某學校項目自然采光模擬優化分析

霍少峰，李美霞 （.中廣核核電運營有限公司，廣東 深圳 584；.深圳市建筑設計研究總院有限公司，廣東 深圳 5803）

本項目位于廣東省深圳市，處于IV類光氣候區，項目總用地面積為 24 156.17 m2，總建筑面積為 31 234 m2。項目共分為 A、B、C 3 個區，其中辦公及教學用房(C 區)設有 1 層地下室，地下室面積為 4 290 m2。

1　評價標準和依據

評價自然采光效果好壞的主要技術指標為：采光系數、室內天然光照度，特定情況下還需要對采光均勻度、不舒適眩光等采光質量進行控制。常規情況下，對于側窗采光，需要考察建筑室內采光系數，天窗采光需要考察建筑室內采光系數、采光均勻度。

根據 GB 50033—2013《建筑采光設計標準》及 GB 50378—2014《綠色建筑評價標準》的相關要求，本報告采用“采光系數”作為評價指標對建筑室內的光環境進行評估。

本項目為教育建筑，根據 GB 50033—2013 第 4.0.5條的規定，各場所采光系數標準值需滿足表1 的要求。

表1　本項目采光標準值

GB/T 50378—2014 第 8.2.6 條(得分項)對室內采光得分的最低要求為：主要功能房間采光系數滿足現行國家標準 GB 50033—2013 要求的面積比例大于等于 60%，每增加 5%，得分增加1分，最高得 8 分。

GB/T 50378—2014 第 8.2.7 條(得分項)對地下室采光提出了如下要求：地下空間平均采光系數≥ 0.5% 的面積與首層地下室面積的比例≥ 5% 時得 1 分，每增加 5% 增加 1 分，最高得 4 分。

2　技術路線

本項目采用首先通過 Ecotect 建模及劃分網格，然后導入 Radiance 進行計算，最后將計算結果導回 Ecotect的方法對室內自然采光效果進行分析。Ecotect 是一個全面的技術性能分析輔助設計軟件，可以進行太陽輻射、熱、光學、聲學、建筑投資等綜合技術分析。

Radiance 是由勞倫斯伯克利國家實驗室開發的采光軟件，采用了蒙特卡洛算法優化的反向光線追蹤算法，相對于光能傳遞算法來說光線追蹤更適合于精確的建筑采光分析。國際上采光分析論文基本都采用 Radiance 進行模擬，該軟件分析計算的結果受到廣泛認可。

3　模擬結果

3.1　參數設計

本報告模擬計算時忽略室內家具等設施的影響，其他構造均根據設計圖紙建立。在模擬過程中需要考慮圍護結構壁面的反射比、光導管可見光透射比等參數。

根據 GB 50033—2013 的要求，在距地板 0.75 m 高度處設置參考面。綜合考慮模型尺寸及精度要求，以 0.5 m為間隔劃分水平網格。

模擬采用 CIE 全陰天模型，按照最不利條件計算采光系數，不考慮直射陽光的影響。根據 GB 50033—2013 附錄 D 采光計算參數，本項目地下室圍護結構面層材料的光學性能參數取值如表1 所示。

表1　材料的光學性能

由于各地光氣候資源條件存在差異，不同地區相同建筑類型建筑采光系數要求各不相同。根據 GB 50033—2013規定，采光系數標準值應乘以相應地區的光氣候系數 K，不同地區光氣候系數如表2 所示。

表2　光氣候系數K值

根據 GB 50033—2013 附錄 A，深圳市位于 Ⅳ 類光氣候區，其光氣候系數 K=1.1。

3.2　模擬模型

根據項目施工圖設計階段圖紙進行全尺寸建模，模型尺寸與設計建筑完全相符。本項目共分為 A、B、C 三個區，每個區各層平面基本相同，因此可在每個區分別選取一層為代表作為標準層進行分析。本次分析取各層的第三層為標準層(圖1)。

圖1　模型計算分區

3.3　地上部分模擬結果

根據 GB 50033—2013 的要求，工業建筑取距地面1 m，民用建筑取距地面 0.75 m，公用場所取地面作為參考平面。本次室內自然采光模擬計算，參考平面為距樓面0.75 m 水平面。將各層主要功能房間根據所需的采光等級進行分類，分為如下兩種類型：

Ⅲ級房間：專用教室、實驗室、階梯教室、教師辦公室，其平均采光系數應不低于 3.3%。

Ⅴ級房間：走道、樓梯間、衛生間，其平均采光系數應不低于 1.1%。

通過對各層模擬結果進行統計，可得各層自然采光達標情況如表3 所示：

表3　主要功能房間采光效果統計表

3.4　地下部分優化策略

本項目地下一層為停車、設備用房，由于無法設置采光井及下沉式廣場，無法滿足自然采光的要求。根據項目的特點，提出采用導光管系統的方式改善地下車庫等空間的采光。根據項目情況，共加設 17 套 STD530-Y 導光管采光系統改善地下室的自然采光效果。根據廠家提供的資料，STD530-Y 導光管采光系統管壁反光率達到 98%，透光折減系數為 0.73。根據項目施工圖階段圖紙進行全尺寸建模，模型尺寸與設計建筑完全相符。

本項目地下室自然采光計算區域總面積為 3 022 m2，地下室自然采光計算區域采光系數范圍分布如表4 所示：

表4　地下室自然采光計算區域采光系數

由表4 可知，通過光導管系統改善后，本項目地下室自然采光分析區域采光系數≥0.5% 的面積比例為54.18%，故地下室采光系數≥ 0.5% 的面積為：

3 022×54.18%=1 637.32 m2

地下空間平均采光系數≥0.5% 的面積與首層地下室面積的比例為：1 637÷4 290=38.17%

4　結 語

根據以上模擬分析結果可以看出：經過優化后，A、B、C 三個區都達到了較好的自然采光效果，總計達標面積比例達到 68%。地下室雖然無法直接采用自然采光，但通過光導管技術的應用，采光系數達標比例也達到了38.17%。合理地選取優化自然采光的方式，可以有效地改善地上建筑及地下室的采光效果，不僅可以起到節能減排的作用，而且可以提高室內人員的舒適度。