基于自然采光的體育館性能比較分析

宋海宏，鄒金龍，張 欣

(東北林業(yè)大學(xué) 園林學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 前 言

采光意味著建筑物中自然光的受控使用，以實(shí)現(xiàn)理想的視覺(jué)、熱舒適和心理舒適。許多研究人員[1-2]概述了室內(nèi)自然采光的目的，如可以提高任務(wù)績(jī)效、社會(huì)互動(dòng)和能源效率等。20世紀(jì)70年代，全球石油危機(jī)促使研究人員研究減少能源需求的不同方法，因?yàn)閾?jù)估計(jì)，僅人工照明就占建筑行業(yè)能源消耗的20%～40%[3]。因此，研究界試圖將自然采光概念納入建筑實(shí)踐，建筑性能模擬受到了廣泛關(guān)注。Ladybug和Honeybee插件是開(kāi)源的、易于使用的建筑性能模擬插件，支持視覺(jué)性能、能耗和熱舒適的模擬。

隨著對(duì)美好生活需要的日益增長(zhǎng)，全面多元發(fā)展越來(lái)越成為現(xiàn)代人所追求的目標(biāo)，人們對(duì)體育運(yùn)動(dòng)的關(guān)注與訴求不斷提高。作為體育運(yùn)動(dòng)重要載體的體育館如何更好地服務(wù)居民這一課題受到眾多學(xué)者關(guān)注。因此，本文采用Ladybug和Honeybee插件對(duì)不同自然采光形式的體育館性能進(jìn)行定量仿真模擬計(jì)算和分析。

1 參數(shù)化仿真性能模擬計(jì)算

1.1 研究案例

體育館可分為側(cè)面采光和頂界面采光兩種形式，本文主要對(duì)頂界面自然采光的體育館進(jìn)行研究，根據(jù)頂界面自然采光構(gòu)建形式的不同，可以分為四類(lèi)：?jiǎn)蜗?、雙向、中心垂直以及放射狀垂直采光[4](見(jiàn)圖1)。

(a)單向垂直采光

1.2 性能模擬目標(biāo)

1)全自然采光百分比(Daylight Autonomy，DA)：DA是基于光氣候數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)自然采光評(píng)價(jià)指標(biāo)，其定義為一年時(shí)間內(nèi)，仿真模擬測(cè)試點(diǎn)自然采光滿足最小照度值300 lux的時(shí)間與設(shè)定的工作日總時(shí)間的比值，單位為%[5]。

2)有效自然采光百分比(Useful Daylight Illuminance，UDI100-2 000lux)：UDI100-2000lux是基于測(cè)試點(diǎn)照度演化而來(lái)的動(dòng)態(tài)自然采光評(píng)價(jià)指標(biāo)，其定義為一年時(shí)間內(nèi)，仿真模擬測(cè)試點(diǎn)自然采光滿足100 lux～2000 lux的時(shí)間與設(shè)定的工作日時(shí)間的比值，單位為%[6]。

3)年均能耗密度(Energy Use Intensity，EUI)：EUI指標(biāo)定義為建筑單位面積上的全年能耗，單位為kWh/m2[7]。在本研究中，EUI綜合考慮了年均照明、年均制冷、年均制熱以及年均設(shè)備能耗四個(gè)指標(biāo)。

4)預(yù)測(cè)平均評(píng)價(jià)(Predicted Mean Vote，PMV)：PMV是以人體熱平衡基本方程式和生理學(xué)主觀熱感覺(jué)為出發(fā)點(diǎn)并綜合考慮了人體熱舒適感等諸多相關(guān)因素的全面評(píng)價(jià)指標(biāo)[8]。

1.3 性能模擬流程

本文研究案例位于我國(guó)夏熱冬暖的廣州地區(qū)，體育館比賽大廳室內(nèi)光環(huán)境模擬參數(shù)來(lái)源于《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50033—2013)(模擬流程見(jiàn)圖2)，能耗、熱舒適度模擬參數(shù)來(lái)源于《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施指南》(GB 50189—2015)、《民用建筑綠色性能計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 499—2018)(見(jiàn)圖3～4)。

圖2 DA、UDI100-2000lux性能模擬流程

圖3 EUI性能模擬流程

圖4 PMV性能模擬流程

2 仿真模擬分析

模擬結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 性能模擬結(jié)果

由表2可知，單向與雙向垂直采光構(gòu)建形式相較于其他兩種采光形式而言，DA值更大，中心與放射狀垂直采光構(gòu)建形式相較于其他兩種采光形式而UDI100-2000lux更大，EUI和PMV值更小，說(shuō)明較大的窗戶采光可以提高體育館室內(nèi)照度，與此同時(shí)，窗戶面積的增大將導(dǎo)致更多的日照輻射、增加窗戶與外界的能量傳遞，從而影響室內(nèi)熱環(huán)境和能源消耗。

3 結(jié) 語(yǔ)

在建筑設(shè)計(jì)的早期階段，設(shè)計(jì)者應(yīng)該考慮許多設(shè)計(jì)的可能性，并且必須在整個(gè)過(guò)程中做出大多數(shù)的決定。選擇合適的自然采光形式是早期設(shè)計(jì)階段決策的一部分，以后很難更改。

因此，在建筑設(shè)計(jì)的早期階段，選擇合適的自然采光形式，在能耗、室內(nèi)熱環(huán)境和視覺(jué)性能之間找到平衡是非常重要的?；赗hino + Grasshopper參數(shù)化設(shè)計(jì)平臺(tái)可用于建筑設(shè)計(jì)過(guò)程的任何階段，以提高建筑性能的優(yōu)化目標(biāo)而無(wú)需在建模軟件和性能模擬軟件之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

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