動態(tài)采光指標分析與側窗采光范圍

邊 宇，袁 磊，冷天翔

(1.亞熱帶建筑科學國家重點實驗室(華南理工大學)，廣州 510640；2.深圳大學 建筑與城市規(guī)劃學院，廣東 深圳 518060)

動態(tài)采光指標分析與側窗采光范圍

邊 宇1，袁 磊2，冷天翔1

(1.亞熱帶建筑科學國家重點實驗室(華南理工大學)，廣州 510640；2.深圳大學 建筑與城市規(guī)劃學院，廣東 深圳 518060)

為指明動態(tài)采光指標的先進性并倡導在建筑采光設計案例中應用動態(tài)指標進行分析，首先，通過理論分析說明在評價天然光表現時動態(tài)采光指標較之靜態(tài)指標(采光系數)更為合理；進而，以廣州的天氣數據為計算條件，基于Daysim動態(tài)采光模擬結果，使用DF/DA/UDI指標針對4種不同立面類型進行了采光效果排序并與基于采光系數的排序結果進行比較，結果說明了動態(tài)采光指標在方案擇優(yōu)方面的優(yōu)越性.此外，分析了不同窗墻比、遮陽懸挑尺寸建筑立面的有效采光范圍與眩光出現概率，相關結果可納為設計指導.研究結果表明：采光系數用于評價建筑采光存在不足，推薦在建筑采光分析中使用動態(tài)采光指標；將DA指標值不低于DA_300 lx[50%]的范圍定義為有效采光區(qū)域，該量值可以較好地反映側窗采光的有效范圍.

動態(tài)采光指標；采光系數；遮陽控制；采光范圍；視覺舒適

采光指標是衡量建筑采光性能的度量衡，選擇合理的采光指標對于指導采光設計、分析照明能耗起著關鍵的作用[1].中國標準(GB50033-2013)《建筑采光設計標準》中使用采光系數(daylight factor, DF)作為衡量建筑物采光能力的指標：通過設定室外臨界照度值并以此為基礎給出了不同的DF標準值對應的不同室內照度水平[2-3]，在諸多采光指標中DF是最廣為接受的指標[4].DF是在天空漫射光條件下定義的靜態(tài)采光指標，量值僅與建筑空間形態(tài)、開窗的幾何尺寸以及建筑內外表面材料的光學性能相關[5]，未能反應地域性光氣候特征、立面朝向以及動態(tài)遮陽(涉及使用者行為)等因素，而這些因素對于室內的天然光環(huán)境有著顯著的影響，使用DF評價建筑采光表現不免得出采光口越大越好的結論[6].伴隨著CBDM理論的發(fā)展若干動態(tài)采光指標被提出并逐漸采用，其中具有代表性的為文獻[1]改進后提出的“自主采光閾”(daylight autonomy, DA)以及Nabil等[7]提出的“有效采光度”(useful daylit illuminance, UDI)等.

本文以廣州為研究對象，使用基于Radiance的Daysim程序針對建筑立面的動態(tài)采光表現進行研究，在分析時考慮了遮陽控制對室內天然光環(huán)境的影響，說明了通過動態(tài)采光指標評價建筑采光表現較之靜態(tài)指標更為合理，通過DF/DA/UDI等指標針對4種不同立面類型分析了側窗采光空間的天然光分布問題，最后給出了基于DA指標的有效采光范圍可作為采光設計指導.

1 動態(tài)天然光環(huán)境

1.1 使用者行為與室內光環(huán)境

太陽方位以及天空亮度分布隨時間連續(xù)變化，當過量的直射光入射工作面時，使用者會選擇關合遮陽百葉(或窗簾等遮陽裝置)以調節(jié)室內光環(huán)境[8]，如圖1(a)所示為太陽光直射入室內時收起百葉的情況：桌面上有強烈的太陽直射光，眩光強烈(DGP=0.23 / DGI=18.61)；圖1(b)所示為當百葉閉合時室內的光環(huán)境，由于百葉閉合桌面直射光消失、室內變暗、眩光減弱(DGP=0.06/DGI=11.68)，眩光程度處于可接受區(qū)間[9-10].由此可知，使用者行為(遮陽的控制操作及其他)的目的是為了實現視覺舒適的室內光環(huán)境，因此使用者行為與房間照明能耗的相關性強[11]，考慮使用者行為的室內光環(huán)境分析更為切合實際情況.國內外學者[12-13]以視覺舒適為出發(fā)研究了房間的遮陽控制問題，動態(tài)遮陽可以在年周期上實現舒適的動態(tài)采光效果.對于考慮動態(tài)遮陽的室內天然光環(huán)境則需使用動態(tài)采光指標進行定量研究.

圖1 手動控制遮陽百葉對室內天然光環(huán)境的影響

1.2 動態(tài)采光評價指標

動態(tài)采光指標通過在年周期上統(tǒng)計天然光照度出現的概率以評價采光表現.以DA為例，其意義為室內某點在年周期內(每日取值時段為8:00-18:00)照度高于某值的概率，既DA_300 lx意為某位置年周期內照度值超過300 lx的出現概率[1].

將動態(tài)遮陽視作影響因素之一時，使用者行為則對室內的采光表現有直接的影響，根據上述研究成果：認定計算模型中工作面上太陽直射光輻照度值大于50 W/m2時則動態(tài)遮陽設施動作以遮蔽太陽直射光[14].本文采用的模擬算法為分別模擬遮陽完全打開/半打開/全關閉3種情況下的室內照度分布，并依據上述臨界條件將3組數據“拼合”為年周期上的天然光分布數值，這種模擬方式考慮了使用者行為對眩光的干預，使得室內天然光環(huán)境的模擬更符合實際使用中的情況.在此基礎上通過年周期上室內天然光照度的統(tǒng)計得出DA或UDI等數值則更可以準確評價室內天然光環(huán)境的優(yōu)劣，有助于開展建筑節(jié)能方面的研究.

2 采光指標的分析比較

2.1 研究模型

本文選定某側窗采光房間作為參考房間，以此房間為基本模型比較研究不同開窗方式的采光表現，參考房間如圖2中所示：房間進深7.64 m，僅開有兩扇單側窗，窗上沿距地面2.5 m，下沿距地面0.8 m，房間內各表面反射率及窗玻璃透射率見表1.參考房間中測量點距地面0.8 m，間距1.0 m共3排，近處取值點進深2.0 m，遠處取值點進深6.0 m(如圖2所示).

圖2 參考空間視圖

名稱墻面屋頂地板采光窗玻璃懸挑遮陽反光板半透明簾光學特性反射率ρ=0．80反射率ρ=0．80反射率ρ=0．30透射率τ=0．55反射率ρ=0．75反射率ρ=0．85透射率τ=0．20

如圖3中所示，4種具有相同遮陽效果的立面形式作為研究對象，4個立面均朝南向，其中：A為參考立面，開窗部分通高安裝百葉；B為安裝了懸挑遮陽的立面，窗下半段安裝百葉；C為在側窗上沿外側安裝遮陽板，中段內側安裝反光板，窗下半段安裝百葉；D為在側窗上半段安裝了半透明遮陽簾，下半段安裝遮陽百葉.

圖3 4種立面形式

2.2 模擬程序驗證

Daysim是國際學術界認可的采光模擬計算程序，眾多學者[15-16]通過比較研究分別證實了其準確程度.為了進一步驗證該程序模擬結果在廣州地區(qū)的準確程度，課題組成員比較了天然光照度實測值與軟件模擬值.一方面，選定某模型房間沿進深方向對天然光照度進行連續(xù)測量(如圖4所示)；另一方面，采用Daysim程序加載廣州市天氣文件(CSWD源)在年周期上以10 min為步長針對模型房間的計算機模型進行天然光照度模擬.

Daysim程序中Radiance計算關鍵配置參數如下：ab/ad/as/ar/aa/lr/st/sj/lw/dj/ds/dr/dp等的取值為5/1 000/20/300/0.1/6/0.15/1/0.004/0/0.2/2/512.通過對比模型房間內兩年間實測的DA分布數值以及模擬值得知平均誤差控制在15%以內，該誤差水平介于可接受范圍.在進一步的研究中課題組計劃通過儀器觀測獲得照度/輻照度數據以校正廣州地區(qū)天氣文件，以期進一步提高程序模擬的準確程度.

存在太陽直射光照射的環(huán)境下，無遮陽措施的側窗并不能在全年時段內均有良好的采光表現，當有較為強烈的太陽直射光入射桌面或室內局部過亮等情況出現時需要使用遮陽措施，而這種情況下諸如DF等靜態(tài)采光指標不能反映遮陽狀態(tài)的變化對室內光環(huán)境的影響，因此有必要采納使用動態(tài)采光指標.

圖4 模型房間內天然光照度測量

2.3 采光指標值分析

在進行不同立面采光效果分析時考慮了遮陽百葉調整帶來的動態(tài)效果，針對DF/DA/UDI等不同指標的模擬結果見表2，根據不同指標的采光性能排序結果見表3.

根據上述結果可知：使用DF指標進行方案擇優(yōu)時4種立面類型采光能力的排序結果為A>C>B>D，該結果說明僅在天空漫射光情況下分析建筑采光問題時采光口面積大且遮擋較少的立面類型占有優(yōu)勢；當使用DA或UDI等動態(tài)采光指標時分析結果的排序為C>D>A>B，該結果與使用DF指標的結果不同，說明當考慮到立面的朝向、遮陽設計、使用者行為控制等因素，則建筑采光設計的評價結果與使用DF指標存在明顯的差異，進一步說明建筑側窗的采光設計并非開窗面積越大越好，在進行采光設計時應該做到具體問題具體分析,充分考慮地域性光氣候特征、建筑場地環(huán)境、立面朝向、固定遮陽、動態(tài)遮陽等因素，以確保室內光環(huán)境在更多的時間內可以達到理想效果.

根據動態(tài)采光指標的定義可知動態(tài)指標可更直觀地反映建筑照明能耗情況，假定某房間內燈具A下方工作面照度低于Ea(Ea=300 lx)則燈A開啟，由此可知燈A下方工作面上有效采光閾DA300 lx的數值與1的差值可認為是燈具A的累計開啟時間，因此相比較于靜態(tài)指標動態(tài)采光指標可以較為準確地反映房間的照明能耗.除此之外，UDI指標還可以反應室內過亮的情況，也正是由于動態(tài)采光分析的發(fā)展使得在年周期內評價天然光眩光成為了可能.

表2 采光指標計算結果

表3 4種立面排序結果

3 有效采光進深

根據上述研究成果，比較DF、照度絕對值(300 lx)以及DA_300 lx[50%]3個指標值，并在廣州地區(qū)連續(xù)測試并進行視覺舒適度的評價得知：工作時段天然光照度高于300 lx的概率超過50%對于辦公以及教育建筑而言可以保證僅依靠天然光進行作業(yè)，本文將符合此情況的區(qū)域視為有效采光范圍，將DA_300 lx[50%]出現的進深位置稱作有效采光進深.這里有效采光進深的定義相比較于某DF數量值(如2%)所在進深位置更為合理，因為DF指標本身僅反應了較少的采光影響因素.

按照不同的朝向、開窗面積、窗玻璃透光率、遮陽設施等因素獲知有效采光進深可用于指導建筑采光設計.除此之外，本部分還基于DGP指標簡要列出了眩光出現的概率.如圖5中所示為窗墻比分別為40%、60%的側窗，窗上沿安裝遮陽板，遮陽板挑出長度與窗高分別呈0/15°/30°，窗玻璃透光率0.55.

針對圖5中立面的參數，在4個方向上使用DA_300 lx[50%]指標計算得出的有效采光進深以及眩光概率結果如圖6所示.圖6中縱坐標代表采光進深，條形圖灰度代表眩光出現情況，從圖6中數據可知：廣州地區(qū)除部分北向立面無需遮陽，其他朝向的立面建議進行遮陽，其中15°～30°的水平遮陽可以有效地降低眩光出現的可能，增加遮陽后有效采光進深下降在1/4以內，即對采光的影響介于可接受范圍.具體的有效采光進深數值如圖6所示，限于篇幅僅列出部分參數下的有效采光進深，本部分取得的有效采光進深結果可作為建筑采光設計的參考.

圖5 不同窗墻比/遮陽尺寸的立面類型

圖6 有效采光進深

4 結 論

1)通過分析可知使用DF指標評價建筑采光能力存在不足之處，該指標在漫射光下定義不能用于描述建筑物動態(tài)采光表現，使用諸如自主采光閾(DA)等動態(tài)采光指標評價建筑物動態(tài)采光性能較為合理，以工作面上的視看舒適度為出發(fā)點進行動態(tài)遮陽裝置的控制并得出年周期上室內天然光照度的分布情況，基于此獲取DA等動態(tài)照明指標值，通過DA指標進行立面采光方案的擇優(yōu)較之DF指標更為合理且符合照明節(jié)能預期.

2)將不低于DA_300 lx[50%]的范圍定義為有效采光區(qū)域，該范圍出現的最大進深距離定義為有效采光進深，該量值可以較好地描述建筑物采光的有效范圍.本文最后在廣州地區(qū)光氣候條件下針對40%、60%窗墻比的開窗以及使用0/15°/30°遮陽板的立面進行分析給出了有效采光進深數值，該部分結果可用于采光設計參考.

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Ananalysisofdynamicdaylightperformancemetrics&thedaylightavailabilityofside-litwindows

BIAN Yu1, YUAN Lei2, LENG Tianxiang1

(1.State Key Laboratory of Subtropical Building Science(South China University of Technology), Guangzhou 510640, China;2.College of Architecture & Urban planning, Shenzhen University, Shenzhen 518060, Guangdong, China)

The aim of this topic is to indicate the advantages of dynamic daylight performance metrics and advocate the acceptance of dynamic metrics in analysis of building daylight design cases. Firstly, this paper indicates that the dynamic metrics are more reasonable than statistic metrics (daylight factor) in evaluating the daylight environment via theoretical analysis. Then taking the weather data in Guangzhou as the calculation input, based on Daysim simulation results, the depth of daylight available area is defined by DA metric. Under the regional weather condition in Guangzhou, based on Daysim dynamic daylight simulation data, the daylight performance of 4 facade types is ranked via metrics DF/DA/UDI and compared with that ranked by daylight factor, and the result indicates the superiority of dynamic metrics in selecting the optimal design schemes. Furthermore, the daylight available area and probability of glare occurrence towards facades with various WWR and shading overhang size are analyzed, and the results can be adopted as design references which suggest that the dynamic metrics should be used to evaluate daylight performance and the areas where DA metric values are no less than DA_300 lx[50%] should be defined as daylight available area that could indicate the availability of side-lit windows well.

dynamic daylight performance metrics; daylight factor; shading control; daylit available area; visual comfort

10.11918/j.issn.0367-6234.201604007

TM923

A

0367-6234(2017)10-0172-05

2016-04-01

國家自然科學青年基金(51208205)；亞熱帶建筑科學國家重點實驗室自主課題“華南區(qū)光氣候下的側窗采光空間光環(huán)境評價”(2015ZC15)；亞熱帶建筑科學國家重點實驗室自主課題“天然光環(huán)境視覺舒適度評價與建筑動態(tài)采光模擬研究”(2017KB11)

邊 宇(1982—)，男，博士，副教授

袁 磊，aryubian@163.com

(編輯張 紅)