数值模拟在工业建筑采光优化设计中的应用研究★

李 伟 那艳玲

(1.天津城建大学建筑学院，天津 300384； 2.中国铁路设计集团有限公司，天津 300142)

数值模拟在工业建筑采光优化设计中的应用研究★

李 伟1那艳玲2

(1.天津城建大学建筑学院，天津 300384； 2.中国铁路设计集团有限公司，天津 300142)

利用计算机数值模拟技术，以天津郊区某工业厂房车间的天然采光为例，对该车间室内天然采光的初始设计方案与不同的优化设计方案分别进行了数值模拟，并以天然光照度主要指标进行了比对分析。研究结果表明，优化后的设计方案与初始设计方案相比，不但天然光照度优于国家标准要求，同时顶部采光口面积减小了83.33%，提高采光效率的同时大大降低了围护结构的传热量。

工业建筑，采光优化，数值模拟

1 概述

随着绿色建筑理念的普及与发展，具有节能与舒适双重作用的天然采光设计越来越受到重视。尤其对于工业建筑来说，其工作对象的加工精度往往较高，天然采光环境对生产效率具有重要影响，良好的天然采光环境十分有利于工作人员的视觉健康与工作效率。

但由于工业厂房的体量往往较为巨大，建筑师在设计采光口时，很难合理地布置采光口的数量与位置，使室内天然光照度达到国家标准。在设计实践中，往往出现采光口的面积、数量、位置设置随意，导致采光质量严重不足或过度采光等不符合采光标准要求的情况。

利用数值模拟软件对采光设计方案进行验证与优化，能很好地解决上述问题。该方法具有准确度较高，方案修改、优化简便易行等特点，对建筑采光方案设计与优化具有很好的指导意义。

本文利用建筑性能集成化模拟软件(IES)对天津郊区某工业厂房的采光设计方案进行了验证与优化，并通过对模拟数据的分析，提出了该厂房的最佳采光设计方案。

2 采光设计方案数值模拟与优化

本文所采用的数值模拟软件为IES中的采光分析模块。采用的分析评价标准为GB 50033—2013建筑采光设计标准(以下简称标准)。

本文所研究的工业厂房位于天津郊区，主要从事精密设备加工。厂房开间为96.8 m，进深为24.4 m，室内净高5.4 m。

2.1 原建筑方案采光效果模拟分析

原建筑方案中采用侧窗进行采光。厂房南北立面上共开启了27个侧窗采光口，每个窗户的面积为8 m2，总采光面积为216 m2。

图1为原采光方案的数值模拟结果。

从图1中可以看出，当仅采用侧窗采光时，厂房内的天然采光评价照度值仅为321 lx，与国家标准要求的照度值相差较大(对于从事精密设备加工的厂房，当采用侧窗采光时，标准要求室内天然光平均照度值应达到600 lx)，且厂房中部由于距离侧窗较远，大部分区域的照度仅有50 lx左右。

为提高厂房中部区域的天然光照度，设计师对厂房的采光形式进行了进一步的设计，增设了天窗采光，即在厂房的屋顶中部开设了两条连续的矩形天窗，每条天窗的面积为450 m2，总面积900 m2。

从图2的模拟结果可以看出，厂房内的平均照度值为2 872 lx，均匀度为0.01。按照标准的要求，该类型厂房采用顶部采光时的室内天然光照度值要求达到450 lx即可，模拟结果的数值远超标准要求。这种情况下，不但容易形成眩光，而且大面积的天窗采光也增加了围护结构的传热复合，不利于节能。

2.2 采光方案优化数值模拟

为避免过度采光，降低围护结构的传热负荷，对厂房的天窗形式进行了优化：将原来每条连续的长方形天窗分散为10个独立的天窗，每个天窗的尺寸为2.5 m×3.5 m，面积为7.5 m2。经过重新优化后，屋顶共设置了20个7.5 m2的分散天窗，总的采光面积由原来的900 m2降低为150 m2。新的采光方案的数值模拟结果如图3所示。

由图3的模拟结果可知，厂房内的天然光照度平均值为1 394 lx，均匀度为0.02。相比于原来两条连续的长方形天窗采光方案，照度值下降了1 478 lx，均匀度则上升了100%。对照国家标准中，分散式天窗所形成的天然光照度依然能够满足要求，同时采光面积大幅下降至原天窗采光方案的1/6，从而大大降低了围护结构的传热负荷，是该厂房较为理想的采光方案。

单从天然光照度值来看，总面积为150 m2的分散式天窗所形成的照度依然超过国家标准要求(450 lx)较多，从数值上来看依然有进一步优化的空间。但经过模拟表明，再进一步降低采光口面积并进行分散式布置，作为主要工作区域的厂房中部的天然光照度均匀度下降较大，对工作面的精细加工要求不利，因此不宜对采光口的面积进行缩减。

3 结语

工业厂房由于体量巨大，其采光设计相对较为复杂，利用数值模拟进行采光优化设计是较为理想的方法。本文的研究表明，相比于工业建筑中较为常见的连续型天窗采光，利用分散式的天窗进行采光具有更高的采光效率，以文中的研究对象为例，分散式天窗采光的面积仅为原连续型天窗采光的1/6，在照度值满足国家要求的前提下，大大降低了围护结构的传热负荷。

[1] 杨倩苗，高 辉.中庭的天然采光设计[J].建筑学报，2007(9)：68-70.

[2] 闫 玮.建筑自然采光与空间组织策略[J].建筑技艺，2009(6)：94-97.

[3] 丁建华，金 虹.老工业建筑绿色再生[J].新建筑，2012(4)：81-85.

Astudyonthedaylightingsimulationofindustrialbuildings★

LiWei1NaYanling2

(1.SchoolofArchitecture,TianjinChengjianUniversity,Tianjin300384,China;2.ChinaRailwayDesignCorporation,Tianjin300142,China)

An industrial building located on Tianjin suburb is used as a sample to study the daylighting simulation in this paper. The original daylighting design and optimized design using numerical simulation are compared on daylight illuminance. The results show that the daylight illuminance is higher than national standard while the daylighting opening area reduced 83.33%.

industrial buildings, daylighting optimization, numerical simulation

1009-6825(2017)23-0009-02

2017-06-08★：天津市建交委科技项目：天津绿色工业建筑评价指标体系构建关键技术研究与应用(2014-42);本文的研究还得到了天津市科技支撑计划项目(15ZCZDSF00080)和天津市科技特派员项目(16JCTPJC52900)的支持，在此表示感谢

李 伟(1975- )，男，教授; 那艳玲(1975- )，女，教授级高级工程师

TP319

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