基于Ecotect的杭州某住宅群建筑光環(huán)境模擬研究

丁偉翔，蔣忠華，王清

DING Wei-xiang, JIANG Zhong-hua, WANG Qing

(浙江陸特能源科技股份有限公司)

(Zhejiang Loopmaster Energy Technology Co., Ltd.)

1　引言

光是建筑環(huán)境的重要組成部分，在建筑方案設(shè)計(jì)中，建筑光環(huán)境應(yīng)全面綜合人、建筑以及經(jīng)濟(jì)與環(huán)境等多方面因素，滿(mǎn)足居住者復(fù)雜的生理與心理主客觀(guān)需求。優(yōu)秀的光環(huán)境設(shè)計(jì)可以提高建筑的舒適度和衛(wèi)生條件，降低照明、采暖能耗并提供清潔的能源。《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50378—2014中明確針對(duì)建筑室內(nèi)外光環(huán)境做出要求，給予相應(yīng)的分值[1]。

Ecotect是一個(gè)全面的技術(shù)性能分析輔助設(shè)計(jì)軟件，可進(jìn)行建筑熱工與節(jié)能、建筑日照、建筑采光與房間聲學(xué)等多種物理性能參數(shù)的模擬。其主要用于建筑方案的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，尤其是在光環(huán)境模擬方面，為建筑設(shè)計(jì)人員提供的強(qiáng)大的分析和模擬工具，借助它可以實(shí)現(xiàn)更高的能源效率以及可持續(xù)設(shè)計(jì)[2]。

2　工況概況

本項(xiàng)目位于浙江省杭州市，項(xiàng)目?jī)?nèi)所有建筑均為住宅樓，每棟樓總計(jì)7層，層高為3m。從西至東共計(jì)5列，平均建筑間距為28m，總平面圖如圖1所示。項(xiàng)目用地面積為159372m2，建筑密度26%，綠地率30%，住宅樓共計(jì)5種戶(hù)型。

3　室外光環(huán)境

依據(jù)建筑圖紙，以建筑外輪廓建立杭州某住宅群三維簡(jiǎn)化建筑模型如圖2所示。

3.1　日照模擬分析

圖1　杭州某住宅群項(xiàng)目總平面圖

日照作為建筑物外部最主要的氣候形成條件之一，對(duì)建筑光環(huán)境與熱環(huán)境都有著深遠(yuǎn)的影響。一方面，陽(yáng)光中所含的紫外線(xiàn)能預(yù)防和治療一些疾病；另一方面，冬季直射入室內(nèi)的光照所產(chǎn)生的熱效應(yīng)能夠起到提高室內(nèi)溫度和降低供暖能耗的作用。

圖2　杭州某住宅群項(xiàng)目三維簡(jiǎn)化建筑模型

《城市居住區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50180-93（2002版）規(guī)定的住宅日照要求，如表1所示。杭州屬于Ⅲ類(lèi)建筑氣候區(qū)域的大城市，需滿(mǎn)足大寒日不小于2h的日照時(shí)間。對(duì)該項(xiàng)目?jī)?nèi)住宅樓的日照小時(shí)數(shù)進(jìn)行模擬分析，以判斷建筑間距是否符合要求。

杭州市地理位置為緯度30°2′，經(jīng)度120°2′，氣象參數(shù)導(dǎo)入杭州市當(dāng)?shù)氐湫蜌庀竽?TMY)的標(biāo)準(zhǔn)氣象數(shù)據(jù)（CSWD）文件。分析日為大寒日（1月20日），有效日照時(shí)間為上午8:00至下午16:00，采用累計(jì)計(jì)算方法統(tǒng)計(jì)建筑受日照小時(shí)數(shù)。取一層的窗臺(tái)面水平高度（1.2m）作為分析面。大寒日日軌圖如圖3所示，圖中灰色部分為地面和樓宇，灰色實(shí)心圓圈為太陽(yáng)，虛線(xiàn)為太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡。

Ecotect軟件可以對(duì)模擬結(jié)果提供直觀(guān)的三維可視化效果圖。圖3為建筑日照小時(shí)數(shù)分布云圖，結(jié)合圖例從圖中可以看出，由于遮擋的原因，使得建筑背陽(yáng)側(cè)無(wú)法獲得日照。圖4為大寒日全天建筑間遮擋陰影范圍云圖，從中可以看出，建筑陰影的產(chǎn)生不僅受到南北向的影響，東西向的遮擋也很明顯。為更加詳細(xì)的了解建筑間距是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求，選取建筑群內(nèi)幾個(gè)典型住宅樓的窗臺(tái)高度位置進(jìn)行查看。圖4右上角中的數(shù)值代表日照小時(shí)數(shù)，圖5和圖6中可以看出，住宅樓底層窗臺(tái)位置大寒日日照時(shí)數(shù)在5～7h，均滿(mǎn)足“至少有一個(gè)居室滿(mǎn)足大寒日2h時(shí)”的要求。該項(xiàng)目地理位置位于杭州，太陽(yáng)高度角相對(duì)北方較小，且建筑高度較低，建筑間距布置合理。

表1　住宅建筑日照標(biāo)準(zhǔn)

圖3　大寒日日軌圖

圖4　大寒日日照模擬小時(shí)數(shù)云圖

圖5　大寒日遮擋陰影范圍云圖

3.2　太陽(yáng)輻射模擬分析

太陽(yáng)能是一種巨大而無(wú)污染的可再生能源，利用太陽(yáng)能減少建筑能耗和改善建筑物理環(huán)境是建筑技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。通過(guò)Ecotect軟件提供的太陽(yáng)輻射分析功能，模擬整個(gè)小區(qū)范圍內(nèi)的全年日均太陽(yáng)輻射標(biāo)準(zhǔn)值（Average daily PAR）。如圖7所示，通過(guò)場(chǎng)地累計(jì)日平均輻射分析，可以確定場(chǎng)地太陽(yáng)輻射的分布情況。由于建筑間的遮擋作用，使得輻射量相對(duì)寬闊場(chǎng)地的較小，場(chǎng)地內(nèi)單位面積日均太陽(yáng)輻射量為3.88MJ/（m2·d），最高可達(dá)5.5 MJ/（m2·d）。對(duì)累計(jì)日平均輻射較大的地方適宜種植常綠大喬木，不僅夏季可以降低熱島效應(yīng)，冬季還可以降低室外風(fēng)速；而在累計(jì)日平均輻射較小的地方（靠近建筑周邊的區(qū)域），適宜種植落葉喬木，這樣做既可以在夏季為居民提供陰涼的場(chǎng)地，待秋季落葉后，就能保證冬季享受陽(yáng)光的照射。

圖6　典型住宅樓窗臺(tái)處大寒日日照小時(shí)數(shù)

圖7　場(chǎng)地日均平均輻射等值線(xiàn)圖

4　室內(nèi)光環(huán)境

4.1　自然采光模擬分析

自然光環(huán)境是人們長(zhǎng)期習(xí)慣和喜愛(ài)的生活環(huán)境。各種光源的視覺(jué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在相同照度條件下，天然光的辨認(rèn)能力優(yōu)于人工光，有利于人們工作、生活、保護(hù)視力和提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。另外，自然光照明最為經(jīng)濟(jì)，利用自然采光能節(jié)約能源，保護(hù)環(huán)境，充分的體現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)設(shè)計(jì)理念。

Ecotect軟件可以針對(duì)各種自然采光、人工照明提供精確的模擬結(jié)果(包括采光系數(shù)、臨界照度、天空照度亮度等)，也可對(duì)建筑照明節(jié)能提供一定的分析依據(jù)。根據(jù)《建筑環(huán)境數(shù)值模擬技術(shù)規(guī)程》DB31/T 922-2015，當(dāng)進(jìn)行建筑采光模擬時(shí)應(yīng)結(jié)合Radiance軟件以達(dá)到更加精確的目的[3]。Radiance是由勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的采光軟件，采用了蒙特卡洛算法優(yōu)化的反向光線(xiàn)追蹤算法，相比光能傳遞算法，使用光線(xiàn)追蹤法進(jìn)行建筑采光分析更加精確，國(guó)際上采光分析論文多采用Radiance進(jìn)行模擬，該軟件分析計(jì)算的結(jié)果受到廣泛的認(rèn)可[4]。

《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50033—2013規(guī)定，采光系數(shù)是基于全陰天模型(Overcast Sky Model)計(jì)算得到的。該模型是天空全部被云層遮蔽的天氣，此時(shí)室外天然光全部為天空擴(kuò)散光，光線(xiàn)較為穩(wěn)定，是考慮到最不利的采光條件。

本次模擬選擇住宅群內(nèi)一棟樓的標(biāo)準(zhǔn)層戶(hù)型（如圖8所示）模擬室內(nèi)自然采光效果。建筑采用側(cè)窗采光，外窗及玻璃幕墻選用斷熱鋁合金窗框，玻璃部分為6mm中等透光玻璃（Low-E）+12空氣層+6mm透明夾層中空玻璃，可見(jiàn)光透射比為0.62。天花板、地板、墻面的飾面材料反射比依次為0.75，0.3，0.6。采光模型如圖9所示，模擬結(jié)果如圖10所示。

圖8　住宅樓標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

杭州市屬于Ⅳ類(lèi)光氣候區(qū)，室外天然光設(shè)計(jì)照度值為13500lx，光氣候系數(shù)為1.10。《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)居住建筑自然采光的具體參數(shù)要求如表2所示。住宅樓標(biāo)準(zhǔn)層采光模擬結(jié)果如表3所示，從中可以看出標(biāo)準(zhǔn)層內(nèi)的房間均達(dá)到規(guī)范所要求的采光系數(shù)。

圖9　住宅樓標(biāo)準(zhǔn)層三維自然采光模型

圖10　采光模擬結(jié)果

表2　居住建筑的采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值

4.2　不舒適度眩光模擬分析

眩光源于視野中強(qiáng)烈的明暗對(duì)比，以致引起視覺(jué)不舒適和降低物體可見(jiàn)度的視覺(jué)條件。不舒適眩光會(huì)影響人們的注意力，長(zhǎng)時(shí)間就會(huì)增加視覺(jué)疲勞，在大多數(shù)情況下應(yīng)該盡量避免眩光的出現(xiàn)。

Ecotect結(jié)合Radiance進(jìn)行眩光模擬計(jì)算時(shí)，采用晴天模型（Sunny Sky Model）對(duì)建筑內(nèi)的主要功能房間進(jìn)行分析。將人眼視角高度調(diào)至距地面1.5m處，水平與垂直視角范圍調(diào)至180°。當(dāng)計(jì)算眩光值時(shí)，運(yùn)用“f i ndglare”命令找出場(chǎng)景內(nèi)的眩光源后，查看生成文件“glare.glr”內(nèi)的眩光源坐標(biāo)、亮度以及背景照度，再運(yùn)用“glarendx”命令輸出眩光指標(biāo)[5]。

本項(xiàng)目住宅內(nèi)主要房間的采光等級(jí)分別為Ⅳ類(lèi)和Ⅴ類(lèi)要求，即眩光指數(shù)值DGI不應(yīng)大于27或28。結(jié)合采光模擬分析，選取該房間進(jìn)行眩光模擬分析，室內(nèi)相機(jī)（視角）分布情況如圖11所示。模擬結(jié)果選取部分房間加以呈現(xiàn)，房間內(nèi)眩光效果（魚(yú)眼模型）如圖12所示：

圖11　住宅樓標(biāo)準(zhǔn)層室內(nèi)相機(jī)分布

從表4可以看出，本項(xiàng)目建筑采用淺色的內(nèi)飾面，主要功能房間的眩光值均小于標(biāo)準(zhǔn)限值，滿(mǎn)足《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50378-2014中8.2.7條第一款的條文要求，符合《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB 50033-2013第5.0.2條等控制舒適眩光的相關(guān)規(guī)定。

5　總結(jié)

采用Ecotect建筑光環(huán)境模擬軟件對(duì)杭州某住宅群項(xiàng)目的建筑室內(nèi)外光環(huán)境進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，得出如下結(jié)論：

①對(duì)于室外光環(huán)境：項(xiàng)目建筑間距為28m，住宅樓均滿(mǎn)足大寒日日照累計(jì)時(shí)間不小于小時(shí)日照要求，居民在冬季可獲得充足的日照；經(jīng)場(chǎng)地內(nèi)太陽(yáng)輻射模擬分析，住宅群內(nèi)太陽(yáng)輻射量豐富，當(dāng)建筑周邊種植植被時(shí)，可以考慮在輻射強(qiáng)處種植常綠喬木，而在輻射較弱處種植落葉喬木。

表4　住宅樓標(biāo)準(zhǔn)層室內(nèi)不舒適眩光指數(shù)統(tǒng)計(jì)表

②對(duì)于室內(nèi)光環(huán)境：住宅樓內(nèi)的房間設(shè)計(jì)以及玻璃材質(zhì)選取合理，自然采光系數(shù)均滿(mǎn)足國(guó)家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，且房間內(nèi)不產(chǎn)生令人感到不舒適的眩光反應(yīng)。

③在建筑項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案階段，運(yùn)用光環(huán)境模擬分析軟件可以快速地呈現(xiàn)出人們所需了解的建筑光環(huán)境的性能、特征以及實(shí)際效果，從而對(duì)方案進(jìn)行預(yù)測(cè)、判斷以及優(yōu)化。

圖12　住宅樓標(biāo)準(zhǔn)層典型房間室內(nèi)眩光效果圖

[1] GB/T 50378—2014，綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2] 柏慕進(jìn)業(yè). Autodesk Ecotect Analysis應(yīng)用教程[M]. 北京:電子工業(yè)出版社,2014.

[3] DB31/T 922-2015，建筑環(huán)境數(shù)值模擬技術(shù)規(guī)程[S].

[4] 李卓, 王洪珍. 淺談Radiance在建筑光環(huán)境設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 光源與照明,2016(1):39-41.

[5] 林波榮. 綠色建筑性能模擬優(yōu)化方法[M]. 北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2016.