寒地城市住区天然光获得量数值分析：静态模型

陆 明，杜江涛

(1.哈尔滨工业大学建筑学院，黑龙江 哈尔滨 150006；2.英国利物浦约翰莫尔斯大学建筑环境学院，利物浦 L3 3AF)

寒地城市住区天然光获得量数值分析：静态模型

陆 明1，杜江涛2

(1.哈尔滨工业大学建筑学院，黑龙江 哈尔滨 150006；2.英国利物浦约翰莫尔斯大学建筑环境学院，利物浦 L3 3AF)

本文以寒地城市多层住区为研究对象，选取了三种典型平面布局形式，采用了新型的数值模拟技术对建筑南立面中心位置各层的日照时间和采光系数进行了计算，在此基础上分析和评价了各种布局形式的天然光获得量情况。结果表明，不同的建筑布局对天然光的利用存在较大的影响，应该在城市规划和建筑设计的最初阶段给予充分的关注。

寒地城市；天然光获得量；居住区；静态模型；数值模拟

引言

天然光(包括直射日光和漫射天空光)获得量(Daylight availability)是衡量一个城市环境是否和谐和可持续的重要标准之一[1]。不仅仅在于天然光可以促进建筑中的能源有效利用，而且在于它能够改善人的工作效率并且有利于人们的身心健康[2]。

目前，天然光研究多侧重于室内空间和单体建筑，然而，随着城市化的快速发展及建筑密度的不断加大，建筑之间的相互遮挡问题日益严重，因此从室外环境、建筑群体或较大尺度城市区域的角度来分析和研究天然光则更具现实意义[3]。一项研究指出：建筑外立面采光窗中心的垂直入射天然光量跟室内水平工作量面平均接受到的天然光量存在一个线性关系，线性常数由采光窗和室内空间的形状和反射面决定[4]。因此，只要确定了建筑外立面上的天然光垂直照度或者采光系数，就能很容易的据此来估算室内最终的天然光获得量。一项早期的研究提出了在几个典型欧洲城市中采用建筑遮挡限制角(obstruction angle)和与之联系的立面上最小的采光系数天空分量(vertical sky component)[3]。此外，一些香港的研究也相继探索了在高密度的城市环境里如何有效控制天然光获得量的实践方法和理论公式[5-7]。

在上述研究的基础上，本文对我国寒地城市多层住区中的典型建筑布局的天然光获得量进行了数值分析和模拟，根据获得的结果提出了在最初设计阶段用于指导城市规划和建筑设计的一些设计策略。

1 建筑布局和寒地城市

本文以典型寒地城市哈尔滨(北纬45.8°)为例，选取了三种典型的城市住区布局模型进行分析。图1为各模型的住宅布局平面形式及其单体建筑的平面形式和尺寸，建筑均为六层多层住宅，高度均为18.0 m，主体建筑朝向均为南北朝向。

图1 寒地城市住区建筑布局模型Fig.1 Building layouts of redidential area in cold city

三种建筑布局是在符合我国城市居住区规划设计规范[8]及哈尔滨城乡规划管理条例的情况下，最大限度的满足土地利用要求的高密度布局形式，也是天然光环境较为不利的布局形态。其中模型1是行列式布局，建筑南北向间距为32.4 m，建筑山墙间距为6.0 m，单体建筑的尺寸为：L1=13.0 m，L2=45.0 m。模型2是U形围合式布局，建筑南北向及东西向的间距均为32.4 m，单体建筑的尺寸为：L1=13.0 m，L2=29.4 m，L3=72.0 m，L4=16.4 m。模型3是Z形围合式布局，建筑南北向及东西向的间距均为32.4 m，单体建筑的尺寸为：L1=13.0 m，L2=30.4 m，L3=63.0 m，L4=17.4 m。

由于我国居住建筑中以南立面为主要日照及采光面，因此本文选取建筑南立面垂直中心线上的六个窗口中心位置为计算点，它们距离地面的高度分别为：2.1 m (一层)，4.9 m (二层)，7.7 m (三层)，10.5 m (四层)，13.3 m (五层)，16.1 m (六层)。通过数值模拟将获得这些位置点的天然光获得量(日照和采光)。

根据城市居住区规划设计规范[8]和建筑气候区划标准[9]，中国东北的大部分地区属于第Ⅰ建筑气候区，以冬季漫长严寒和夏季短促凉爽为主要特征，因而充足的日照和采光对于这些地区显得尤为重要，本文将针对上述三种住区布局形式进行天然光获得状况的分析。

2 静态模拟方法

本文采用两种基本的参数来衡量建筑南立面上天然光获得量：日照时间(Sunlight time)和采光系数(Daylight factor)。日照时间可以间接反映获得直射日光的情况, 而采光系数则用来确定全阴天下建筑立面上可能获得的漫射天空光照量。这两种参数结合来分析天然光的方法可被称为静态模型，因为这种分析方法基于相对简单的静态要素(如：空间位置，材料反射率)，虽然与城市的地理特征(纬度)有联系，但与动态变化的地域气候特征(如：温湿度、太阳辐射量等)的关系不大[1]。

2.1 日照分析

日照分析采用建筑环境模拟工具Autodesk Ecotect Analysis 2011[10]来进行。通过该模拟工具中一个相对独立的太阳辐射分析子工具模块“Solar Access Analysis”,各建筑南立面中心不同位置的遮阳率(Percentage of shading)，可见天空因数 (Visual sky factor)和日照时间 (Sunlight time)被一次性计算出来。在本研究中，重点关注日照时间的模拟和计算。针对寒地城市气候特点和哈尔滨的城市规模[8]，日照时间按照三种不同的时间段来进行分析和评价：全年(1月1日—12月31日)、冬季(12月1日—2月28日)和大寒日(1月20日)。为了把可能的日照获得量分析出来，每天的计算时间跨度为0:00—24:00。为了跟采光分析对应，计算位置为前面确定的南立面垂直中心线上各层窗口中心。

2.2 采光分析

采光分析采用反光线追踪模拟工具Radiance(Linux版本)来进行CIE标准全阴天下的采光系数计算。计算位置同样为南立面垂直中心线上各层窗口中心，法线方向垂直于窗口平面向外。因此，这个计算值可被称为垂直采光系数，它的组成可由下列公式来表达：

(1)

式中，VDF为垂直采光系数 (Vertical daylight factor)；VSC为垂直采光系数天空分量 (Vertical sky component)；VRC为垂直采光系数反射分量 (Vertical reflected component)。

本文对计算位置的VDF及其VSC分别进行了分析和讨论，以明确不同环境因素的影响。

在实施最终模拟前，先利用了试验模型对Radiance中的反光线追踪模块Rtrace进行了收敛分析，从而为整个研究确定了合适的主要环境参数(ambient parameters)[11](表1)。参数的设定值相对较大，确保了整个模拟的精度。

表1 用于 Rtrace计算的环境参数

根据采光计算的基本要求和建议[1]，对于漫射天空光的模拟过程，采用两种基本反射率：建筑立面(0.4)和地面(0.2)。为了重点比较建筑布局的不同，本研究中建筑和室外地面均按照漫反射面材料来考虑。

3 天然光获得量分析

3.1 日照时间

本节分析了三个不同时段内的日照时间分布，以此反映出建筑南立面上直射日光获得量的情况。图2为三个不同布局模型中年累计日照时数沿南立面各层模拟位置点的变化趋势。

图2 模型南立面各层模拟点的年累积日照时数变化趋势Fig.2 Cumulative annual sunlight hours along south centre façade in models

(2)

式中，ST1、ST2、ST3分别为模型1、2和3的日照时数。

分析结果表明，在建筑底层，模型2的差别率为38.2%，而模型3的差别率为12.4%。在中间层(3层)，这两个比率变为24.9%和6.6%。然而，在建筑顶层，这两个比率则缩小为4.6%和0.7%。同时，模型3和模型1的日照时数差别小于模型2和模型1之间的差别。总体来看，各模型中日照时数随高度的变化呈现出一种幂函数变化的趋势，通过回归分析，得出三个模型的经验公式：

(3)

(4)

(5)

式中，ST——模型1、2和3中的日照时数；h——南立面各层模拟点距离地面的高度。

从上面的分析中可以看出，从底层到顶层日照时数变化梯度最小的是模型1，中间程度的是模型3；变化最剧烈的是模型2，底层的时数远远小于顶层的时数(约为顶层的50%)。这些经验公式可在初步设计阶段估算不同位置的日照时数。

对于哈尔滨这样典型的寒地城市来说，冬季能够获得尽可能多的日照量是非常重要的。图3为三个不同布局模型中冬季累计日照时数沿南立面中心各层的变化趋势。

同样地，随着窗口位置的不断提升，冬季三个月的累计日照时数不断增加，增加的趋势依然遵循着幂函数的形式。总体上，模型1在各层冬季的日照量依然是最大的。而其它两个模型的变化趋势与全年日照量(图2)相比略有不同：在建筑4层以下时，模型3的冬季日照量大于模型2；在建筑4层及4层以上时，两个模型的冬季日照量差别不大。根据哈尔滨地区的气象数据[12]和Ecotect的总日照量估算，冬季无遮挡情况下的理想日照时数大约为720小时。因此，模型1、2、3在底层的实际日照时数分别约为无遮挡理想日照时数的25%、16%和20%。这三个比率在中间层则变为70%、55%和65%。到了顶层，三个模型的日照时数趋同，三个比率分别为97%、93%和96%。从中可以看出，在冬季的时候，模型2底层的日照量不甚理想。

结果显示，三个小组的留学生语用能力都不高，只有中级语言能力的学生，语用能力的平均分略高于其他两组的学生，但是三个小组之间并不存在语用能力的显著差异。问卷最低分虽然出现在第一组中，但最高分却没有出现在第三组中。这说明，随着语言能力的提高，留学生的语用能力并没有相应地提高。留学生汉语语言能力的发展，不能保证其语用能力的必然发展。即使到了高级阶段，留学生的语用能力仍处于一个较低的水平。

根据我国城市居住区规划设计规范[8]，哈尔滨的居住建筑在大寒日底层满窗照日照时数不应低于2小时。因此，本文选用了大寒日(1月20日)作为一个典型日来进行日照分析。图4为三个不同布局模型中大寒日日照时数沿南立面各层的变化趋势。从该图可以清楚的发现，所有模型的底层窗口中心的日照时数都小于2小时。在模型2和模型3中，底层窗口甚至没有任何日照量。整体来说，模型2南立面三层以下的日照时数小于模型1和模型3。模型1中四层以上的立面几乎整个白天都能接受到日照。除了顶层外，模型2在任何位置处的日照时数都会比模型1减少一个小时。然而，模型3的日照时数在三层以下高于模型2,但在三层以上却等于或低于模型2。

图4 模型南立面各层模拟点的大寒日日照时数变化趋势Fig.4 Sunlight times on Dahan (January 20) along south centre façade in models

从日照分析来看，行列式的布局相对有利于主要立面获得直射日光光照；U形的布局则存在较大的遮挡，对于南立面的下半部分遮挡尤为显著。Z布局获得直射日照的可能性则介于以上两种布局之间。有趣的是，上述结果对应了各布局模型中东西向的建筑存在的状况：行列式布局每个南立面对面没有东西向的建筑，U形布局对面存在两个东西向建筑，而Z布局只有一个东西向建筑。

3.2 采光系数

本节分析了在CIE全阴天条件下，三个模型南立面中心区域上的采光系数分布状况。

图5表明了南立面中心垂直方向上每层窗口中心的采光系数变化趋势。同3.1节的日变化趋势类似，对于这三个模型来说，模型1南立面上的各个位置取得了最大垂直采光系数，表明了其建筑内部空间存在着天然光利用的最大可能性。在漫射天空光存在的情况下，模型2与模型3的垂直采光系数值基本接近。只有在底层时，模型3的垂直采光系数比模型2略大一些(绝对差值约为0.9)。整体上，模型2和模型3的采光系数与模型1的采光系数之间的差距会随着窗口位置的升高而逐渐变小。

图5 模型南立面各层模拟点的垂直采光系数变化趋势Fig.5 Vertical daylight factors along south centre façade in models

以模型1的采光系数为参照，模型2或者模型3的相对采光系数差别率RDF可用下列公式表示：

(6)

式中，VDF1、VDF2、VDF3——模型1、2和3南立面上的垂直采光系数。

计算结果显示，在建筑底层，模型2和模型3的RDF分别为10%和7%。在中间层(3层)RDF减少为5%和4.6%。而在建筑最顶层，差别率达到了最小(1%和0.8%)，三个模型的垂直天空漫射光照量基本一致。各模型中采光系数随高度的变化呈现出线性函数或者指数函数的形式。一项采光理论研究[4]支持了指数变化的趋势。因此，通过回归分析得出最后的经验公式为：

(7)

(8)

(9)

式中，DF——模型1、2和3的垂直采光系数；h——南立面中心计算点距离地面的高度。

在规划和设计阶段，这些公式可用来帮助估算正立面上采光系数。

根据公式(1)，采光系数由天空分量和反射分量组成。在城市环境中，作为直接接受到的部分，天空分量是立面上漫射光照量最主要的组成部分[3]。图6表明了模型南立面中心各层垂直采光系数天空分量的变化状况。

图6 模型南立面各层模拟点的垂直采光系数天空分量变化趋势Fig.6 Vertical sky components along south centre façade in models

从图6中可以看出，采光系数天空分量随不同高度的变化趋势与图5中采光系数的变化趋势非常类似，唯一的区别在于绝对值的差距。在CIE全阴天下，无遮挡的垂直面的采光系数天空分量(unobstructed sky component)为0.4[4]。另外，一项研究[3]建议了不同纬度地区的建筑立面上应该满足的基本垂直天空分量。根据哈尔滨所处的地理纬度，南北朝向的建筑立面上应该满足的垂直天空分量不应该小于0.24。在三个模型中，南立面三层和三层以上窗口的垂直天空分量都大于或者等于0.3。这充分说明了在这些位置上可以获得充足的直接天空漫射光照。模型1中建筑最下面两层窗口的天空分量虽然低于0.3，却依然高于0.25。在模型2和模型3的底层，天空分量值比较低，但也保持在0.24附近。由此可见，三个建筑布局的南立面中心各窗口均可以取得50%以上的无遮挡垂直面天空分量(0.24/0.4=0.6)，确保了建筑内部空间可以较好的利用天然光。

从采光分析来看，行列式的布局同样有利于主要立面上的获得足够的漫射天空光光照；Z形和U形布局的天然光利用的可能性类似，相对于行列式布局它们都存在较大的对天空的遮挡，尤其是对于南立面的下半部分遮挡更为严重。

4 结语

本文利用数值模拟工具对三种不同的居住建筑布局进行了天然光获得量(日照时间和采光系数)静态分析，最终得出以下结果和策略用于指导寒地城市多层居住区在设计初级阶段的规划设计：

1)就直射日光获得量而言，南北朝向的规划区布局中以行列式布局为最佳，可优先选择，Z形次之，U形建筑布局则较差。

2)在全阴天情况下的天空光利用方面，三种布局都可以满足基本的需求。当考虑最大可能利用天然光时，行列式依然为最好的选择。Z形和U形建筑布局没有太大的差别，可根据具体需要来选用。

3)日光获得量可采用日照时间来间接反映。三种布局中，单体建筑南立面中心区域的日照时间(y)随立面高度(x)呈现出幂函数变化(y=axb,a、b为常数)趋势。

4)天空光获得量可采用采光系数来直接反映。三种布局中，单体建筑南立面中心区域的采光系数(y)随立面高度(x)呈现出指数函数变化(y=aebx,a、b为常数)趋势。

从以上结论中可以看出，这种静态模型可以得到较为初步的有关天然光获得情况的分析。在进一步的研究中，一种更为复杂的动态模型将被引入，他能将天然光获得量与地域性气候因素联系起来，从而获得更为符合实际情况的结论。

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Numerical Analysis of Daylight Availability in Residential Areas With Cold Climates: Static Model

LU Ming1, DU Jiangtao2

(1.School of Architecture, Harbin Institute of Technology, Harbin 150006, China;2.SchoolofBuiltEnvironment,LiverpoolJohnMooresUniversity,LiverpoolL3 3AF,UK)

This study investigated the daylight availability (sunlight and skylight) of three various typical building layouts in residential urban areas with cold climates. Sunlight hours and vertical daylight factors along the centre south facades were calculated by using Autodesk Ecotect Analysis and Radiance respectively. The achieved results showed there are significant impacts of building layout on daylight availability. It has been also suggested that the daylighting potential could be assessed at the earlier stage of urban design in residential areas.

cold city; daylight availability; residential area; static model; numerical simulation

住房和城乡建设部科学计划项目——基于太阳能高效利用的寒地住区规划适用技术研究(项目号：2016-K1-011)

TK513.5

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2016.06.010