吳 蔚 劉坤鵬

(南京大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，江蘇南京 210093)

1 引言

好的天然采光不僅可以節(jié)省能源，還可以滿足人們的生理和心理的需求。然而好的天然采光不僅僅是簡單的多開幾個(gè)窗戶就能解決，反觀現(xiàn)在辦公建筑中流行的開多而大的窗口，常常會引起的眩光、直射陽光和室內(nèi)過熱等一系列問題。我國目前天然采光規(guī)范中主要使用的評估參數(shù)是天然采光系數(shù)(Daylight factor)，其定義是“室內(nèi)給定水平面上某一點(diǎn)的由全陰天天空漫射光所產(chǎn)生的光照度和同一時(shí)間同一地點(diǎn)，在室外無遮擋水平面上由全陰天天空漫射光所產(chǎn)生的照度的比值”。采光系數(shù)雖然有簡單易用的優(yōu)點(diǎn)，但我們從其定義可以看出，它本身存在著許多問題［1，2］，包括:1) 無法描述晴天和多云天空情況下的天然采光情況;2)天然采光系數(shù)無法表征建筑的朝向性;3)即使在全陰天的情況下，當(dāng)云量變化大時(shí)，天然采光系數(shù)變化也會比較大;4)當(dāng)天然采光和人工照明混合時(shí)，天然采光系數(shù)無法描述室內(nèi)光環(huán)境;5)天然采光系數(shù)只能量化水平面的天然光分布，然而對人們感知很重要的室內(nèi)垂直面的天然光分布，卻無法評估。近些年來，一些研究人員發(fā)現(xiàn)即使在北歐地區(qū)，以多云天為主的天氣狀況下，天然采光系數(shù)評估方法也有較大誤差［3］。對于描述天然光的氣候性與多變性，天然采光系數(shù)明顯有很多不足之處［4］。

近些年來，國際上發(fā)展起來一些新的天然采光評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，其中以Daylight autonomy(DA)和Useful daylight illuminance(UDI)得到較為廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用［5，26］。Daylight autonomy(DA) 和 Useful daylight illuminance(UDI)在我國目前都無標(biāo)準(zhǔn)翻譯，筆者將Useful daylight illuminance翻譯為“有效天然采光照度”，以下簡稱UDI，Daylight autonomy翻譯為“天然光自主參數(shù)”，以下簡稱DA。DA是測量一年中工作面上的最小照度值超過500勒克斯的時(shí)間有多少 (百分比值)。而UDI是指一年中在工作面上的天然光在一定范圍內(nèi)有效照度的數(shù)據(jù)。從DA的定義可以看出，DA只是考慮到一個(gè)臨界值，卻沒有考慮室內(nèi)天然光過高的情況。然而，近些年相當(dāng)多的研究表明，過高的天然光是與辦公室工作者的視覺不舒適有很多關(guān)聯(lián)。因此，相較于DA，UDI考慮到了在過高天然光的情況下，工作人員的視覺舒適性問題。

本文主要是介紹UDI的由來，并以我國常見的內(nèi)廊板式和中間核心筒式建筑為例，來比較DA、UDI與天然采光系數(shù)之間的優(yōu)劣性。

2 有效天然采光照度 (Useful daylight illuminance)

我們都知道室內(nèi)天然光分布無論是在空間上還是在時(shí)間上變化都相當(dāng)劇烈，在被照面上的照度會隨著天空云量變化而迅速改變，同時(shí)室內(nèi)天然光也會隨著離窗口的距離增大而迅速減小，因此全陰天天空模型很難代表真實(shí)的天空，尤其是當(dāng)有直射陽光的情況下。因此目前歐美采光規(guī)范中出現(xiàn)的單一值，如辦公室內(nèi)被照面上不得低于500勒克斯的規(guī)定，并不適用于變化多端的天然光。因此Nabil和Mardaljevic兩位研究人員認(rèn)為應(yīng)取代規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中單一值方法，提出一個(gè)“有效天然采光照度”的概念。他們認(rèn)為應(yīng)根據(jù)天然光變化快而劇烈的特點(diǎn)，以一定范圍的值來評估天然光。即當(dāng)室內(nèi)天然光在這個(gè)范圍之內(nèi)，可以滿足工作者的正常視覺工作，可以稱之為有效。而當(dāng)在這個(gè)范圍之外，無論是太低或太高，都有可能影響工作者的正常視覺工作，或引起視覺不舒適，都稱之為無效。

然而，現(xiàn)在的問題是如何確定這個(gè)范圍。人眼可接受的視覺范圍很大，但滿足視覺舒適性的范圍就因人而異了。到目前為止，還沒有一個(gè)研究能夠提出一個(gè)確切值或范圍。但有大量研究表明，好的天然光不僅可以增加工作者的視覺舒適性，還可以提高工作效率［6，7］。

英國皇家建筑設(shè)備工程師協(xié)會(The UK Chartered Institution of Building Services Engineers，CIBSE)室內(nèi)采光規(guī)范推薦室內(nèi)采光設(shè)計(jì)應(yīng)為500勒克斯，而500勒克斯是目前西方發(fā)達(dá)國家采用的普遍標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)超過500勒克斯時(shí)，CIBSE建議應(yīng)減少甚至是不提供人工照明。然而，加拿大國家土木工程研究院 (Institute for Research Construction，National Research Council Canada)對一系列大空間辦公室做的現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在辦公室的很多工作人員對150勒克斯的照度就表示滿意了［8］。北美照明工程學(xué)會(The Illuminating Engineering Society of North America，IESNA)建議在有陰極射線管顯示屏 (CRT Screens)的實(shí)驗(yàn)室里，被照面上只要提供50～100勒克斯照明即可［9］。事實(shí)上，在一個(gè)計(jì)算機(jī)公司的實(shí)地調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一個(gè)辦公室里有兩臺計(jì)算機(jī)時(shí)，大部分員工認(rèn)為100勒克斯的照明就夠了［10］。而目前無論是我國的還是國外的采光照明規(guī)范，一般會規(guī)定在工作面的照度至少要滿足300～500勒克斯。與此同時(shí)，有研究也發(fā)現(xiàn)，相較于人工照明，人們對較低的天然光容忍度較高，有的工作人員甚至在室內(nèi)只有50勒克斯時(shí)還在堅(jiān)持閱讀［11］。

在美國伯克利國家實(shí)驗(yàn)室 (Lawrence Berkeley National Laboratory，USA)開展的一項(xiàng)實(shí)地試驗(yàn)中，工作人員被允許調(diào)節(jié)人工照明的亮點(diǎn)和百葉窗的角度，為自己提供一個(gè)較佳的光環(huán)境，研究人員通過多天的跟蹤記錄，發(fā)現(xiàn)早上人們傾向于較高的照度(840～2146勒克斯)，到下午時(shí)照度一般是較低，約在782～1278勒克斯，相較于原來辦公室自動設(shè)定的510～700勒克斯，大多數(shù)工作人員都不約而同的采用較高的照度值［3］。

很多研究都注意到大部分辦公人員都希望有一定形式的天然光。然而當(dāng)在有大面積玻璃幕墻或有較大窗口的辦公室時(shí)，很多工作人員表示出他們的視覺不舒適，特別是不滿意室內(nèi)由較高天然光所引起的眩光等問題［12］。當(dāng)然，與天然光相關(guān)的視覺舒適性問題相當(dāng)復(fù)雜，通常與很多因素有關(guān)，包括朝向、遮擋物、是否有遮陽設(shè)備，甚至與不同地區(qū)的不同氣候特點(diǎn)有關(guān)聯(lián)［12］。其實(shí)早在上世紀(jì)90年代，Selkowwitzd等幾位研究人員在其問卷調(diào)查中就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的天然采光設(shè)計(jì)規(guī)范里有很多弊病，并建議擴(kuò)展辦公室天然采光環(huán)境的概念［13］。如他們發(fā)現(xiàn)很多工作人員期望工作面上的照度要高于設(shè)計(jì)的500勒克斯，且在工作面上的照度要適當(dāng)高出背景光。當(dāng)工作人員在有天然光的辦公室里，他們不僅不介意、反而會希望看見天然光的變化。而且除非當(dāng)室內(nèi)有直射陽光或者明顯的眩光時(shí)，工作人員一般都會不介意較高的亮度［13］。此外，這些研究人員還注意到，在有顯示屏的辦公室里 (顯示屏的擺放位置和角度不會產(chǎn)生眩光的情況下)，工作人員能接受還算舒適 (或可以忍受)的最高照度值是在1800勒克斯。在同一個(gè)實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)，無論是使用計(jì)算機(jī)還是傳統(tǒng)的紙張工作，人們對自然光的接受程度在700～1800勒克斯之間。

根據(jù)上述的文獻(xiàn)回顧，Nabil和Mardajevic將有效采光照度值的范圍確認(rèn)在100～2000勒克斯之間:

(1)當(dāng)室內(nèi)天然光低于100勒克斯時(shí)，可以認(rèn)為無法滿足最基本的視覺工作需要，這時(shí)需要有一定的人工照明進(jìn)行補(bǔ)充。

(2)當(dāng)室內(nèi)天然光在100～500勒克斯時(shí)，可以作為單獨(dú)光源來滿足人們的視覺工作。

(3)當(dāng)室內(nèi)天然光范圍在500～2000勒克斯時(shí)，是一種較好的 (或者是可以忍受的)天然光源。

(4)當(dāng)天然光超過2000勒克斯時(shí)，就會對視覺工作有影響，或者是產(chǎn)生視覺不舒適感。

采光照明與“量”相關(guān)的研究已經(jīng)有了超過百年的歷史，然而與“質(zhì)”相關(guān)的研究還剛剛展開。這些年來，人們逐漸認(rèn)識到采光照明不僅僅是解決視覺舒適性問題，還關(guān)系到人們的健康、行為、覺醒甚至是睡眠質(zhì)量等［14］。Partonen和Lonnqvist發(fā)現(xiàn)在高緯度地區(qū)，提高采光照度可以改善人們的情緒，減緩憂郁［15］。越來越多的研究顯示，對于天然采光而言，目前單一數(shù)值的采光規(guī)范很難滿足人們生理和心理的需求。因此，Useful daylight illuminance定義中，以一定范圍的值來評估天然光明顯更符合“質(zhì)”需求。

隨著先進(jìn)的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的發(fā)展，UDI可以根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驍?shù)據(jù)，計(jì)算在全年天然采光情況下，以小時(shí)為單位的年天然采光預(yù)測結(jié)果。可以說，UDI是根據(jù)現(xiàn)實(shí)的隨時(shí)間變化的天然光照條件，預(yù)測絕對天然采光情況下的室內(nèi)采光情況。

3 建筑模型與計(jì)算機(jī)模擬

為檢驗(yàn)DA、UDI與天然采光系數(shù)這三種參數(shù)的優(yōu)劣性，本文選擇我國常見的兩種辦公建筑為例——內(nèi)廊板式和中間核心筒式建筑，以這三種參數(shù)對其室內(nèi)天然光環(huán)境進(jìn)行評估。

3.1 建筑模型

內(nèi)廊板式辦公建筑的尺寸設(shè)定為64米×20米×21.6米 (長×寬×高)，層數(shù)為6層，層高為3.6米，主朝向是南北向。根據(jù)《辦公建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，窗所占面設(shè)為30%，設(shè)定窗戶為窗臺高1米，窗高為1米的帶型窗。模擬分為無遮陽和有遮陽兩種情況。遮陽是在東側(cè)，西側(cè)，南側(cè)增加遮陽板，遮陽板厚度為0.3米，距離地板2.1米，遮陽板的外檐距離墻面1米，北側(cè)沒有出挑 (本文只考慮北半球的情況)。

核心筒式辦公樓設(shè)定為正方形，核心筒大小為14米×14米，層高為3.6米，核心筒式辦公樓多用于高層和超高層建筑中，由于本模擬僅對某一層平面作分析即可，因此本模型只模擬了三層以及上下相鄰的幾層。模擬也是分為無遮陽和有遮陽兩種情況，有遮陽是在東側(cè)，西側(cè)，南側(cè)增加遮陽板，遮陽板厚度為0.3米，距離地板2.1米，遮陽板的外檐距離墻面1米，北側(cè)沒有出挑。圖1為板式及核心筒式辦公樓的平面圖。圖內(nèi)兩個(gè)矩形假定為設(shè)備及樓梯間，做不透光處理。

圖1 板式及核心筒式辦公樓平面圖

3.2 計(jì)算機(jī)軟件及參數(shù)設(shè)定

本文采用的計(jì)算機(jī)模擬軟件是 DAYSIM。DAYSIM是由加拿大國家實(shí)驗(yàn)室和德國弗勞恩霍夫研究所太陽能研究中心共同研發(fā)的一款年動態(tài)天然采光分析模擬軟件，該軟件是基于RADIANCE的蒙特卡羅反向光線跟蹤算法，并根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驍?shù)據(jù)來動態(tài)模擬年采光情況。近幾年來，該軟件多次通過驗(yàn)證并被天然采光研究界廣泛采用［16，17，18］。DAYSIM一款免費(fèi)軟件，可以在Windows和linux兩種操作系統(tǒng)下都可以運(yùn)行，并可與許多CAD軟件相連接，包括 Rhinoceros，Autodesk-Ecotect和 Google Sketch up［19］。DAYSIM 采用的是Perez天空模型，能夠綜合計(jì)算全年陰天、晴天和多云天空等各種天空條件下直射光、漫射光及地面反射光對室內(nèi)天然采光的影響［20］。并根據(jù)Tregenza提出的日光參數(shù)法(Daylight Coefficient method) 來計(jì)算室內(nèi)照度［21］。相較于只能在全陰天空情況評估室內(nèi)采光的天然采光系數(shù) (Daylight factor)，日光參數(shù)法 (Daylight Coefficient method)可以計(jì)算任意天空狀態(tài)下室內(nèi)照度。

模擬中辦公建筑模型的材料，是根據(jù)我國《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中推薦的室內(nèi)反射比，模型中天花為0.8，墻面為0.6，地面為0.4，玻璃的透光系數(shù)是0.8。氣候參數(shù)的選擇是全年動態(tài)天然采光模擬軟件在計(jì)算過程所必須的基本數(shù)據(jù)，本文以南京地區(qū)作為研究對象，采用的從美國能源部網(wǎng)站下載EPR格式的南京地區(qū)典型氣候年的逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)［22］。DAYSIM內(nèi)的參數(shù)是按其所推薦的設(shè)置，最主要的幾個(gè)參數(shù)設(shè)置如下:ambient bounces設(shè)為5，ambient divisions設(shè)為 1000，ambient accurary設(shè)為0.1，direct sampling設(shè)為0.2，direct relays設(shè)為2。

4 模擬結(jié)果

本文的主要目的是比較天然采光系數(shù) (Daylight Factor，以下簡稱DF)、DA(Daylight autonomy，天然光自主參數(shù))、UDI(Useful daylight illuminance有效天然采光照度)這三個(gè)天然采光評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，來描述室內(nèi)天然采光的優(yōu)劣性。

4.1 板式辦公樓

圖2、圖3分別為板式辦公建筑DF、DA、UDI的偽色彩和照度 (南北)比較值。其中左邊為無遮陽方案，右邊為有遮陽方案。圖2、圖3中，DF的偽色彩和照度值在最上面一行，UDI在最下面一行，DA在中間一行。

圖2 板式辦公樓DF、DA與UDI之間的偽色彩比較圖

圖3 板式辦公樓DF、DA與UDI之間的南北向照度比較

DF的模擬是根據(jù)CIE標(biāo)準(zhǔn)全陰天空，從圖2、3板式辦公樓的DF模擬圖，可以看出四邊的照度值幾乎一樣，沒有方向的分別，距離窗戶兩米以內(nèi)的采光系數(shù)為10%或者更高，隨著與窗戶的距離越來越遠(yuǎn)，采光系數(shù)迅速減少，在距離窗戶兩米的時(shí)候采光系數(shù)減少到4%。

DA模擬采用的是南京全年典型氣象數(shù)據(jù)，按照一年之中每天09∶00～18∶00的采光情況來進(jìn)行測算的，從模擬結(jié)果可以看出四個(gè)立面2米以內(nèi)的全年DA平均值超過了80%(500lx或者更高)，特別是在無遮陽中的轉(zhuǎn)角部分，和DF圖中的轉(zhuǎn)角部分很相似，但是和DF不同的是在有遮陽方案中，中南向和北向、東向和西向都是不對稱的，東北側(cè)隨著距窗戶的距離逐漸增大DA值降低的最快，遮陽板的出挑則導(dǎo)致了DA值的明顯減小。

UDI模擬采用的是南京全年典型氣象數(shù)據(jù)，在無遮陽的板式辦公樓中，UDI模擬結(jié)果顯示建筑外圍區(qū)域的全年有效照度是很低的，通過圖3可以觀察出這是由于UDI數(shù)據(jù)大大超過標(biāo)準(zhǔn)而導(dǎo)致的，在建筑外圍大約有60%的時(shí)間沒有處在有效照度的范圍內(nèi)。這是因?yàn)榭拷爸苓叺恼斩戎颠^高造成的。當(dāng)在東、南、西三個(gè)方向增加了懸挑遮陽，從模擬結(jié)果中可以看出遮陽設(shè)施有效的減少了建筑周邊的照度，特別是建筑的東側(cè)和西側(cè)，因此UDI超出標(biāo)準(zhǔn)區(qū)域范圍的量明顯下降，全年達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間超過了50%，和DF與DA相比在建筑的四個(gè)角部也有較為明顯的變化，全年有效天然光照度大約在35～40%之間。

4.2 核心筒式辦公樓

圖4、圖5分別為核心筒式辦公建筑DF、DA、UDI的偽色彩和照度比較值。其中左邊為無遮陽方案，右邊為有遮陽方案。圖4、5中，DF的偽色彩和照度值在最上面第一行，中間一行是DA，UDI在最下面一行。

圖4 核心筒式辦公樓DF、DA與UDI之間的偽色彩比較圖

核心筒式辦公建筑的DF模擬也是根據(jù)CIE標(biāo)準(zhǔn)全陰天空，從圖4、圖5可以看出核心筒式辦公樓采光系數(shù)的變化與板式辦公樓類似，即采光系數(shù)對方向不敏感，采光系數(shù)在距離窗戶的較近的地區(qū)變化較大，不同的是核心筒式辦公樓南北向的進(jìn)深要更大，靠近中心筒部分的區(qū)域采光系數(shù)較低。同樣的，將核心筒式辦公樓的DF模擬結(jié)果和DA模擬結(jié)果相比較也會發(fā)現(xiàn)驚人的相似性，尤其是在轉(zhuǎn)角部分。然而在無遮陽方案時(shí)，DA就不是向DF相對稱，在東南向，室內(nèi)照度值明顯高于其他方向。

核心筒式辦公樓的UDI模擬結(jié)果的變化和板式辦公樓UDI模擬結(jié)果的變化相似，即在窗口周邊，因?yàn)樘烊还庹斩雀哂?000勒克斯，所以有效值反而降低。當(dāng)在增加了遮陽措施后，超出UDI有效照度值的區(qū)域大大減少，尤其是建筑的東西兩側(cè)，表現(xiàn)尤為明顯，建筑的四個(gè)角部亦有明顯變化。

4.3 DF、DA、UDI之間的比較

從圖3～圖5分析可以看出最突出的特點(diǎn)就是DF分布的相似性和DA、UDI分布的不相似性，特別DF對朝向的不敏感性。DF和DA在分布模式上是相似的，最高的部分位于建筑周邊區(qū)域，但是UDI卻有一個(gè)和DF和DA相比不同的分布模式:UDI在建筑周邊區(qū)域一側(cè)是比較小的，即采用UDI評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)后，一些滿足采光規(guī)范的區(qū)域，用UDI標(biāo)準(zhǔn)來評價(jià)卻是不滿足的。

圖5 核心筒式辦公樓DF、DA與UDI之間的南北向照度比較

在有遮陽方案中 (東、南、西三面有遮陽):靠近窗口區(qū)域的部分，符合標(biāo)準(zhǔn)的DF值和DA值都有一定的減少，但達(dá)到UDI標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)域卻迅速擴(kuò)大，在圖4、圖5中可以明顯看到同樣的增長，這正是由于遮陽板降低了這一區(qū)域的天然采光量，使這一部分由原來超過UDI標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)域轉(zhuǎn)換為符合UDI標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)域。

總之，這兩種辦公建筑類型中在沒有遮陽的情況下，DA值和DF值的最高部分很明顯的被表現(xiàn)出來。UDI的模擬結(jié)果則顯示在窗口周邊區(qū)域超過2000勒克斯的時(shí)間占全年工作時(shí)間的40%～60%。這一模擬結(jié)果，與我們經(jīng)驗(yàn)感知和許多研究相類似，對于身在有大面積采光口的辦公人員來說，室內(nèi)過高的天然光會直射陽光、眩光等諸多問題，對視覺工作造成影響。

5 結(jié)語

自從上世紀(jì)40年代天然采光系數(shù)被提出來之后，由于其簡單易用，被廣泛接受使用，各國的采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)都主要以天然采光系數(shù)而制定。但天然采光系數(shù)的因其本身的弊病，很難真實(shí)的反映室內(nèi)天然光的分布。隨著先進(jìn)的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的發(fā)展，精確的模擬室內(nèi)天然光已經(jīng)唾手可得，因此有必要開發(fā)出能更能滿足人們需要的采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

從上述的模擬結(jié)果可以看出，UDI標(biāo)準(zhǔn)不僅能反映室內(nèi)工作者的真實(shí)感受，具有一定有效性。雖比DA標(biāo)準(zhǔn)復(fù)雜一點(diǎn)，但也可以稱之為簡單易用，并且可以較準(zhǔn)確地描述天然光在時(shí)間和空間上的變化，特別的是UDI將過高照度值所引起的視覺不舒適性考慮進(jìn)來，相較于以往單一值的采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在一定范圍照度值的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)顯然更能夠準(zhǔn)確描述室內(nèi)采光質(zhì)量。相較于天然采光系數(shù)，UDI無疑提供了更加有效和適應(yīng)性強(qiáng)的，能夠基于全年氣象數(shù)據(jù)的動態(tài)天然采光評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

UDI是一個(gè)嘗試評估天然光“質(zhì)“的天然采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在UDI較高時(shí)，意味室內(nèi)天然光滿足工作人員的視覺工作的需求，因此就減少了人工照明的需求。當(dāng)然，UDI是近幾年來國際光學(xué)界剛剛研發(fā)的一個(gè)概念，還存許多問題，需要進(jìn)一步的研究，尤其UDI是否能夠降低建筑能耗、及與室內(nèi)熱環(huán)境之間的關(guān)系已經(jīng)引起很多研究人員的興趣。

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