建筑側面采光評估方法及優化研究

劉彤 劉劍濤 張永煒 顏鼎峰 李以通

中國建筑科學研究院有限公司

天然的陽光是大自然賜給人類的寶貴財富，它取之不盡、用之不竭。充分利用天然采光不但可以節約大量照明用電，還能提供更健康、高效、自然的光環境。從節能的角度看，在商業建筑的總能耗中，照明的能耗占到21%，節約的照明能耗可以占到總節約能耗的80%[1]。所以，充分利用自然采光是綠色建筑設計的一個重要策略。

1 評估方法概述

1.1 平均采光系數法[2]（公式法）

采光系數平均值的計算方法是經過實際測量和模型實驗確定的。1979 年，Lynes 針對矩形側面采光空間的平均天然采光系數總結出了計算表達式，1984 年Crisp 和 Littlefair 在他們的論文中對 Lynes 的公式進行了修正：

式中：ADF 為采光系數平均值；Ag為窗的凈表面面積；At為包括窗在內的室內表面總面積；τ0為采光材料(玻璃)的透射比；θ為天空遮擋角；ρ則為室內表面平均反射比。

這個公式的計算結果同模型實驗中的測量值更加吻合，并最終在北美照明工程學會（IESNA）和其他很多版本的規范中得到肯定和應用。而我國的 GB 50033-2013《建筑采光設計標準》[3]也將這個公式作為采光計算的公式。

1.2 光線追蹤法[4]（模擬法）

采光系數法是在天空亮度分布已知的前提條件下，對室內空間水平工作面上的任意一點進行采光系數估算的方法。該方法排除了陽光直射的情況，通常使用CIE 標準全陰天天空模型，適用于全陰天氣較為普遍的地區。該方法認定在室內空間水平工作面上任意一點的照度值由三種因素決定，分別為天空分量（SC），室外反射分量（ERC）和室內反射分量（IRC）。其中天空分量指某點直接受天空作用所得的采光系數分量，室外反射分量和室內反射分量分別指室外、室內環境反射作用于該點的采光系數分量。該點最終的采光系數值（DF）由這三個分量相加而得：

對這三種采光系數分量的確定過程同樣較為繁瑣，需要確定待評估空間的基本比例關系和待評估點的位置等幾何信息，其中最為核心的環節是天空分量的確定。這種方法建立在全陰天模型的基礎上，可以在設計階段對室內工作平面的某一點采光系數進行預估。RADIANCE 光線追蹤法（Ward and Rubinstein 1988）已經得到系統的研究（Mardaljevic 1995，Reinhart and Walkenhorst 2001，Reinhart and Andersen 2006）。這些驗證研究已經表明 Radiance 可以結合采光因子方法得到可靠的建筑全年天然采光水平。

1.3 標準要求

美國的綠色建筑先鋒獎（LEED）認證條例2009版[5]規定新建筑75%以上的使用空間都要有充分的天然光，即在9 月21 日（秋分）上午9 時至下午3 時期間至少有250 lx 的天然光照度，并且在晴天條件下照度不超過5000 lx。

我國的GB/T50378-2014《綠色建筑評價標準》[6]中規定主要功能房間的采光系數滿足現行國家標準《建筑采光設計標準》GB 50033 的要求。GB 50033-2013《建筑采光設計標準》對判定的指標、采光等級的要求、不同地區的光氣候系數都進行了規定。

2 側面采光評估方法對比

在GB 50033-2013《建筑采光設計標準》對采光等級、窗地面積比、有效進深給出一個估算表格，用于建筑方案設計，如表1 所示。

表1 窗地面積比和采光有效進深

本文根據上述的窗地面積比及有效進深，對兩種方法的采光系數及采光等級進行評估。房間參數與計算工況如下表2 所示。

表2 房間參數與計算工況

將房間的平均采光系數作為評價結果，兩種評估方法各項參數相同，模擬法反射次數取4 次，地面反射比取 0.1，網格間距 0.5m，墻與網格間隔 0.2m，結果對比如表3：

表3 不同窗地面積比計算結果

由上述結果得到如下結論：

1）隨著窗地面積比的減小及有效進深的增加房間的平均采光系數減小。

2）在采光標準中規定的窗地面積比及有效進深，當使用公式法時，得到的平均采光系數并不能完全滿足要求的采光等級，使用模擬法時，可以滿足采光等級要求。由于公式法的采光系數平均值是針對所有室內表面而言的，不同于現在所指的室內參考平面上的采光系數平均值。

3 側面采光方案優化

窗地面積比與有效進深對采光系數有較大的影響。本文取窗地面積比1/3 有效進深1.8 m，對不同的層高、房間尺寸、窗臺高使用兩種方法進行評價。

3.1 不同層高對采光的影響

將房間的平均采光系數作為評價結果，模擬法反射次數取 4 次，地面反射比取 0.1，網格間距 0.5 m，墻與網格間隔0.2 m，當窗地面積比與有效進深相同時，不同層高對結果的影響如表4：

表4 不同層高計算結果

由上述結果得到如下結論：

1）隨著層高的增加，房間的平均采光系數減小。

2）層高對公式法的影響結果較大，這是由于公式法的采光系數平均值是針對所有室內表面而言的，當增加層高時，導致房間的內表面增加。由于模擬法計算的是基準平面0.75 m 的采光系數，因此層高對于模擬法的結果影響較小。

3.2 不同房間尺寸對采光的影響

將房間的平均采光系數作為評價結果，模擬法反射次數取 4 次，地面反射比取 0.1，網格間距 0.5 m，墻與網格間隔0.2 m，當窗地面積比與有效進深相同時，不同房間尺寸對結果的影響如表5：

表5 不同房間尺寸計算結果

由上述結果得到如下結論：

當房間的窗地面積比與有效進深相同時，改變房間的寬度，為了保證窗地面積比相同，窗寬度則發生變化。當房間的尺寸越趨近于正方形，即長寬相同時，平均采光系數越大，采光也更加均勻。由此可以看出窗地面積比與有效進深不是影響采光的唯一因素。

3.3 不同窗臺高對采光的影響

將房間的平均采光系數作為評價結果，模擬法反射次數取 4 次，地面反射比取 0.1，網格間距 0.5 m，墻與網格間隔 0.2 m，當窗地面積比與有效進深相同時，不同窗臺高度對結果的影響如表6：

表6 不同窗臺高計算結果

其中模擬法的具體采光系數結果如圖1 所示：

圖1 不同窗臺高詳細模擬結果

由上述結果得到如下結論：

1）當房間的窗地面積比與有效進深相同時，改變窗子窗臺高，為了保證窗地面積比相同，則窗子尺寸隨著發生變化，窗臺高越高時，模擬法的平均采光系數越低。當窗臺高度過高時，靠近窗子的位置，采光系數降低，導致平均采光系數降低，由此可以看出窗地面積比與有效進深不是影響采光的唯一因素。

2）窗臺高增加時，公式法計算的平均采光系數不變，這是由于公式法僅考慮了窗子的面積未考慮窗臺高度對結果的影響。

4 結論

1）公式法較模擬法的平均采光系數偏小，且不能滿足采光標準要求的采光等級。由于平均公式法的采光系數平均值是針對所有室內表面而言的，不同于現在所指的室內參考平面上的采光系數平均值。公式法將層高對平均采光系數的結果影響偏大且未考慮窗臺高對結果的影響，故模擬法更加接近實際情況。

2）隨著窗地面積比的增加或有效進深的減小，采光系數增加。采光標準中以窗地面積比與有效進深作為評價采光的影響因素，而這兩個指標不是影響采光的唯一因素，隨著房間尺寸接近方形，采光系數增加。隨著窗臺高的增加，采光系數降低。層高對采光系數影響較小。