深圳地區辦公建筑自然采光對建筑能耗影響

張會福

摘要：通過計算機模擬計算，從定性和定量的角度分析了時于深圳地區辦公建筑自然采光對建筑能耗的影響，得到了窗琦比、遮陽、玻璃可見光透射比對建筑綜合能耗的影響，結果表明：深圳地區充分利用自然采光使辦公建筑綜合能耗降低幅度可達27%，此時窗墻比要大（達到0.7）、有一定的遮陽（百葉遮陽）、玻璃可見光透射比要大（達到0.6）。以上結論對類似項目的設計有一定的借鑒意義。

關鍵詞：自然采光;窗墻比;遮陽系數;玻璃可見光透射比;能耗

中圖分類號：TU24 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2019）22-0141-04

1 引言

自然光除了促進視覺之外，還會以非視覺的方式影響人體，充足的自然光使人體的晝夜節律與太陽日保持一致，以維持生物鐘的正常運轉，有利于身體健康。同時采用自然光進行照明，也有利于貫徹節能減排、可持續發展思想。

外窗作為建筑的重要組成部分，據有關研究表明，夏季因太陽輻射熱透過單層玻璃窗射入室內而消耗的冷量約占空調負荷的20%～30%[1]。外窗不僅會影響建筑的空調能耗，也會給室內帶來舒適的光環境、降低建筑照明能耗，據有關研究表明，采用自然光照明可以使照明能耗減少27%，總能耗降低11%[2]。國內也有類似關于自然光對能耗的影響的研究[3～7]。

根據國家標準《建筑采光設計標準》GB 50033的規定，深圳屬于Ⅳ類光氣候區，太陽光資源非常豐富。當室內照度達到或超過設計值時，通過調低或者關閉照明燈具，利用自然光照明可以降低照明耗能，同時由于減少照明發熱量，使得空調冷負荷也相應的減少，對于建筑綜合能耗的降低有積極的作用。

本文將通過計算機模擬計算的手段，從定性和定量的角度分析深圳地區辦公建筑自然采光對建筑能耗的影響。

2 基礎模型與分析方法

2.1 基礎模型

本文建立如圖1所示的辦公建筑模型，建筑層高3m，建筑面積為10m×10m，窗臺高度設置為0.9m（僅南向有窗），維護結構熱工性能設置如表1所示，室內負荷設置如表2所示，建筑的室內設計溫度以及運行時間表均按照《公共建筑節能設計標準》進行設置，建筑空調系統采用理想空調系統（COP=1）。

2.2 分析方法

本文采用Grasshopper中的ladybug，honeybee和TT Toolbox插件進行分析計算，以上插件是用Python編寫的環境設計和教育用的開源免費計算機應用程序的集合，建立在幾個經過驗證的仿真引擎之上：Radi-ance，EnergyPlus/OpenStudio，Therm/Window和OpenFOAM。本文中采光計算應用的計算引擎為Ra-diance，能耗計算應用的計算引擎為Energyplus。

在Grasshopper中搭建本文所用的計算程序如圖2所示。

本文分析的自然采光影響因素有：窗墻比、遮陽系數、玻璃可見光透射比，各因素的取值與措施如表3所示。

本文的計算方法為，根據變量的設定值首先利用Radiance計算室內全年逐時照度值，再將照度值與采光標準值（根據《建筑采光設計標準》GB50033—2013，辦公建筑照明標準為300Lux）進行對比，從而控制室內燈光的開啟與關閉。

3 計算結果與分析

3.1 窗墻比

本部分將研究窗墻比的大小對空調負荷和燈光負荷的影響。計算條件為：無遮陽、窗戶的可見光透射比為0.6。計算結果如圖3。

分析圖3可知，充分利用自然采光能明顯降低采光負荷和空調負荷：①當窗墻比由0.4增加至0.7時，照明負荷降低幅度由69%增加至89%，即隨著窗墻比的增加，利用自然采光來降低照明負荷的作用越來越大;②當窗墻比由0.4增加至0.7時，空調負荷降低幅度維持在13%～14%之間，但整體空調負荷逐漸增大，即從降低空調負荷角度出發，窗墻比越小越好。

3.2 遮陽措施

本部分將研究遮陽（此處遮陽為百葉遮陽，百葉寬度和間距均為5cm）對空調負荷和燈光負荷的影響。計算條件為：窗墻比為0.6、窗戶的可見光透射比為0.6。計算結果如圖4。

分析圖4可知，遮陽措施對自然光的利用有一定的抑制作用，但還是可以明顯降低采光負荷和空調負荷：①當遮陽百葉從無到有（60°）時，照明負荷降低幅度由84%降低至36%，即隨著遮陽系數的增加，利用自然采光來降低照明負荷的作用越來越小。②當遮陽百葉從無到有（60°）時，空調負荷越來越低，同時空調負荷降低幅度由15%降低至7%，即隨著遮陽系數的增加，空調負荷趨于穩定，利用自然采光來降低空調負荷的作用越來越小。

3.3 玻璃可見光透射比

本部分將研究玻璃可見光透射比對空調負荷和燈光負荷的影響。計算條件為：無遮陽、窗墻比為0.6。計算結果如圖5。

分析圖5可知，玻璃可見光透射比的大小對采光負荷和空調負荷影響較?。孩佼敳ＡЭ梢姽馔干浔扔?.4增加至0.6時，照明負荷降低幅度維持在76%～84%之間，即可見光透射比對照明負荷的影響較小。②當玻璃可見光透射比由0.4增加至0.6時，空調負荷有一定的增加，但空調負荷降低幅度維持在14%～15%之間，即可見光透射比對空調負荷的影響較小。

3.4 綜合能耗分析

本部分將研究各條件綜合起來對建筑綜合能耗（包含空調、燈光、設備的總能耗）的影響，共4個變量96個工況，取空調COP為3.6（一級能效的分體空調），計算結果如圖6。

分析圖6可知，為充分利用自然采光達到綜合能耗最低時，對應邊界條件為（如圖7）：窗墻比為0.7、有遮陽百葉（0°），玻璃可見光透射比為0.6，此時的綜合能耗為99.5kW·h/m²，此時綜合能耗節能率為27%（此工況下不考慮自然采光控制時的綜合能耗為137.7kW·h/m²）。即為充分利用自然采光來降低辦公建筑綜合能耗，窗墻比要大（達到0.7）、有一定的遮陽（0°的百葉遮陽）、玻璃可見光透射比要大（達到0.6）。