辦公建筑側面采光優化分析

沈丹丹

上海建工集團股份有限公司 上海 200080

隨著城市的發展，我國公共建筑數量與日俱增，其中辦公建筑的建筑量最大。在辦公建筑中，建筑能耗主要包括空調能耗、設備能耗和照明能耗，其中照明能耗約占建筑全年總能耗的30%[1-3]。現有的建筑設計往往按照經驗估算采光窗口的大小和位置，導致建成后室內自然采光效果不理想，照明能耗激增。因此，應對自然采光的影響因素進行分析，為采光優化設計提供一定的指導，在滿足室內光環境舒適性的同時，降低照明能耗，實現建筑的可持續發展。

目前，關于采光設計與照明能耗的關系[4-5]，自然采光舒適度控制方法[6-8]，以及采光性能影響因素的分析[9-11]已經有了一定的研究。然而，關于采光效果影響因素組合方案優化程度的研究卻很少。本文通過Ecotect軟件建立模型，利用Radiance軟件對側窗采光影響因素中的窗墻比、玻璃可見光透射率（以下簡稱透射率）、進深和窗臺高等進行研究分析，通過正交試驗[12-14]進行綜合采光優化方案設計，分析不同組合方案的優化潛力，確定最優組合方案，從而為辦公建筑采光設計優化提供一定的參考。

1 模型建立及參數設置

1.1 模型的建立

本文主要研究不同的采光方案設計對自然采光效果的影響。為減少其他因素的影響和模擬時間，建立一個長8.0 m、寬6.0 m、高6.4 m的房間，窗戶設置于辦公建筑的南立面上，模擬模型如圖1所示。

圖1 模擬模型

1.2 模擬的設置

根據GB 50033——2013《建筑采光設計標準》（以下簡稱標準）及工程常用參數，房間內的天花板、墻體和地板的反射比參數見表1。為校核模擬的準確性，根據標準中表C.0.1側面采光系數平均值計算的設置條件，通過Ecotect軟件建立模型，聯合Radiance軟件對該模型采用CIE全陰天模式進行室內光環境模擬，以離地面0.75 m高處的平面作為自然采光分析的參考面，計算結果見表2。

表1 室內各表面反射比值

由于標準中未對計算模型的窗臺高度、采光分析的參考面等做出說明，導致標準給出的采光系數平均值的計算結果與本文模擬計算結果之間存在一定的差異，其平均差異率為2.74%。鑒于差異率值較小，可以認為采光系數模擬值是可信的。

2 各因素對采光系數的影響分析

由于各光氣候分區的采光系數標準值和光氣候系數不同，因此，本文以光氣候Ⅳ區辦公建筑側窗采光標準值作為基準（即C基準=3.3%），計算采光系數的改善率，研究窗墻比、透射率、進深和窗臺高度對采光系數的影響。

2.1 窗墻比

為研究不同窗墻比對采光系數的影響，在窗臺高為1.2 m、窗戶高度為3.2 m不變的前提下，改變窗戶的寬度，對不同窗墻比在透射率為0.6、進深為6 m的條件下分別進行自然采光模擬分析，模擬工況和結果如表3和圖2所示。由此可見，在上述條件下，當窗墻比大于0.2時，室內采光系數滿足標準要求，且隨著窗墻比的增大，采光系數改善率也均勻增加。

2.2 透射率

天然光線主要通過玻璃照進室內，透射率則反映了玻璃的透光性能，是影響室內采光效果的重要因素。為研究透射率對采光系數的影響，在窗臺高度為1.2 m、窗墻比為0.3、進深為6 m的條件下，改變透射率的大小，模擬室內自然采光系數的變化，模擬工況和結果如表4和圖3所示。從圖表可以看出，在上述條件下室內采光系數模擬值均滿足標準的要求，且隨著透射率的增加，采光系數改善率均勻增加。

表3 窗墻比對采光系數的影響

圖2 不同窗墻比的采光改善率

表4 透射率對采光系數的影響

圖3 不同透射率的采光改善率

2.3 進深

側窗采光時，進深的大小影響著室內采光效果。為研究進深對采光系數的影響程度，在窗臺高度為1.2 m、窗墻比為0.3、透射率為0.6的條件下，模擬室內采光系數隨進深的變化，模擬工況和結果如表5和圖4所示。從表5和圖4可以看出：當進深從6 m增加到8 m時，室內采光系數滿足標準的要求，且隨著進深的增加，改善率下降幅度明顯；當進深超過8 m時，采光系數低于標準的規定，改善率下降幅度也略微變緩。導致這種變化趨勢的主要原因是進深增加到一定程度后，照射到內隔墻的天然光變少，其采光漫反射效果減弱，進一步增加進深后采光效果的變化減弱，下降幅度變緩。

表5 進深對采光系數的影響

圖4 不同進深的采光改善率

2.4 窗臺高

為研究窗臺高對采光系數的影響，模擬在不同窗臺高度下采光系數的變化，工況設置和模擬結果如表6和圖5所示。

表6 窗臺高對采光系數的影響

從圖表可以看出，當窗臺高從0.8 m變成1.8 m時，采光系數持續降低，導致這種變化趨勢的主要原因是窗戶的位置對進入室內的光線產生一定的影響，位置設計過高，窗口的有效利用高度會減少，降低室內的自然采光水平。

2.5 各因素影響程度的分析

對比窗墻比、透射率、進深和窗臺高對采光系數的影響，其中窗墻比為0.20～0.45時，采光效果改善率為－11.21%～70.61%；透射率為0.60～0.70時，改善率為23.94%～52.42%；進深為11～6 m時，改善率為－18.48%～22.73%；窗臺高為1.8～0.8 m時，改善率為12.42%～30.91%。

由以上數據可以看出，窗墻比、透射率、進深和窗臺高均對采光優化具有一定的影響。為進一步分析各因素對采光系數的影響程度，表7給出了SPSS軟件方差分析結果。從Sig值都＜0.001可以看出，4個因素均對采光系數產生顯著影響。根據F值可知，影響顯著性依次為窗墻比、進深、透射率和窗臺高。

圖5 不同窗臺高的采光改善率

表7 SPSS軟件方差分析結果

2.6 各因素的組合方案

研究分析各因素對采光系數的影響，為從各因素設計的采光優化方案中找到最優組合方案，同時避免大量的模擬計算，采用正交試驗方法組合設計優化方案，進行模擬研究。

考慮標準的規定，并結合工程實施可行性的原則，確定窗墻比、透射率、進深和窗臺高4個因素，每個因素選取6個水平，采用正交設計表模擬試驗方案，見表8。

圖6為各因素組合設計方案的采光系數。從圖6中可見，上述4個影響因素組合方案的采光系數為1.94%～ 6.18%，方案43為最優組合方案，其窗墻比為0.40，透射率為0.70，進深為6.00 m，窗臺高為1.40 m，改善率為87.27%。

從上述數據可以看出，采光設計的優化空間很大，注重天然采光的合理應用，可以在保證室內光環境舒適性的同時，降低照明能耗，實現建筑的低碳運營。

表8 正交設計方案

圖6 正交設計各方案的采光系數

3 模擬結果的試驗驗證

為驗證模擬結果的準確性，搭建了一個6 m×5 m× 3 m的試驗模型，南向開窗，窗戶尺寸為4 m×2 m，窗臺高為0.5 m，如圖7所示。改變窗戶玻璃的材質，設定不同的試驗工況，見表9。

在2018年10月下午1點—4點，使用照度計每隔30 min測量一次室內外的照度，計算出7組采光系數并取平均值，即為測試值，同時對同一建筑進行模擬計算，模擬結果與實測結果如圖8所示。

受測點布置、材料實際反射比的差異等干擾，測試值和模擬值之間存在一定的差異，其平均差異率為2.62%。鑒于差異率較小，實測結果與模擬結果基本吻合，充分驗證了模擬結果的正確性。

圖7 試驗模型

表9 試驗模型設計參數

圖8 試驗值與模擬值采光系數的對比

4 結語

1）窗墻比、透射率、進深和窗臺高均為室內采光效果的影響因素，且對室內采光系數產生顯著影響，其中窗墻比為0.20～0.45時，其采光效果改善率為－11.21%～70.61%；透射率為0.60～0.70時，其改善率為23.94%～52.42%；進深為11～6 m時，其改善率為－18.48%～22.73%；窗臺高為1.8～0.8 m時，其改善率為12.42%～30.91%。

2）4個因素的影響顯著性依次為窗墻比、進深、透射率和窗臺高。

3）采用正交試驗方法組合設計采光優化設計方案，獲得4個影響因素的優化組合方案，即窗墻比為0.40，透射率為0.70，進深為6.00 m，窗臺高為1.40 m，計算出的采光系數為6.18%，改善率為87.27%。由此可見，采光設計的優化空間很大，注重天然采光的合理應用，可以在保證室內光環境舒適性的同時，降低照明能耗，實現建筑的低碳運營。

4）模擬計算結果與標準給出的模擬值和試驗測試結果差異率很小，充分驗證了模擬計算的正確性。