建筑侧窗采光简化评估方法的研究[1]

　　1 引言

　　如何通过合理的设计在室内环境中有效利用自然光，是一件在节约能源和提高舒适度方面都非常有意义的事情，但增加室内自然采光也会带来相反的负面作用。晴天条件下室内过高的自然光照度不仅对健康不利，还会因使用遮阳措施的同时开启人工照明而增加照明能耗。美国的绿色建筑先锋奖( LEED) 认证条例2009 版规定新建筑75% 以上的使用空间都要有充分的天然光，即在9 月21 日( 秋分) 上午9 时至下午3 时期间至少有250lx 的天然光照度，并且在晴天条件下照度不超过5000lx。

　　我国早在20 世纪70 年代就颁布了《工业企业采光设计标准》，1991 年进行了修订，2001 年更名为《建筑采光设计标准》GB /T50033—2001。标准中规定了对工业和民用建筑天然采光的数量和质量要求以及简易计算方法，但经过中国建筑科学研究院建筑物理研究所的调查和访谈，发现该方法并未在中国的大量建筑设计实践中得到认真执行。

　　2 以采光系数为基础的计算、评估方法综述

　　自20 世纪70 年代制定的《工业企业采光设计标准》至2001 年版的《建筑设计采光标准》，采光系数一直被作为评定采光数量和质量的核心参数。采光系数的概念建立在典型天空模型基础上，虽然有一定的局限性，但能便捷易懂的表达建筑采光设计中的普遍问题，从1907 年提出以来，至今发挥着不可替代的作用。

　　我国地域广阔，气候类型复杂多样，2003 年以来提出的基于动态气象参数模型( CBDM) 的评价体系较之采光系数评估方法更为准确，但对于我国全国范围的采光设计标准而言，该方法尚不成熟( 英美国家新标准中也未能真正应用) 。目前在国际上，以采光系数为基础参数的评定方法依然最为通行，在近几年中也有了很多改进，主要集中在平均采光系数的研究上。

　　2. 1 流明法

　　流明法是一种针对室内自然光照度的简化预估方法。对于侧窗采光来说，可以用简化的“五点法”对室内不同进深位置的照度水平进行预测。标准的简化模型规定了通常情况下的室内反射比，屋顶为70%，墙面为50%，地面为30%。室内五点的位置分别为0. 1D、0. 3D、0. 5D、0. 7D 和0. 9D，其中D 为房间进深。计算公式如下:

　　其中Ei代表参考点上的照度值，Exv为室外垂直照度，τ 为侧窗玻璃的透射比，CU 为该房间的利用系数( 通过查表求得) 。该方法最为重要的参数是利用系数CU，是基于大量实际测量的经验总结。通过查表，并确定某点所对应的利用系数，可以代入公式直接计算出该点的照度值。利用系数的引入包含了进深/窗高、窗宽/窗高以及测量点的位置等几何信息，可以有效反映出空间几何尺寸对采光系数的影响。但此种方法计算起来略为繁琐，对于室外垂直照度Exv的确定较为复杂，在建筑设计阶段很难利用这种方法进行采光预估。

　　2. 2 采光系数法

　　采光系数法是在天空亮度分布已知的前提条件下，对室内空间水平工作面上的任意一点进行采光系数估算的方法。该方法排除了阳光直射的情况，通常使用CIE 标准全阴天空模型，适用于全阴天气较为普遍的地区。该方法认定在室内空间水平工作面上任意一点的照度值由三种因素决定，分别为天空分量( SC) ，室外反射分量( ERC) 和室内反射分量( IRC) 。其中天空分量指某点直接受天空作用所得的采光系数分量，室外反射分量和室内反射分量分别指室外、室内环境反射作用于该点的采光系数分量。该点最终的采光系数值由这三个分量相加而得( 图1) :

　　DF = SC + ERC + IRC ( 2)

　　　　对这三种采光系数分量的确定过程同样较为繁琐，需要确定待估空间的基本比例关系和待估点的位置等几何信息，其中最为核心的环节是天空分量的确定，在此不一一赘述。这种方法建立在全阴天模型的基础上，可以在设计阶段对室内工作平面的某一点采光系数进行预估，缺点是不够精确，不易反映室内空间的整体采光水平。

　　2. 3 近似平均采光系数计算公式的提出及理论研究

　　针对室内工作面上特定参考点的计算方法对于总结采光系数在平面上的变化规律有着重要意义，也是平均采光系数的计算公式得以成形的经验基础。近年来的国际采光设计标准，都将平均采光系数作为评定室内采光数量与质量的重要参数。英国的设计标准BS 8206 第二部分描述道: 在通常照明要求条件下，如果没有人工照明，室内平均采光系数不应小于5%，如果有人工照明补充，平均采光系数不应小于2%。北美照明工程学会( IESNA) 所制定的《北美照明手册第9 版》建议: 室内空间的平均采光系数大于等于5%的时候可以达到采光良好的要求，如果低于2%，室内空间将显得灰暗且照明不足。

　　在上世纪70 年代，国外学者在大量现场测量和模型实验数据的整理基础上提出了平均采光系数的计算公式。1979 年，Lynes 针对矩形侧窗采光空间的平均采光系数提出了如下计算表达式:

　　其中ADF 为平均采光系数，Ag为窗户净表面面积，At为包括窗户在内的室内总表面面积，τ 为玻璃透射比，θ 为天空遮挡角，ρ 为室内表面平均反射系数。天空遮挡角θ 的确定方法如图2 所示，当室外无遮挡时θ 值为90:

　　　　而言的，不是工作面上的平均采光系数。提出衡量室外遮挡因素的天空遮挡角参数，是该表达式的一个重要意义。在随后的研究过程中，有关平均采光系数的公式出现了多个修正版本。

　　1984 年Crisp 和Littlefair 对Lynes 的公式进行了修正。通过人工天空下的模型实验，他们发现Lynes公式低估了模型空间内平均采光系数的实际情况。基于新的研究数据，将Lynes 的公式修正为:

　　这个公式的计算结果同模型实验中的测量值更加吻合，并最终在北美照明工程学会( IESNA) 和其他很多版本的规范中得到肯定和应用。哈佛大学的CF Reinhart 在他近期的研究论文中

　　展示了利用计算机模拟工具Radiance 对上述两种平均采光系数表达式的验证评估。验证结果如图3所示。

　　　　右图为修正公式求值和Radiance 模拟值的比较结果，左图为Lynes 原始公式和模拟值的比较结果;后者的吻合度可以归纳为函数y = 1. 1323x，前者的吻合度可以用函数y = 0. 813x 表示。该比较分析表明修正后的公式更接近于Radiance 模拟计算结果。

　　2. 4 C. F. Reinhart 等人提出的采光四步骤计算法

　　C. F. Reinhart 等人提出并验证了侧窗采光空间的天然光设计步骤。因该设计步骤以采光系数作为

　　判定参数，故适用于以接收漫射天光为主的空间，并需要补充关于直射日光的眩光分析与能耗分析，该方法适用于早期的设计过程。该设计流程经由2300 个侧窗采光空间的Radiance 模拟得以验证，步骤如下: ( 1) 确定预估目标基本状况; ( 2) 天然光可行性验证; ( 3) 设定房间比例和表面反射比;( 4) 基于Lynes 采光系数公式精确评估开窗区域。