綠色建筑動態采光模擬方法

王會一，金 晶，田 真（.北京綠建軟件股份有限公司， 北京 00098；. 湖南大學建筑學院， 湖南 長沙4008）

天然光環境是人們長期習慣和喜愛的工作環境。各種光源的視覺試驗結果表明，在同樣照度條件下，天然光的辨認能力優于人工光，有利于工作、生活、保護視力和提高勞動生產率。充分利用天然光，對于創造良好光環境、節約能源、保護環境和構建綠色建筑具有重要的意義。

目前大部分建筑采光相關的標準都是以采光系數作為評價指標，采光系數因其簡單易用的特點被廣泛應用，采光系數是室內目標點上的照度與全陰天下室外無遮擋水平面上照度的比值，表征全年中較不利的全陰天空條件下的采光情況。但這種評價方法的缺點也顯而易見，既未考慮建筑的朝向，也未考慮采光隨天空狀況改變的變化性，無法預測建筑各朝向的遮陽措施以及無法預測眩光問題等。

隨著天然光采光應用研究的不斷發展，區別于計算采光系數的靜態模擬方法，近年來國際上發展起來基于全年光氣候的動態模擬計算方法，計算全年中不同天空狀況下隨時間步長變化的逐時照度。在動態采光計算基礎上提出一些新的天然采光評價標準，其中采光閾占比 Spatial Daylight Autonomy（sDA）、年日照時數 Annual Light Exposure（ASE）[1]等動態采光指標得到廣泛應用。

1 動態采光評價體系

1.1 國外認證

美國綠色建筑委員會 LEED 認證是最知名的綠色建筑評價體系之一。LEED 由美國綠色建筑協會建立，并于 2003年開始推行，在美國部分州和一些國家已被列為法定強制標準。截至目前，國內申請 LEED 認證的項目近 4 500 個，總建筑面積達 1.6 億 m2，已得到認證的項目超過 2 000 個。2015 年，綠色建筑認證協會（GBCI）和美國 WELL 建筑研究所（IWBI）將 WELL 建筑標準引入中國，將建筑的健康性能作為衡量基礎，在 LEED 要求的基礎上進一步提升建筑環境指標。

LEED v 4 和 WELL v 1 的認證都對動態采光提出了明確的指標要求。將采光閾占比（sDA300，50%）和年日照時數（ASE1000，250）作為光環境的評價指標。在全年運營時間內，對常用空間中適宜照度的面積比例提出要求。

以 WELL 為例，健康陽光照射一節要求如下所示。①至少 55% 的空間每年至少 50% 的運營時間至少能獲得 300 lx 的陽光照射。② 每年有 250 h 可獲得 1 000 lx 以上陽光照射的區域不超過 10%。

LEED 標準的要求與 WELL 大致相同，區別在于 LEED針對不同建筑類型要求的達標面積比例略有不同。國外認證中對動態采光的計算要求相對來說發展比較成熟，北美照明學會發布的 LES LM-83-12 文件詳細說明了計算 sDA、ASE的建模要求和計算模擬參數等條件。

1.2 國內標準

我國對動態采光的研究相對較晚，但是近年來國內一些標準已經明確提出了動態采光的模擬計算要求。動態采光指標更真實全面地反映了室內天然采光狀況，其已逐漸成為國內天然采光評價的發展趨勢。

2016 年，中國建筑學會標準 T/ASC 02—2016 《健康建筑評價標準》對公共建筑的動態采光評價提出要求，即：“公共建筑室內主要功能房間至少 75% 面積比例區域的天然光照度值不低于 300 lx 的時數平均不少于 4 h/d，得 5分”。

2019 年，GB/ T 50378—2019《綠色建筑評價標準》進行修訂，對公共建筑和住宅建筑均提出了明確要求，即：“住宅建筑室內主要功能空間至少 60% 的面積比例區域，其采光照度值不低于 300 lx 的小時數平均不少于 8 h/d；公共建筑室內主要功能空間至少 60% 的面積比例區域，其采光照度值不低于采光要求的小時數平均不少于 4 h/d” 。

值得注意的是，GB/ T 50378—2019 條文中給出的照度值指的是平均照度，與國際標準通常采用的逐點照度有所不同。

2 動態采光模擬工具

2.1 國外采光軟件

動態采光指標在國際上提出較早，國外很多采光軟件已基本實現動態采光分析功能，如 DAYSIM、DIVA-for-Rhino、IES-VE、Ladybug+Honeybee、SPOT 等。目前國外商業采光軟件的動態采光計算普遍采用 DASYIM 內核，類似于 Radiance 軟件在靜態采光計算中的地位，DAYSIM 是目前國際公認的動態采光計算引擎。DAYSIM 采用 Perez 天空模型，可以根據太陽直射輻射、水平散射輻射和其他相關數據計算天空亮度信息，這樣就能取得全年動態光環境模擬所需的天空亮度分布數據[2]。

與 Radiance 類似，DAYSIM 軟件本身有多個計算子程序組成，調用關系比較復雜，雖然提供了簡單的用戶界面，但實際使用體驗并不友好。DAYSIM 軟件本身未提供建模功能，一次只能進行一個空間的計算，計算結果僅能輸出簡單的網頁報告。目前 DAYSIM 主要被科研院所的研究人員使用，很難直接在普通建筑設計人員中普及應用。

DIVA-for-Rhino 在犀牛軟件平臺上開發，解決了建模問題、操作簡單，但自定義材料參數較難。其他的國外采光軟件也表現出建模支持不夠、計算精度不足、交互界面不友好等問題。最關鍵的是國外軟件對國內標準要求的指標支持不足，無法自動匹配國內標準對應的參數要求，成果報告形式無法達到國內標準的需求[3-4]。

2.2 國內采光軟件

綠建斯維爾采光軟件 DALI（下文簡稱 DALI）支持 GB 50033—2016 《建筑采光設計標準》和 GB/T 50378—2019的采光模擬計算，并已通過國家建筑工程質量監督檢驗中心的鑒定。DALI 動態采光計算核心為 DAYSIM 軟件，以蒙特卡羅反向光線跟蹤算法為基礎進行天然采光分析。在保證了計算精度的同時，DALI 基于國內建筑設計師廣泛應用的AutoCAD 平臺而開發，提供了友好的 Window 用戶操作界面，只需要簡單設置各項采光計算參數（如材料的反射比）后，即可進行動態采光計算。如果用戶同時在工程中應用其他綠建斯維爾系列軟件（如建筑節能設計軟件 BECS），則可以實現一模多算，避免重復建模過程。

DALI 動態采光功能可實現多項標準指標的驗證計算，如全自然采光時間百分比（DA）、有效天然采光照度（UDI）的計算，支持 LEED、WELL、GB/T 50378—2019和 T/ASC 02—2016 的采光指標驗算。

動態采光對每一個采樣點進行動態全年 8 760 h 的逐時計算，完成計算后，可在 DWG 圖上直接標注對應類型的計算結果，DALI 使用數值和符號代表每個計算點的結果和達標情況。并且在動態采光計算完成之后可以對多區域的結果進行統計，以便對該建筑全年采光情況進行評價和判斷標準得分情況。DALI 提供多種計算結果的呈現方式，如達標率統計表、分析結果區間色、過渡色彩圖和逐日、逐月達標統計圖等，全方位多角度反應項目全年動態采光效果。動態采光效果圖如圖 1 所示。

圖 1 動態采光效果圖

DALI 可作為綠色建筑評價標準的對標驗算軟件，提供了直接輸出綠色建筑評價標準中有關動態采光條文的計算報告書功能。報告書的主要內容包括每個計算房間的統計表格、全部房間的匯總統計表格、逐日逐月統計圖以及項目整體達標結論和得分情況等內容。

2.3 計算結果對比

對于一款計算軟件，計算結果的準確性是最重要的。選擇 DALI 軟件和國外采光模擬軟件 DIVA for Riho 進行對比，該軟件具有建模方便、計算精度較高和操作相對簡單等特點。鑒于國內標準和國外標準的動態采光指標不一樣，因此選用 LEED 動態采光指標進行結果對比。

為驗證計算結果精度，通過多個采光計算模型在相同氣象數據和計算參數條件下進行結果比對，如模型 1 的簡單房間、模型 2 的典型辦公室、模型 3 的廠房等，具體如圖 2 所示，計算結果對比如表 1 所示。

圖 2 模型情況

表 1 計算結果對比

通過對比發現，兩款軟件的計算結果基本保持一致，ASE 和 sDA 兩項指標計算結果的差異控制在合理范圍以內。造成差異的原因可能是兩款軟件取點方法不同，采樣點位置不能完全一致，從而影響了統計結果。

3 DALI 軟件的創新點

作為國內一款商業化采光軟件，DALI 填補了國內動態采光方面的空白。DALI 采用 DAYSIM 作為計算引擎，保證了計算結果的準確性。此外，基于友好的交互界面提高了軟件的易用性。

3.1 支持國內動態采光指標計算

國內標準給出了動態采光指標的計算要求，而國外采光軟件目前尚未有針對性的支持國內標準。DALI 率先支持了國內健康建筑和綠色建筑標準中與采光相關的條文，解決了國內標準的對標驗算問題。

3.2 支持國內氣象數據

DALI 軟件還可以自行選擇不同數據源的計算氣象文件，支持清華大學的 CSWD 氣象數據文件進行動態采光計算，為國內的用戶提供了本地化服務。

3.3 計算速度優化

基于動態采光的內部計算原理，動態采光要完成全年8 760 h 的逐時照度計算，以sDA的計算為例，需要考慮計算多種工況下的照度（包括太陽直射照度、遮陽條件下的照度和不考慮遮陽的照度），逐時多工況計算大幅增加了軟件的計算復雜度。在 DAYSIM 原生的單線程計算模式下，一棟多層的住宅樓的動態采光計算動輒需要數個小時的時間。

DALI 在 DAYSIM 軟件的基礎上，為提高計算速度，做了以下方面的嘗試和改進。

（1）支持并行計算。DAYSIM 本身不支持并行計算，DALI 在此基礎上進行了優化，可以一次支持多個房間并行計算。如對 16 核的電腦可以一次同時進行 16 個房間的模擬計算。

（2）對計算參數進行優化，提供粗算和精算兩種精度模式。精算采用 DAYSIM 的默認計算參數，反射次數多相對精度高，對計算結果也較為有利。但是計算速度很慢，十幾個房間的精算可能需要幾個小時才能完成。粗算模式使用優化后的計算參數，在略微損失計算精度的前提下，可在十幾分鐘內完成十幾個房間的計算，大幅提高了計算效率。相對于精算模式而言，只是計算結果值略為偏低，非常適合于建筑設計師在前期進行方案調整階段使用，可以大幅節省計算時間成本。

（3）支持云計算，充分利用云端計算資源進行并行計算。云計算是一種可伸縮、彈性、共享的計算模式，根據云端資源核數，可以充分利用云端優勢并行計算。此外，可同時進行多個房間地計算，房間數可達 40 個以上，突破了本地計算機的計算瓶頸。同時提交到云端的計算不影響客戶的本地工作，計算更穩定，管理更容易。DALI 云計算框圖如圖 3 所示。

圖 3 DAL I云計算框圖

4 結 語

綠建斯維爾 DALI 采光軟件率先在國內基于 DAYSIM 計算引擎開發了動態采光計算功能，并在對標驗算和計算速度等多個方面做了很多大膽的嘗試和改進。但不可忽略的是，國內動態采光起步較國外相對晚一些，相關標準條文對于計算細節缺乏具體的規定和解釋。如何結合現有標準和軟件，使得動態采光指標能夠更好地促進國內建筑采光設計的發展，未來還有很多工作要做。