寒地城市住區天然光獲得量數值分析：靜態模型

陸 明，杜江濤

(1.哈爾濱工業大學建筑學院，黑龍江 哈爾濱 150006；2.英國利物浦約翰莫爾斯大學建筑環境學院，利物浦 L3 3AF)

寒地城市住區天然光獲得量數值分析：靜態模型

陸 明1，杜江濤2

(1.哈爾濱工業大學建筑學院，黑龍江 哈爾濱 150006；2.英國利物浦約翰莫爾斯大學建筑環境學院，利物浦 L3 3AF)

本文以寒地城市多層住區為研究對象，選取了三種典型平面布局形式，采用了新型的數值模擬技術對建筑南立面中心位置各層的日照時間和采光系數進行了計算，在此基礎上分析和評價了各種布局形式的天然光獲得量情況。結果表明，不同的建筑布局對天然光的利用存在較大的影響，應該在城市規劃和建筑設計的最初階段給予充分的關注。

寒地城市；天然光獲得量；居住區；靜態模型；數值模擬

引言

天然光(包括直射日光和漫射天空光)獲得量(Daylight availability)是衡量一個城市環境是否和諧和可持續的重要標準之一[1]。不僅僅在于天然光可以促進建筑中的能源有效利用，而且在于它能夠改善人的工作效率并且有利于人們的身心健康[2]。

目前，天然光研究多側重于室內空間和單體建筑，然而，隨著城市化的快速發展及建筑密度的不斷加大，建筑之間的相互遮擋問題日益嚴重，因此從室外環境、建筑群體或較大尺度城市區域的角度來分析和研究天然光則更具現實意義[3]。一項研究指出：建筑外立面采光窗中心的垂直入射天然光量跟室內水平工作量面平均接受到的天然光量存在一個線性關系，線性常數由采光窗和室內空間的形狀和反射面決定[4]。因此，只要確定了建筑外立面上的天然光垂直照度或者采光系數，就能很容易的據此來估算室內最終的天然光獲得量。一項早期的研究提出了在幾個典型歐洲城市中采用建筑遮擋限制角(obstruction angle)和與之聯系的立面上最小的采光系數天空分量(vertical sky component)[3]。此外，一些香港的研究也相繼探索了在高密度的城市環境里如何有效控制天然光獲得量的實踐方法和理論公式[5-7]。

在上述研究的基礎上，本文對我國寒地城市多層住區中的典型建筑布局的天然光獲得量進行了數值分析和模擬，根據獲得的結果提出了在最初設計階段用于指導城市規劃和建筑設計的一些設計策略。

1 建筑布局和寒地城市

本文以典型寒地城市哈爾濱(北緯45.8°)為例，選取了三種典型的城市住區布局模型進行分析。圖1為各模型的住宅布局平面形式及其單體建筑的平面形式和尺寸，建筑均為六層多層住宅，高度均為18.0 m，主體建筑朝向均為南北朝向。

圖1 寒地城市住區建筑布局模型Fig.1 Building layouts of redidential area in cold city

三種建筑布局是在符合我國城市居住區規劃設計規范[8]及哈爾濱城鄉規劃管理條例的情況下，最大限度的滿足土地利用要求的高密度布局形式，也是天然光環境較為不利的布局形態。其中模型1是行列式布局，建筑南北向間距為32.4 m，建筑山墻間距為6.0 m，單體建筑的尺寸為：L1=13.0 m，L2=45.0 m。模型2是U形圍合式布局，建筑南北向及東西向的間距均為32.4 m，單體建筑的尺寸為：L1=13.0 m，L2=29.4 m，L3=72.0 m，L4=16.4 m。模型3是Z形圍合式布局，建筑南北向及東西向的間距均為32.4 m，單體建筑的尺寸為：L1=13.0 m，L2=30.4 m，L3=63.0 m，L4=17.4 m。

由于我國居住建筑中以南立面為主要日照及采光面，因此本文選取建筑南立面垂直中心線上的六個窗口中心位置為計算點，它們距離地面的高度分別為：2.1 m (一層)，4.9 m (二層)，7.7 m (三層)，10.5 m (四層)，13.3 m (五層)，16.1 m (六層)。通過數值模擬將獲得這些位置點的天然光獲得量(日照和采光)。

根據城市居住區規劃設計規范[8]和建筑氣候區劃標準[9]，中國東北的大部分地區屬于第Ⅰ建筑氣候區，以冬季漫長嚴寒和夏季短促涼爽為主要特征，因而充足的日照和采光對于這些地區顯得尤為重要，本文將針對上述三種住區布局形式進行天然光獲得狀況的分析。

2 靜態模擬方法

本文采用兩種基本的參數來衡量建筑南立面上天然光獲得量：日照時間(Sunlight time)和采光系數(Daylight factor)。日照時間可以間接反映獲得直射日光的情況, 而采光系數則用來確定全陰天下建筑立面上可能獲得的漫射天空光照量。這兩種參數結合來分析天然光的方法可被稱為靜態模型，因為這種分析方法基于相對簡單的靜態要素(如：空間位置，材料反射率)，雖然與城市的地理特征(緯度)有聯系，但與動態變化的地域氣候特征(如：溫濕度、太陽輻射量等)的關系不大[1]。

2.1 日照分析

日照分析采用建筑環境模擬工具Autodesk Ecotect Analysis 2011[10]來進行。通過該模擬工具中一個相對獨立的太陽輻射分析子工具模塊“Solar Access Analysis”,各建筑南立面中心不同位置的遮陽率(Percentage of shading)，可見天空因數 (Visual sky factor)和日照時間 (Sunlight time)被一次性計算出來。在本研究中，重點關注日照時間的模擬和計算。針對寒地城市氣候特點和哈爾濱的城市規模[8]，日照時間按照三種不同的時間段來進行分析和評價：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)。為了把可能的日照獲得量分析出來，每天的計算時間跨度為0:00—24:00。為了跟采光分析對應，計算位置為前面確定的南立面垂直中心線上各層窗口中心。

2.2 采光分析

采光分析采用反光線追蹤模擬工具Radiance(Linux版本)來進行CIE標準全陰天下的采光系數計算。計算位置同樣為南立面垂直中心線上各層窗口中心，法線方向垂直于窗口平面向外。因此，這個計算值可被稱為垂直采光系數，它的組成可由下列公式來表達：

(1)

式中，VDF為垂直采光系數 (Vertical daylight factor)；VSC為垂直采光系數天空分量 (Vertical sky component)；VRC為垂直采光系數反射分量 (Vertical reflected component)。

本文對計算位置的VDF及其VSC分別進行了分析和討論，以明確不同環境因素的影響。

在實施最終模擬前，先利用了試驗模型對Radiance中的反光線追蹤模塊Rtrace進行了收斂分析，從而為整個研究確定了合適的主要環境參數(ambient parameters)[11](表1)。參數的設定值相對較大，確保了整個模擬的精度。

表1 用于 Rtrace計算的環境參數

根據采光計算的基本要求和建議[1]，對于漫射天空光的模擬過程，采用兩種基本反射率：建筑立面(0.4)和地面(0.2)。為了重點比較建筑布局的不同，本研究中建筑和室外地面均按照漫反射面材料來考慮。

3 天然光獲得量分析

3.1 日照時間

本節分析了三個不同時段內的日照時間分布，以此反映出建筑南立面上直射日光獲得量的情況。圖2為三個不同布局模型中年累計日照時數沿南立面各層模擬位置點的變化趨勢。

圖2 模型南立面各層模擬點的年累積日照時數變化趨勢Fig.2 Cumulative annual sunlight hours along south centre fa?ade in models

(2)

式中，ST1、ST2、ST3分別為模型1、2和3的日照時數。

分析結果表明，在建筑底層，模型2的差別率為38.2%，而模型3的差別率為12.4%。在中間層(3層)，這兩個比率變為24.9%和6.6%。然而，在建筑頂層，這兩個比率則縮小為4.6%和0.7%。同時，模型3和模型1的日照時數差別小于模型2和模型1之間的差別。總體來看，各模型中日照時數隨高度的變化呈現出一種冪函數變化的趨勢，通過回歸分析，得出三個模型的經驗公式：

(3)

(4)

(5)

式中，ST——模型1、2和3中的日照時數；h——南立面各層模擬點距離地面的高度。

從上面的分析中可以看出，從底層到頂層日照時數變化梯度最小的是模型1，中間程度的是模型3；變化最劇烈的是模型2，底層的時數遠遠小于頂層的時數(約為頂層的50%)。這些經驗公式可在初步設計階段估算不同位置的日照時數。

對于哈爾濱這樣典型的寒地城市來說，冬季能夠獲得盡可能多的日照量是非常重要的。圖3為三個不同布局模型中冬季累計日照時數沿南立面中心各層的變化趨勢。

同樣地，隨著窗口位置的不斷提升，冬季三個月的累計日照時數不斷增加，增加的趨勢依然遵循著冪函數的形式。總體上，模型1在各層冬季的日照量依然是最大的。而其它兩個模型的變化趨勢與全年日照量(圖2)相比略有不同：在建筑4層以下時，模型3的冬季日照量大于模型2；在建筑4層及4層以上時，兩個模型的冬季日照量差別不大。根據哈爾濱地區的氣象數據[12]和Ecotect的總日照量估算，冬季無遮擋情況下的理想日照時數大約為720小時。因此，模型1、2、3在底層的實際日照時數分別約為無遮擋理想日照時數的25%、16%和20%。這三個比率在中間層則變為70%、55%和65%。到了頂層，三個模型的日照時數趨同，三個比率分別為97%、93%和96%。從中可以看出，在冬季的時候，模型2底層的日照量不甚理想。

結果顯示，三個小組的留學生語用能力都不高，只有中級語言能力的學生，語用能力的平均分略高于其他兩組的學生，但是三個小組之間并不存在語用能力的顯著差異。問卷最低分雖然出現在第一組中，但最高分卻沒有出現在第三組中。這說明，隨著語言能力的提高，留學生的語用能力并沒有相應地提高。留學生漢語語言能力的發展，不能保證其語用能力的必然發展。即使到了高級階段，留學生的語用能力仍處于一個較低的水平。

根據我國城市居住區規劃設計規范[8]，哈爾濱的居住建筑在大寒日底層滿窗照日照時數不應低于2小時。因此，本文選用了大寒日(1月20日)作為一個典型日來進行日照分析。圖4為三個不同布局模型中大寒日日照時數沿南立面各層的變化趨勢。從該圖可以清楚的發現，所有模型的底層窗口中心的日照時數都小于2小時。在模型2和模型3中，底層窗口甚至沒有任何日照量。整體來說，模型2南立面三層以下的日照時數小于模型1和模型3。模型1中四層以上的立面幾乎整個白天都能接受到日照。除了頂層外，模型2在任何位置處的日照時數都會比模型1減少一個小時。然而，模型3的日照時數在三層以下高于模型2,但在三層以上卻等于或低于模型2。

圖4 模型南立面各層模擬點的大寒日日照時數變化趨勢Fig.4 Sunlight times on Dahan (January 20) along south centre fa?ade in models

從日照分析來看，行列式的布局相對有利于主要立面獲得直射日光光照；U形的布局則存在較大的遮擋，對于南立面的下半部分遮擋尤為顯著。Z布局獲得直射日照的可能性則介于以上兩種布局之間。有趣的是，上述結果對應了各布局模型中東西向的建筑存在的狀況：行列式布局每個南立面對面沒有東西向的建筑，U形布局對面存在兩個東西向建筑，而Z布局只有一個東西向建筑。

3.2 采光系數

本節分析了在CIE全陰天條件下，三個模型南立面中心區域上的采光系數分布狀況。

圖5表明了南立面中心垂直方向上每層窗口中心的采光系數變化趨勢。同3.1節的日變化趨勢類似，對于這三個模型來說，模型1南立面上的各個位置取得了最大垂直采光系數，表明了其建筑內部空間存在著天然光利用的最大可能性。在漫射天空光存在的情況下，模型2與模型3的垂直采光系數值基本接近。只有在底層時，模型3的垂直采光系數比模型2略大一些(絕對差值約為0.9)。整體上，模型2和模型3的采光系數與模型1的采光系數之間的差距會隨著窗口位置的升高而逐漸變小。

圖5 模型南立面各層模擬點的垂直采光系數變化趨勢Fig.5 Vertical daylight factors along south centre fa?ade in models

以模型1的采光系數為參照，模型2或者模型3的相對采光系數差別率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數。

計算結果顯示，在建筑底層，模型2和模型3的RDF分別為10%和7%。在中間層(3層)RDF減少為5%和4.6%。而在建筑最頂層，差別率達到了最小(1%和0.8%)，三個模型的垂直天空漫射光照量基本一致。各模型中采光系數隨高度的變化呈現出線性函數或者指數函數的形式。一項采光理論研究[4]支持了指數變化的趨勢。因此，通過回歸分析得出最后的經驗公式為：

(7)

(8)

(9)

式中，DF——模型1、2和3的垂直采光系數；h——南立面中心計算點距離地面的高度。

在規劃和設計階段，這些公式可用來幫助估算正立面上采光系數。

根據公式(1)，采光系數由天空分量和反射分量組成。在城市環境中，作為直接接受到的部分，天空分量是立面上漫射光照量最主要的組成部分[3]。圖6表明了模型南立面中心各層垂直采光系數天空分量的變化狀況。

圖6 模型南立面各層模擬點的垂直采光系數天空分量變化趨勢Fig.6 Vertical sky components along south centre fa?ade in models

從圖6中可以看出，采光系數天空分量隨不同高度的變化趨勢與圖5中采光系數的變化趨勢非常類似，唯一的區別在于絕對值的差距。在CIE全陰天下，無遮擋的垂直面的采光系數天空分量(unobstructed sky component)為0.4[4]。另外，一項研究[3]建議了不同緯度地區的建筑立面上應該滿足的基本垂直天空分量。根據哈爾濱所處的地理緯度，南北朝向的建筑立面上應該滿足的垂直天空分量不應該小于0.24。在三個模型中，南立面三層和三層以上窗口的垂直天空分量都大于或者等于0.3。這充分說明了在這些位置上可以獲得充足的直接天空漫射光照。模型1中建筑最下面兩層窗口的天空分量雖然低于0.3，卻依然高于0.25。在模型2和模型3的底層，天空分量值比較低，但也保持在0.24附近。由此可見，三個建筑布局的南立面中心各窗口均可以取得50%以上的無遮擋垂直面天空分量(0.24/0.4=0.6)，確保了建筑內部空間可以較好的利用天然光。

從采光分析來看，行列式的布局同樣有利于主要立面上的獲得足夠的漫射天空光光照；Z形和U形布局的天然光利用的可能性類似，相對于行列式布局它們都存在較大的對天空的遮擋，尤其是對于南立面的下半部分遮擋更為嚴重。

4 結語

本文利用數值模擬工具對三種不同的居住建筑布局進行了天然光獲得量(日照時間和采光系數)靜態分析，最終得出以下結果和策略用于指導寒地城市多層居住區在設計初級階段的規劃設計：

1)就直射日光獲得量而言，南北朝向的規劃區布局中以行列式布局為最佳，可優先選擇，Z形次之，U形建筑布局則較差。

2)在全陰天情況下的天空光利用方面，三種布局都可以滿足基本的需求。當考慮最大可能利用天然光時，行列式依然為最好的選擇。Z形和U形建筑布局沒有太大的差別，可根據具體需要來選用。

3)日光獲得量可采用日照時間來間接反映。三種布局中，單體建筑南立面中心區域的日照時間(y)隨立面高度(x)呈現出冪函數變化(y=axb,a、b為常數)趨勢。

4)天空光獲得量可采用采光系數來直接反映。三種布局中，單體建筑南立面中心區域的采光系數(y)隨立面高度(x)呈現出指數函數變化(y=aebx,a、b為常數)趨勢。

從以上結論中可以看出，這種靜態模型可以得到較為初步的有關天然光獲得情況的分析。在進一步的研究中，一種更為復雜的動態模型將被引入，他能將天然光獲得量與地域性氣候因素聯系起來，從而獲得更為符合實際情況的結論。

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[9] 建筑氣候區劃標準:GB 50178—93[S].

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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

住房和城鄉建設部科學計劃項目——基于太陽能高效利用的寒地住區規劃適用技術研究(項目號：2016-K1-011)

TK513.5

A

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