建筑方案的天然采光性能分析方法

夏春海

(特华博士后科研工作站，北京 100029)

1 引言

由于天然采光可降低建筑照明能耗，因此20世纪70年代能源危机以后，天然采光模拟技术得以快速发展，而侧窗采光、中庭采光、天窗采光等采光方式也逐渐被建筑师所采纳。

常用的采光模拟软件有德国的ADELINE、美国劳伦斯伯克利实验室开发的SUPERLITE和Radiance、加拿大建设研究所开发的Daysim。此外，不少学者还对影响侧窗和中庭采光效果的因素进行了研究，并总结出方便设计计算的经验公式［1］［2］［3］［4］。

尽管应用详细的逐时模拟软件能够计算各种采光部件的采光系数和全年采光满足率，但是建模复杂、计算时间长，很难对建筑方案进行快速分析。现有的经验公式尽管速度快、操作简便，但是目前仅能计算采光系数，无法计算全年采光满足率，也就无法预测照明节能率。另外，无论是逐时模拟软件还是经验公式都仅仅能计算单个采光部件的采光效果，还不能反映建筑整体的天然采光效果，也无法分析建筑造型、平面布局、立面设计的影响。

为了提高建筑方案的采光水平，使天然采光技术能融入到方案构思中，需要在现有采光模拟计算软件的基础上研究简便、快捷的天然采光性能分析方法和设计流程。

2 模拟软件

Daysim是由加拿大建设研究所开发的专门用于预测建筑全年天然采光性能的模拟计算软件，该软件基于Radiance计算核心，以DA作为全年天然采光评价指标［5］［6］。软件误差不超过10%，与同类软件相比可获得较高精确度［6］［7］。

本文应用Daysim软件进行采光模拟计算时的具体设置如下:

(1)地点为北京，气象参数选用DeST能耗模拟软件的气象文件;

(2)室内照明时间段为7:00～20:00;

(3)办公建筑照度允许值为300 lx;

(4)默认设置内遮阳百叶，当工作面的太阳直射辐照度超过50 W/m2时放下遮阳百叶，此时百叶的可见光透过率为25%［5］;

(5)根据文献［5］，室内天花板表面反射比为0.8，内墙表面反射比为0.6，地板反射比为0.4;

(6)照明控制方式包括通断控制 (计算DA)和连续调光控制 (计算DAcon)。

3 侧窗采光分析

影响建筑侧窗采光性能的因素包括窗墙比、窗台高、玻璃可见光透过率、室内墙体表面反射比、朝向、遮阳百叶设置等参数，方案阶段主要研究窗墙比、玻璃可见光透过率和朝向对采光性能的影响。

距离侧窗距离越远，采光影响越小，影响范围大致为3.7米左右［1］，本文按4米考虑。

图1 房间采光性能分析模型

如图1所示的房间，房间进深均为10米，层高4米，室内工作平面高750mm。对不同窗墙比 (0.3≤ω≤0.7)和不同玻璃可见光透过率τ(0.4≤τ≤0.8)组合的案例进行详细模拟计算，并进行回归分析得到如下所示经验计算公式。

其中，DA0为工作时间段内，室外照度满足室内照度要求的时间比例，x1和x2的系数见表1。拟合计算公式与模拟计算结果之间的相关性分析结果见图2。两者相关性较大，拟合公式能反映实际采光性能的随 (ωτ)值的变化关系。

表1 不同朝向侧窗采光计算公式的拟合参数

图2 模拟值与经验公式计算值比较

4 中庭采光分析

影响中庭采光性能的因素较多，主要包括中庭形式 (光井指数WI)、中庭四壁开口面积、天窗开口面积、天窗玻璃可见光透过率、天窗形式、中庭底层反射比、中庭四壁平均反射比。方案设计阶段主要关心对建筑内部空间和围护结构参数影响较大的中庭形式、天窗开口面积、玻璃可见光透过率、天窗形式、周边区开口面积对采光的影响。

4.1 中庭底层采光

屋顶可见光等效透过率τroof(天窗可见光透过率与屋顶天窗面积比例的乘积)和光井指数WI对中庭底层采光影响较大。对建筑层高4米、层数6层、中庭长20米、宽20米的建筑、顶部为平开窗、玻璃可见光透过率0.6的案例，分别计算不同WI和τroof值的DA变化规律，如图3和图4所示。

图3 DA值随光井指数的变化 (τroof=0.5)

图4 DA值随τc的变化曲线 (WI=1.0)

随着WI值的增大，DA值降低，下降的趋势分两个不同的阶段;当WI值小于1.5时，DA开始下降缓慢，随后下降迅速;当WI值大于1.5时，DA下降趋势则由快变慢;随着τroof的增大，DA呈负指数增大。

根据DA变化特点，采用分段函数进行拟合。当WI小于1.5时可选用式 (2)计算;当WI值大于1.5时，可选用式 (3)计算。

选用不同WI(0.2≤WI≤3.2) 和 τroof(0.2≤τroof≤0.6)值组合的案例，按照式 (2)和 (3)进行回归分析，得到如表2所示的系数x1～x6的取值。相关性分析结果如图5所示，相关系数分别为0.9965和0.9951，相关性较高，利用拟合公式能反映中庭底层采光效果。

图5 中庭底层经验公式相关性分析

表2 中庭底层DA和DAcon值计算公式系数

4.2 中庭周边区

中庭周边区域 (见图6)获得的太阳光比外区通过外窗获得的太阳光要少，天然采光主要作用区域一般不会超过4米［8］。

图6 中庭周边区域示意图

中庭光井指数 (WI)和屋顶可见光等效透过率(τroof)是影响中庭周边区域采光效果的主要影响因素。选择如图7所示模型，设置两种案例:①τroof值取0.7，改变不同的中庭尺寸使WI值在0.67～2.7之间变化，详细设置参见表3;②中庭截面尺寸为20m×20m，层数为6层，τroof值在0.3～0.7之间变化。计算时，周边区与中庭之间开口取值为80%，窗户 (单层玻璃)可见光透过率取值为80%。

图7 中庭周边区域采光计算案例图

表3 中庭周边区DA和DAcon值计算公式相关系数

利用Daysim采光模拟软件计算全年的DA和DAcon值，计算结果如图8和图9所示。随着WI值的增大，DA和DAcon值降低，且当WI大于2.0以后，DA和DAcon几乎不变;随着屋顶等效可见光透过率的增大，DA和DAcon值呈线性增加。根据DA和DAcon随τroof和WI的变化特点，计算公式可表示为

图8 全年采光满足率随WI值的变化情况

图9 全年采光满足率随τroof值的变化情况

当WI在0.67～2.7之间变化、τroof值在0.3～0.7之间变化时，利用Daysim对不同WI和τroof组合的案例进行模拟计算，对计算结果回归分析可得式 (4)中的系数x1～x4取值，模拟计算结果与拟合公式计算结果的相关系数分别为0.992和0.96(见图10)。

图10 中庭周边区经验公式相关性分析

5 整体采光分析

5.1 天然采光节能率

根据文献［9］的研究成果，灯具的相对输入功率hp(实际输入功率与额定功率的比值)和相对输出光量hl(实际输出光量与额定输出光量的比值)之间的关系可表示为:

其中，hl与DAcon的近似关系为hl=1－DAcon。

定义建筑采光外区为距离外墙4米以内区域，外区建筑建筑面积为Fp，其余为建筑采光内区，内区建筑面积为FI。

当灯具采用通断控制方式时，建筑整体全年天然采光照明节能率可按下式计算

当灯具采用连续调光控制方式时，建筑整体全年天然采光照明节能率可按下式计算

其中DAI为内区被太阳光照射到区域的全年采光满足率，DAp为采光外区的全年采光满足率，fp和fI为外区和内区建筑面积比例，r为内区能获得天然光部分的面积与内区总面积的比例。

5.2 与体形系数关系

如果建筑外区各朝向的全年采光满足率和立面面积差异不大，则ηdaylight与建筑体形系数近似呈线性关系。建筑外区是获得天然采光的主要区域，而体形系数越大，建筑外区面积越大，因此照明节能率越大。

6 总结

计算全年采光满足率的经验公式是模拟辅助采光设计的有效途径，符合方案阶段天然采光设计的建筑信息和设计需求特点。方案阶段，模拟辅助天然采光设计的工作流程如图11所示，该方法能方便、快捷地分析建筑整体采光性能，从而辅助建筑师进行方案设计。

图11 模拟辅助天然采光设计流程

［1］Krarti M，Erickson P M，Hillman T C.A simplified method to estimate energy savings of artificial lighting.Building and Environment，2005，40:747 ～754.

［2］Littlefair P J.Daylight prediction in atrium buildings.Solar Energy，2002，73:105～109.

［3］Littlefair P J.Daylight prediction in atrium buildings.Solar Energy，2002，73:105～109.

［4］Atif M R，Boyer L L，Degelman L O.Development of atrium daylighting prediction:from an algorithm to a design tool. Journal of the Illuminating Engineering Society，1995，24(1):3～12.

［5］Reinhart C F.Daysim softeware［CP］.http://irc.nrccnrc.gc.ca/ie/lighting/daylight/daysim_e.html-User Manual.

［6］Reinhart C F，Walkenhorst O.Validation of dynamic RADIANCE-based daylight simulations for a test office with external blinds.Energy and Buildings，2001(33):683～697.

［7］Reinhart C F，Herkel S.The simulation of annual daylight illuminance distributions:a state-of-the-art comparison of six RADIANCE-based methods.Energy and Buildings，2000，32:167～187.

［8］Calcagni B，Paroncini M.Daylight factor prediction in atria building designs.Solar Energy，2004，76:669～682.

［9］Doulos L，Tsangrassoulis A，Topalis F.Quantifying energy savings in daylight responsive systems:The role of dimming electronic ballasts.Energy and Buildings，2008，40:36～50.