寒地城市居住區天然光獲得量數值分析：動態模型

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.School of Built Environment, Liverpool John Moores University, Liverpool L3 3AF, UK；3.黑龍江省寒地城人居環境科學重點實驗室，黑龍江哈爾濱 150006)

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寒地城市居住區天然光獲得量數值分析：動態模型

陸 明1，3，杜江濤2

(1.哈爾濱工業大學建筑學院, 黑龍江哈爾濱 150006；2.School of Built Environment, Liverpool John Moores University, Liverpool L3 3AF, UK；3.黑龍江省寒地城人居環境科學重點實驗室，黑龍江哈爾濱 150006)

為研究寒地城市住區布局形式對天然光獲得量的影響，以寒地表城市多層住區為研究對象，選取了三種典型平面布局形式，采用了基于地域氣候數據的新型模擬技術對建筑南立面中心各層窗口位置的垂直照度值(月平均和典型日)進行了計算，在此基礎上動態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，動態模型相對于靜態更為貼合實際的氣象變化狀況。不同的建筑布局和時間段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；動態模型；數值模擬；天然光；建筑設計

引言

我們在文獻[1]中，將由采光系數(Daylight Factor)和日照時間(Sunlight Time)確定的靜態模型用于分析住區的天然光獲得量情況。這種傳統的分析方法具有簡便快速的特點，也易于為建筑師和城市規劃師所接受。可是，這種模型依然存在著一定的局限性，具體表現在：①對于天然光強度分析來講，只探討了最不利條件下(全陰天)的情況，缺乏對晴天空或者中間天空等其它氣候條件的分析。對于陰天空占主導的地區(如四川)和時段(雨季)具有較大的實用性，而對其他天空條件則存在有較大的誤差。②日照分析采用的也是一種的理想狀態下(晴天)的計算方式，也是一種同真實氣候條件(如云量)脫節的分析模型。近年來，國際天然光研究領域提出了一種“基于地域氣候條件的天然光分析模型(CBDM, Climate-based daylight modeling)[2]”。這是一種從地域氣候特點出發來分析和設計天然采光的新型模型，已經被放入英國采光標準BS 8206-2:2008[3]加以認可和推廣。它的主要原理是在地域性的氣象資料的基礎上來設計采光，這些氣象資料包括天空和太陽的輻射度和輻照度、可見光亮度和照度。根據氣象資料(主要是天空亮度分布)，每個時間點都可以獲得一個該時間點的天然光照水平(以絕對照度值來衡量)。利用統計工具綜合分析一整年的數據，就可以真正找出適合當地氣候特點的采光模式。

本文正是利用了這種新型模型，來計算建筑主要立面上隨時間和真實天空條件變化的光照強度(絕對照度值)，從一種更為貼近實際條件的角度來動態分析了寒地城市住區的天然獲得量狀況。

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18.0m，主體建筑朝向均為南北朝向。

三種建筑布局是在依據我國城市居住區規劃設計規范[3]及哈爾濱城鄉規劃管理條例的情況下，最大限度地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)。

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

根據城市居住區規劃設計規范[4]和建筑氣候區劃標準[5]，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，因而充足的天然光照量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數值模擬和分析，以獲得上述位置點的動態照度分布狀況。

2 動態模擬方法

目前，對于動態采光計算和CBDM，主要的工具是以反光線追蹤為基本計算原理的Radiance[6]。基于Radiance內核的CBDM建模軟件主要分為兩類：①直接在Radiance環境下進行計算的工具，如Unix/Linux Radiance軟件包和Windows Ecotect Radiance。這類工具可以直接計算出特定時間的特定位置的采光系數、照度值或者亮度值等，沒有提供更多的后續分析功能。不過，它們可以利用Radiance開放的源代碼直接開發滿足具體要求的計算工具。②在Radiance基礎上開發的新型軟件包，具有多種功能，如Daysim, Diva或者ESP-r里面的天然光計算模塊等。這類工具往往和能量計算模塊或者輻射計算模塊相結合，大大擴展了Radiance基本功能。

本文采用第二類軟件中的Daysim[7-8]來作為基本計算工具。Daysim的動態模型是在Radiance基本算法的基礎上集成了采光因數[9]和Perez天空亮度模型[10]，這種形式大大優化了現有的天然光計算方法。采光因數(Daylight Coefficient)可根據公式(1)得到：

(1)

式中，Lγα為天空單元(高度角γ, 方位角α)的亮度；ΔEγα為來自于天空單元(高度γ, 方位角α)光照的某點的照度；ΔSγα為天空單元的立體角。

因此，可以計算出環境內某參考點來自于某個天空單元光照的照度，即

ΔEγα=DCγαLγαΔSγα

(2)

這樣，參考點的總照度就可以通過累加來自所有天空單元光照的照度值得到。這里，采光因數與建筑的特征(三維尺寸、材料光度和朝向等)密切相關。通過對輸入的具有地域性氣候特征的太陽輻射數據(全局輻射和直接輻射)，Perez天空模型可以實時的計算出某個時間點的天空亮度分布。這個亮度分布同上述采光因數的計算過程相結合，這樣就得到了實時的參考點照度值。

在本文中，所有的平面布局中建筑南立面表面的垂直照度被計算出來，以動態的反映其天然光獲得量。建筑立面的反射率定為0.4(顏色為中性)，地面反射率為0.2(顏色為中性)。建筑模型用CAD工具建模，并轉化為Daysim認可的基本格式文件(如：*.3DS, *.DXF)。按照上節的描述，建筑南立面上六個計算位置的坐標被寫成基本的*.pts文件。模型、坐標文件和哈爾濱標準氣象文件(下載于美國能源局網站[11])一起輸入Daysim做最終的模擬和計算。在進行全年照度分布計算時，選擇一小時為計算時間間隔。因此，每個位置上每天有24個計算數據，每年共有8 760個計算值。

由于采用了Radiance作為計算引擎，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，因此為整個研究確定了合適的主要環境參數(ambient parameters)[6](表1)。參數的設定值相對較為保守，以確保了整個模擬的精度。

表1 用于 Rtrace計算的環境參數Table 1 Ambient parameter settings in Rtrace calculation

3 天然光獲得量分析

根據哈爾濱地區的氣候特點和相關規范[4]，本節分析了12個月平均值和四個典型日(大寒、春分、夏至和秋分)垂直照度分布，據此動態反映出建筑南立面上天然光獲得量的情況。

3.1 月平均垂直照度

考慮到建筑高度不高的實際情況，對于6個計算數據，重點選取了一層、三層和五層的窗口垂直照度來進行分析。

圖2表明了模型1(行列式)布局中建筑南立面這三層窗口位置的月平均數據分布趨勢，時間分別為上午(9點)、中午(12點)和下午(15點)。很顯然，對于每一條曲線來講都有一個統一的大的變化趨勢。無論早晚，早春(3月)和深秋(10月份)是照度變化的峰值，而12月和7月左右則是照度變化的谷值。總體上，夏季谷值(7月)仍遠遠大于冬季谷值(12月或1月)。在這種面南的布局下，各層在中午12點自然取得最高窗口照度值。對于早晨和下午來說，變化趨勢稍稍復雜。1月到3月和8月到10月這兩個時間段早晨9點和下午15點的光照強度基本上等同。但在冬天(11月到2月)、晚春(4月、5月)和夏天(6月到8月)，早晨立面窗口總能接受到比下午略高的光照。在比較寒冷的季節內(大約11月到來年的2月)，上午(9點)中午(12點)下午(15點)每個時間點上頂層的垂直照度大于中間層，中間層的垂直照度則大于低層。其余的大部分時間內這三個位置上的窗面垂直照度基本相差不大。

圖3為模型2(U形)布局中建筑南立面這三層窗口位置的月平均數據分布趨勢，時間分別為上午(9點)、中午(12點)和下午(15點)。同模型1一樣，模型2也具有類似的總體趨勢。兩個峰值分別在3月和10月，而7月和12月為垂直照度變化的谷值。在中午時間(12∶00)，三層窗口的垂直照度在3月至10月這個時期是一致的；而低層窗口垂直照度在冬季(11月至下一年2月)這個時期遠遠低于上面兩層的垂直照度。總體上，上午9點每層的窗口垂直照度要大于對應層在下午3點的照度。這個差別在夏季時期(6月至8月)比較小，其他時期則變的非常明顯，尤其是在冬季。

圖4 模型3南立面三層計算點的月平均窗口垂直面照度變化趨勢 (9∶00，12∶00，15∶00)Fig.4 Monthly-averaged hourly vertical daylight illuminance at south facades of model3 (time: 9∶00，12∶00，15∶00)

圖4為模型3(Z形)布局中建筑南立面這三層窗口位置的月平均數據分布趨勢，時間分別為上午(9點)、中午(12點)和下午(15點)。模型3的各層窗口垂直面照度整體變化趨勢同模型2類似。

圖5 三個模型南立面六層計算點的窗口垂直面照度平均值月變化趨勢 (9∶00，12∶00，15∶00)Fig.5 Monthly average vertical daylight illuminance of six positions at south facades of three models (time: 9∶00，12∶00，15∶00)

此外，三個模型之間的比較仍然需要進行分析和討論。圖5表現出的每個模型南立面上六個窗口垂直面照度值的平均值隨不同的月份進行變化的趨勢。總體上，三個模型南立面上的平均照度值差別不大，尤其是在4月至9月之間。在這段時間內，12點的窗口垂直照度值遠大于上午9點和下午3點的值，而9點的照度值要稍大于下午3點的值。在秋季和冬季這個兩個季節里面(10月至3月)，模型1在12點和9點的垂直照度大于其他兩個模型；模型1和模型3在下午3點的照度值保持一致，兩者都大于模型2的照度值。

總之，按照月平均窗口垂直面照度的在一年內的變化，3月和10月在各個模型中均是是天然獲得量最強的時期，而12月則是最弱的時期。12月至3月之間，天然光強度從最低達到峰值；而后逐漸下降，至7月達到最低；而后又升高，到10月變為峰值，過了這個時期又開始下降。模型1相對其它兩個模型來說，南立面上的天然光獲得量相對較多，也說明了這個建筑布局對天空的遮擋相對要小。

3.2 典型日垂直照度

除了月平均值之外，本文還選擇了四個不同季節的典型日(大寒：1月20日；春分：3月20日；夏至：6月21日；秋分：9月23日)來進行三個模型中窗口垂直面照度分析(圖6)。根據城市居住區規劃規范，本節內主要分析底層窗口的垂直照度值。

圖6 三個模型南立面底層窗口垂直面照度值(從7∶00到17∶00)Fig.6 Vertical daylight illuminance of ground floor at south facades in three models (time: from 7∶00 to 17∶00)

從圖6中開始看出，三個模型底層窗口的垂直照度在春分、夏至和秋分中均存在一個總趨勢：大約中午12點的時間這個照度值達到峰值。對于大寒日來說，這個窗口照度值的變化比較復雜：從上午10點到下午2點，三個模型底層窗口基本上沒有大的照度值變化；模型1總體上比其余兩個模型的接受到的天然光照量要大；過了下午2點，模型2的照度值保持最低，而模型1和模型3的值變為一致。春分和秋分兩個典型日里面，模型1的照度值在上午和下午均比模型2和模型3的照度值要大，尤其是對于秋分的時間來說。在夏至日，三個模型的底層窗口垂直照度總體變化趨勢保持一致，模型1的絕對照度值要大于其它兩個模型。以中午12點為例來進行比較，冬季大寒日的照度值是最低的，而秋分和春分的照度值相對較高，夏至則在中間(以模型1為例，秋分、春分和夏至的照度值分別約為大寒日值的560%、425%和167%)。

按照四個典型日的分析來說，模型1仍是天然光獲得量最佳的布局形式。相對于春秋夏，冬季的天然光獲得量依然應該被重點考慮。

4 結語

本文利用動態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(一年周期內窗口垂直照度值)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)從天然光獲得量角度來說，動態變化的窗口垂直面照度分析相對于靜態的采光系數和日照時間來說，更為合理和實際的反映出天然光獲得情況，從而可以為進一步的建筑室內天然光利用和節能提供依據。

2)從月平均和典型日的窗口照度值來講，布局1具有最大利用天然光的可能，行列式在動態分析下依然為最好的選擇。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)針對一整年的周期和所有建筑布局，春季(3月)和秋季(10月)是天然光利用最有效的時期。相反，12月是最不利于獲得天然光的時期。雖然室外太陽輻射強度最高，但是夏季7月和8月并不是建筑南立面上獲得天然光最高的時期。

4)冬季相對其他季節來講，是天然光獲得量最低的時期。如果在三個布局的建筑中進行采光口設計的時候，需要重點考慮冬季時段的需求。但是，同時要防止夏季過多的天然光造成的視覺不舒適和環境熱舒適問題。

[1] 陸明，杜江濤. 寒地城市住區天然光獲得量數值分析：靜態模型[J].照明工程學報，2016，27(6)：48-52.

[2] MARDALJEVIC J. Examples of Climate-Based Daylight Modelling//Proceedings of the CIBSE National Conference 2006. London, UK, 2006.

[3] Lighting for buildings-Part 2: Code of practice for daylighting：BS 8206-2:2008[S].

[4] 城市居住區規劃設計規范：GB 50180—93[S].

[5] 建筑氣候區劃標準：GB 50178—93[S].

[6] WARD LG，SHAKESPEARE R. Rendering with Radiance[M]. San Francisco: Morgan Kaufmann Publishers (USA), 1998.

[7] REINHART C，HERKEL S. The simulation of annual daylight illuminace distributions-a state-of-art comparison of six Radiance-based methods [J]. Energy and Buildings, 2000, 32: 167-187.

[8] REINHART C, WALKENHORST O. Validation of dynamic Raidance-based daylight simulations for a test office with external blinds [J]. Energy and Buildings, 2001, (33): 683-697.

[9] TREGENZA P, WATERS M I. Daylight Coefficients. Lighting Research and Technology[J]. 1983, 15(2): 65-71.

[10] PEREZ R, SEALS R, MICHALSKY J. All-weather model for sky luminance distribution—preliminary configuration and validation. Solar Energy, 1993, 50(3): 235-245.

[11] EnergyPlus software weather data. http://apps1.eere.energy.gov/buildings/energyplus/cfm/weather_data.cfm.

Numerical Analysis of Daylight Availability in Residential Areas With Cold Climates: Dynamic Model

LU Ming1，3, DU Jiangtao2

(1.School of Architecture, Harbin Institute of Technology, Harbin, 150006, China;2.School of Built Environment, Liverpool John Moores University, Liverpool L3 3AF, UK;3.Heilongjiang Cold Region Urban-Rural Human Settlements Science Key Laboratory, Habin 150006, China)

To explore hte impacts of residential layout in cold eity on daylight availability, this study investigated the daylight availability (sunlight and skylight) of three various typical building layouts in residential urban areas with cold climates. Vertical daylight illuminance (annual profile and in four typical days) along the centre south facades was calculated by using Daysim, a Radiance-based CBDM tool. A dynamic analysis has been conducted. The achieved results showed there are significant impacts of building layout and various periods 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; dynamic model; numerical simul ation; daylight; building design

住房和城鄉建設部科學計劃項目(2016-K1-011)，黑龍江省科技攻關計劃項目(GZ15A508)，哈爾濱工業大學科研創新基金項目(HIT.NSRIF.201657)

TK513.5

A

10.3969j.issn.1004-440X.2017.03.006