建筑方案的天然采光性能分析方法[1]

　　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。

　　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。软件误差不超过10%，与同类软件相比可获得较高精确度。

　　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) 根据文献，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，本文按4 米考虑。

　　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。

　　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。

　　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。