李崢嶸 陸瑞陽 趙 群

1同濟(jì)大學(xué)機械與能源學(xué)院

2同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院

基于晝光眩光特性的辦公建筑遮陽使用需求分析

李崢嶸1陸瑞陽1趙 群2

1同濟(jì)大學(xué)機械與能源學(xué)院

2同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院

本文以上海某辦公室為例，采用DGP晝光眩光模型進(jìn)行模擬計算，比較了不同朝向、不同人員位置、不同人員視線方向、不同玻璃透射率與是否使用遮陽設(shè)施的眩光水平差異，評價了室內(nèi)人員處于不同狀態(tài)時遮陽的使用需求。由于將晝光眩光的發(fā)生情況用量化的方式進(jìn)行描述，具體表現(xiàn)了遮陽設(shè)施的使用需求，為室內(nèi)布局以及遮陽眩光自動控制策略提供依據(jù)。

晝光眩光遮陽需求DGP

0 引言

隨著玻璃在建筑中大面積使用，更多的太陽光可以進(jìn)入建筑室內(nèi)，在增加室內(nèi)照度的同時帶來了強烈的晝光眩光。為了減少晝光眩光的影響，辦公建筑通常采用內(nèi)遮陽的方式以減小天空視閾，降低晝光眩光感覺。由于遮陽設(shè)施的可見光透射率較低，在使用遮陽設(shè)施的同時會造成室內(nèi)部分工作平面的照度偏低，需要開啟照明補充照度，增加了建筑照明能耗。因此在防止晝光眩光與增加室內(nèi)照度中尋找平衡點是建筑節(jié)能的一個研究方向，涉及到遮陽的使用和控制模式。

評價室內(nèi)的眩光水平需要依靠眩光指標(biāo)進(jìn)行?，F(xiàn)有的很多眩光指標(biāo)都是針對小的建筑人工光源開發(fā)的，如VCP、BGI、UGR，但是上述指標(biāo)都不適合用于晝光眩光預(yù)測，原因如下：①晝光眩光的光源比較大，超過了0.01的體積角，大的眩光光源可以提升眼睛的適應(yīng)性，導(dǎo)致對眩光感覺的改變；②在相同的光源大小下，人員對自然光具有更強的忍受力。

DGI（Daylight Glare Index）是針對晝光眩光的主要指標(biāo)，它考慮了人員對自然光的忍受能力，將指標(biāo)進(jìn)行了上移，但是由于最先的DGI是從大面積人工光源的結(jié)果上引進(jìn)，它仍然不能準(zhǔn)確預(yù)測眩光水平，部分研究表明實際情況中的眩光情況低于DGI預(yù)測值。

DGP[1]（Daylight Glare Probability）是基于自然光進(jìn)行試驗得到的眩光指標(biāo)體系，相對于人工光源試驗獲得的指標(biāo)體系有進(jìn)步。DGP模型現(xiàn)已被Daysim和DIVA軟件納入計算，可以獲得全年動態(tài)眩光結(jié)果[3]。

本文采用DGP指標(biāo)模型對室內(nèi)的眩光水平影響因素和遮陽使用需求進(jìn)行分析，為遮陽自動控制策略提供依據(jù)。

1 DGP模型

DGP模型是由Jan Wienold于2006年開發(fā)，用于評價室內(nèi)晝光眩光的指標(biāo)。作者通過實際太陽光環(huán)境下實驗房測試與問卷調(diào)研，得到室內(nèi)環(huán)境與太陽眩光感覺的關(guān)系。該模型以眼部照度、眩光源亮度、立體角與位置指數(shù)作為參數(shù)，擬合出評價晝光眩光的公式：

式中：Ev為眼部的垂直照度；Ls,i為光源亮度；ωs,i為光源體積角；Pi為位置指數(shù)。

DGP表征人員受太陽眩光影響情況，指標(biāo)分為四個等級，如表1。

表1 DGP等級劃分

當(dāng)DGP超過0.4時認(rèn)為人員受到晝光眩光的影響。

2 辦公室模型建立與驗證

2.1 研究對象

本文研究對象位于上海，屬于典型的辦公房間，尺寸為5.7m×7.0m×3.4m，窗戶尺寸為4.7m×1.7m，下沿距離地面0.9m，窗戶朝南，為鋁框單層標(biāo)準(zhǔn)平板玻璃，窗墻比0.4。房間位于大樓第五層，窗戶前無明顯遮擋物。房間布局如圖1所示。

圖1 研究對象房間布局

2.2 模型驗證

采光系數(shù)（Daylight Factor）是一項用于評價室內(nèi)自然光采光效果的重要參數(shù)，且容易通過測試得到。本部分通過實測獲得研究對象各個測點的采光系數(shù)，將其與模擬得到對應(yīng)測點的采光系數(shù)進(jìn)行比較，以驗證模型的光學(xué)準(zhǔn)確性。采光系數(shù)C的計算公式如下[4]：

式中：En為在全陰天空漫射光照射下，室內(nèi)給定平面上的某一點由天空漫射光所產(chǎn)生的照度，lx；Ew為在全陰天空漫射光照射下，與室內(nèi)某一點照度同一時間、同一地點，在室外無遮擋水平面上由天空漫射光所產(chǎn)生的室外照度，lx。

對房間內(nèi)部20個測點進(jìn)行照度測試，測點布置如圖1所示。經(jīng)過比較，各測點的誤差均在10%以內(nèi)，模擬結(jié)果與實測結(jié)果比較如圖2所示。本文采用該模型進(jìn)行房間全年眩光特性分析。

圖2 實測與模擬采光系數(shù)比較

3 模擬工況設(shè)定

本文對上海地區(qū)辦公室內(nèi)的眩光情況進(jìn)行了模擬，考慮了不同的窗戶朝向、人員位置、視線方向、玻璃透射率以及是否使用遮陽設(shè)施對室內(nèi)眩光的影響，具體設(shè)置見表2。不同因素的組合表征了不同的室內(nèi)人員狀態(tài)，各因素在房間的體現(xiàn)如圖3所示。

表2 研究的影響因素

由于變量繁多，在后續(xù)進(jìn)行比較時，文中以南向、45°視線朝向、2m進(jìn)深、普通平板玻璃、無遮陽狀態(tài)為比較的基準(zhǔn)，評價其中某一參數(shù)的改變對眩光影響時，其他參數(shù)均處于基準(zhǔn)狀態(tài)。

圖3 室內(nèi)不同狀態(tài)示意

4 模擬結(jié)果與分析

4.1 朝向?qū)ρ９獾挠绊?/p>

將各個朝向全年眩光水平進(jìn)行統(tǒng)計，以箱形圖的形式進(jìn)行表述。箱形圖表示的含義如圖4所示。

圖4箱形圖含義說明

圖5 為各個朝向全年工作時間段的眩光水平箱形圖。北向的眩光水平顯著低于南、東、西三個方向。北向眩光最大值可達(dá)1，但比例較低，超過75%的時間眩光值均低于0.4，處于可接受的范圍。南、東、西三個方向的中位數(shù)在0.4附近，認(rèn)為近一半的時間都存在眩光干擾。

圖5 各朝向的眩光水平

4.2 人員位置對眩光的影響

隨著人員位置與窗的距離增加，眼部垂直照度會減小，玻璃作為光源在眼睛位置的體積角也有所減小，眩光值總體呈減小的趨勢，如圖6所示。

圖6 各進(jìn)深的眩光水平

4.3 視線方向?qū)ρ９獾挠绊?/p>

當(dāng)進(jìn)深為2m時，90°視線角度與45°視線角度的眩光水平接近，45°視線方向稍高于90°方向。當(dāng)視線方向繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，眩光水平隨著角度的減小而減小，如圖7所示。

圖7 各視線方向的眩光水平

4.4 玻璃透射率與遮陽設(shè)施對眩光的影響

模擬分別采用普通玻璃和雙層Low-E玻璃兩種，透射率分別為0.96和0.70。遮陽是調(diào)節(jié)室內(nèi)光環(huán)境的重要手段。模擬中采用內(nèi)遮陽設(shè)施，可見光透射率10%，反射率47%。從圖8中可以看出，使用遮陽后的眩光水平顯著降低。

圖8 Low-E玻璃與遮陽工況的眩光水平

5 遮陽的需求分析

以產(chǎn)生不舒適晝光眩光為遮陽使用條件，認(rèn)為當(dāng)DGP大于0.4時有使用遮陽的需求，當(dāng)DGP小于0.4時宜將遮陽收起以便充分利用自然光增加室內(nèi)照度水平，減少建筑照明能耗。用動態(tài)模擬方法得到全年逐時眩光變化，統(tǒng)計各朝向全年工作時段（8:30~ 17:30，以8.5～17.5表示）各時刻DGP>0.4所占比例作為遮陽使用頻率，用以表征使用遮陽的需求。遮陽使用頻率從0～1變化，值越高表明對遮陽需求越高。以雷達(dá)圖來表征各季節(jié)平均各時刻的遮陽使用頻率，其所圍面積的大小可以表示該季節(jié)對遮陽需求大小。

5.1 不同朝向各季節(jié)遮陽需求

不同窗戶朝向有不同的眩光狀態(tài)，從圖9中可以看出，南向的窗戶對遮陽需求最高，且從上午9:30到下午15:30各時段需求比較平均。北向的遮陽需求最小，在夏季下午13:30到17:30時段眩光需求可以達(dá)到0.5，其他時間遮陽需求均小于0.25。東向與西向的遮陽需求低于南向高于北向，東向遮陽需求從上午8:30到12:30，下午沒有遮陽需求；西向遮陽需求從上午11:30到下午17:30。

圖9 各朝向的遮陽需求

5.2 不同進(jìn)深各季節(jié)遮陽需求

圖10表示了不同進(jìn)深下的情況的遮陽需求水平。在距離窗0.5～1m的范圍之內(nèi)對遮陽的需求差異不大，多個時刻需要100%使用遮陽。從季節(jié)來看，在該進(jìn)深范圍內(nèi)，遮陽需求與太陽高度角無關(guān)，而與太陽輻射強度相關(guān)，夏季的遮陽需求稍高于冬季。當(dāng)進(jìn)深大于1.5m時，遮陽需求開始減小。當(dāng)進(jìn)深大于3m時，夏季遮陽需求明顯小于冬季，太陽高度角開始發(fā)揮主導(dǎo)作用。

圖10 各進(jìn)深的遮陽需求

5.3 不同視線方向各季節(jié)遮陽需求

圖11表示了在不同視線方向下的遮陽需求。45°與90°視線方向的遮陽需求較其他方向高，最高可達(dá)0.75。其他視線角度的遮陽需求均處于低水平，除冬季部分時刻能超過0.5，其他時間遮陽需求均不超過0.3。 -90°視線方向遮陽需求為0，并未表示在圖11中。

圖11 各視線方向的遮陽使用需求

6 結(jié)論

1）針對本文研究對象中的測點位置，窗戶位于南、西、東三個方向均有較高的眩光水平，有較高的遮陽需求。對于窗戶在南向的房間冬季的眩光水平高于夏季，更需要遮陽；北向在夏天傍晚時刻有較高眩光水平，也需要遮陽。

2）當(dāng)視線方向朝向窗戶時，進(jìn)深距離對眩光的影響與窗戶的結(jié)構(gòu)相關(guān)。當(dāng)夏季太陽高度角較高時，若測點位于陽光直射范圍之外，則其受眩光影響相對較小。而冬季由于太陽高度角低，眩光水平普遍較高。

3）視線角度對眩光的影響很大，90°向外與向內(nèi)的眩光水平差異巨大。對于辦公室來說，室內(nèi)人員的有著不同的工作位置和不同的視線方向，在評價測點的眩光水平時需要將兩者同時考慮。另外，即使兩個測點眩光水平接近，需求出現(xiàn)的時刻也會有所不同，這些都需要詳細(xì)分析。

辦公室的眩光水平具有較強的個體特性，與室內(nèi)布局緊密相關(guān)，不同布局組成有著不同的需求水平與需求時間段?；谘９馑娇紤]遮陽自動控制策略時，應(yīng)選擇辦公室內(nèi)中最不利的工作點作為控制對象。由于隨著時間變化最不利點也在變化，因此需要有個合理的方法將這個問題納入考慮。

[1]Jan Wienold,Jens Christoffersen.Evaluation methods and develo -pment of a new glare prediction model for daylight environments with the use of CCD cameras[J].Energy and Buildings,2006,38: 743-757

[2]Yufan Zhang,Peter Barrett.Influencing occupants’blind-control behaviour in a naturally ventilated office building[J].Building and Environment,2012,54:137-147

[3]Jan Wienold.Dynamic daylight glare evaluation[C].Building Simulation 2009,2009

[4]建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50033-2001)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2001

Ana lys is on the Sha ding De m a nd of a n Offic e ba s e d on the Da ylight Gla re Prope rtie s

LI Zheng-rong1,LU Rui-yang1,ZHAO Qun2
1 School of Mechanical Engineering,Tongji University
2 College of Architecture and Urban Planning,Tongji University

This paper simulated the DGP at different testing conditionsin an office in Shanghai.With different window orientation,view direction and window transmissivity the DGP(Daylight Glare Probability)varies notably and the need for shading also changes with time.The characteristic of shading demand is a support to the design of automated shading systems as well as the interior design.

daylight glare,shading demand,DGP(Daylight Glare Probability)

1003-0344（2014）04-029-4

2013-5-13

趙群（1975～），博士，講師；上海市四平路1239號同濟(jì)大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院建筑系（200092）；E-mail:zhaoqun@#edu.cn基金項目：國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目（51208363）