所不同，這些都需要詳細(xì)分析。

辦公室的眩光水平具有較強(qiáng)的個(gè)體特性，與室內(nèi)布局緊密相關(guān)，不同布局組成有著不同的需求水平與需求時(shí)間段。基于眩光水平考慮遮陽(yáng)自動(dòng)控制策略時(shí)，應(yīng)選擇辦公室內(nèi)中最不利的工作點(diǎn)作為控制對(duì)象。由于隨著時(shí)間變化最不利點(diǎn)也在變化，因此需要有個(gè)合理的方法將這個(gè)問(wèn)題納入考慮。

[1]Jan Wienold,Jens Christoffersen.Evaluation methods and develo -pment of a new glare prediction model for daylight environments with the use of CCD cameras[J].Energy and Buildings,2006,38: 743-757

[2]Yufan Zhang,Peter Barrett.Influencing occupants’blind-control behaviour in a naturally ventilated office building[J].Building and Environment,2012,54:137-147

[3]Jan Wienold.Dynamic daylight glare evaluation[C].Building Simulation 2009,2009

[4]建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50033-2001)[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2001

Ana lys is on the Sha ding De m a nd of a n Offic e ba s e d on the Da ylight Gla re Prope rtie s

LI Zheng-rong1,LU Rui-yang1,ZHAO Qun2
1 School of Mechanical Engineering,Tongji University
2 College of Architecture and Urban Planning,Tongji University

This paper simulated the DGP at different testing conditionsin an office in Shanghai.With different window orientation,view direction and window transmissivity the DGP(Daylight Glare Probability)varies notably and the need for shading also changes with time.The characteristic of shading demand is a support to the design of automated shading systems as well as the interior design.

daylight glare,shading demand,DGP(Daylight Glare Probability)

1003-0344（2014）04-029-4

2013-5-13

趙群（1975～），博士，講師；上海市四平路1239號(hào)同濟(jì)大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院建筑系（200092）；E-mail:zhaoqun@#edu.cn基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目（51208363）