林若慈，張建平，王書曉

(中國(guó)建筑科學(xué)研究院，北京 100013)

1 引言

《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50033—2013于2013年5月1日開始正式實(shí)施，在其采光計(jì)算中給出了新的采光計(jì)算方法。本方法是在以往多年采用的達(dá)尼留克圖表法、立體角投影圖表法、等天然光照度系數(shù)法、綜合計(jì)算圖表法等方法之后新開發(fā)的一種簡(jiǎn)捷、實(shí)用的采光計(jì)算方法。根據(jù)采光設(shè)計(jì)各個(gè)階段的不同需求及計(jì)算使用目的之不同，采光計(jì)算可歸納為3種情況:①窗地面積比:在初步方案設(shè)計(jì)階段，可利用窗地面積比估算開窗面積。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的窗地面積比是在規(guī)定的計(jì)算條件下確定的，此窗地面積比只適用于規(guī)定的計(jì)算條件，如實(shí)際情況與規(guī)定的計(jì)算條件相差較大，估算的開窗面積和實(shí)際值就會(huì)有較大的誤差。②簡(jiǎn)化采光計(jì)算方法:本標(biāo)準(zhǔn)推薦的平均采光系數(shù)計(jì)算方法屬簡(jiǎn)化采光計(jì)算方法，在進(jìn)行具體采光設(shè)計(jì)時(shí)，利用簡(jiǎn)單的公式和圖表計(jì)算得到房間的平均采光系數(shù)和窗地面積比，用來(lái)檢驗(yàn)房間的采光是否達(dá)到了采光標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的平均采光系數(shù)或窗地面積比。③計(jì)算機(jī)模擬采光計(jì)算分析:采光標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定“對(duì)采光形式復(fù)雜的建筑，應(yīng)利用計(jì)算機(jī)模擬軟件或縮尺模型進(jìn)行采光計(jì)算分析?！蹦壳按笮凸步ㄖ捏w形越來(lái)越趨于復(fù)雜，住宅形式也變得多樣化，窗戶的型式和位置各異，城市密度加大，室外遮擋嚴(yán)重，外立面上形成的各種自遮擋也會(huì)對(duì)采光產(chǎn)生不利影響。計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算可以通過(guò)嚴(yán)格建模，精確計(jì)算，定量給出室內(nèi)任一點(diǎn)的采光系數(shù)值，同時(shí)還能夠提供天然光在整個(gè)室內(nèi)的分布狀況，包括采光系數(shù)最大值、最小值、平均值、采光均勻度以及各個(gè)點(diǎn)上的天然光照度等。該方法精度高，但計(jì)算復(fù)雜、工作量大，往往需要使用Radiance、Ecotect進(jìn)行計(jì)算完成，適合于用來(lái)計(jì)算復(fù)雜建筑形式的采光或要求對(duì)多個(gè)建筑進(jìn)行采光計(jì)算分析。

2 頂部采光計(jì)算方法

2.1 計(jì)算方法的基本原理

本計(jì)算方法基于電氣照明的流明法 (lumen method)，它提供一個(gè)簡(jiǎn)單的方法用來(lái)預(yù)測(cè)通過(guò)天窗獲得的室內(nèi)天然光照度。流明法計(jì)算參數(shù)包括:

(1)室外照度:根據(jù)室外天空狀況確定天窗或側(cè)窗上的室外天然光照度，國(guó)際照明委員會(huì) (CIE)標(biāo)準(zhǔn)天空室外水平面和垂直面上的照度與太陽(yáng)高度角和方位角有關(guān)，在標(biāo)準(zhǔn)全陰天空條件下室外水平面和垂直面上的照度只與太陽(yáng)高度角有關(guān)，如圖1、圖2所示。

圖1 全陰天空水平照度Fig.1 Horizontal illuminance of overcast sky

圖2 全陰天空垂直照度Fig.2 Vertical illuminance of overcast sky

(2)窗的總透射比:光透過(guò)窗組件減少后到達(dá)室內(nèi)的光量，包括窗玻璃的透射比、光損失系數(shù)和其他需要考慮的因素，取決于窗控系統(tǒng)的復(fù)雜程度。

(3)利用系數(shù):被照面接受到的光通量與天窗或集光器接受到來(lái)自天空的光通量之比。

2.2 頂部采光流明法

在水平屋面上采用水平天窗采光系統(tǒng)可以采用流明法，假定天窗在屋頂上是均勻布置的，工作面上的天然光平均水平照度可由式 (1)求得:

式中 Ei——天窗在室內(nèi)工作面上產(chǎn)生的平均水平照度(lx);

Exh——天窗上的室外水平面照度 (lx);

Ac——天窗在水平面上的投影面積 (m2);

Ad——工作面的面積，即地面面積比 (m2)。

τ——總透射比，包括控制裝置、維護(hù)系數(shù)產(chǎn)生的光損失。

CU——利用系數(shù)。

頂部采光計(jì)算采用流明法，假定天窗間距與安裝高度之比為1.5∶1，采光均勻度可達(dá)到0.7。全陰天空條件下來(lái)自天窗的光為朗伯體分布 (余弦分布)，光分布曲線見(jiàn)圖3。

圖3 光分布曲線 (光通折合成1000lm)Fig.3 Light distribution

2.3 采光標(biāo)準(zhǔn)頂部采光計(jì)算 (見(jiàn)圖4)

圖4 頂部采光示意圖Fig.4 Toplighting

(1)采光系數(shù)平均值可按式 (2)計(jì)算:

式中 Cav——采光系數(shù)平均值 (%);

τ——窗的總透射比;

CU——利用系數(shù)，可按表1取值;

Ac/Ad——窗地面積比。

1)窗的總透射比τ可按式 (3)計(jì)算:

式中 τo——采光材料的透射比;

τc——窗結(jié)構(gòu)的擋光折減系數(shù);

τw——窗玻璃的污染折減系數(shù)。

2)室空間比RCR的計(jì)算:

式中 hx——工作面至天窗底部的高度 (m);

l—— 房間的長(zhǎng)度 (m);

w——房間的寬度 (m);

本標(biāo)準(zhǔn)提供的室空間比是將房間的長(zhǎng)、寬比設(shè)定為l=2w，對(duì)于房間長(zhǎng)寬比為1∶1或1∶3的室空間比計(jì)算所得的利用系數(shù)略有差別，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，采光標(biāo)準(zhǔn)只提供了一種房間長(zhǎng)寬比對(duì)應(yīng)的利用系數(shù)和計(jì)算圖表。

3)利用系數(shù)CU的確定

采光標(biāo)準(zhǔn)提供的利用系數(shù)如表1所示。

關(guān)于利用系數(shù)CU的計(jì)算和修正:利用系數(shù)CU是根據(jù)室空間內(nèi)表面的反射比、亮度利用系數(shù)和形狀系數(shù)，采用光通傳輸函數(shù)理論計(jì)算的，使用利用系數(shù)表時(shí)可以內(nèi)插，精度要求較高時(shí)，需對(duì)利用系數(shù)進(jìn)行計(jì)算和修正。當(dāng)?shù)匕蹇臻g反射率與20%相差較大，影響利用系數(shù)的精度時(shí)，應(yīng)對(duì)利用系數(shù)進(jìn)行修正，小于2%時(shí)可不作修正。以上計(jì)算和修正都比較繁瑣，為了簡(jiǎn)化計(jì)算有時(shí)不作修正。

在確定利用系數(shù)時(shí)，因工業(yè)建筑通常存在室內(nèi)結(jié)構(gòu)遮擋和設(shè)備遮擋以及側(cè)窗的影響，反射比會(huì)有所降低，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，一般情況下，室內(nèi)反射比可取以下值:

工業(yè)建筑:頂棚50%，墻面30%，地面20%;民用建筑:頂棚80%，墻面50%，地面20%。(2)窗洞口面積Ac可按式 (5)計(jì)算:

式中 C'——典型條件下的采光系數(shù)，取值為1%;

A'c——典型條件下的開窗面積，可按圖5、圖6取值;

τ—— 窗的總透射比，按式 (3)計(jì)算。

注:當(dāng)采用采光罩采光時(shí)，應(yīng)考慮采光罩井壁的擋光折減系數(shù) (Kj)。

表1 利用系數(shù) (CU)Table 1 Utilization coefficient

圖5 頂部采光計(jì)算圖Fig.5 Toplighting calculation

圖6 頂部采光計(jì)算圖Fig.6 Toplighting calculation

3 頂部采光計(jì)算方法的應(yīng)用

3.1 頂部采光計(jì)算方法的適用性

本計(jì)算方法 (流明法)給出了一種計(jì)算平均采光系數(shù)的方法，屬簡(jiǎn)化采光計(jì)算方法，在進(jìn)行采光設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)實(shí)際采用的采光材料、遮擋情況調(diào)整各個(gè)計(jì)算參數(shù)，計(jì)算包涵了天然光利用系數(shù)，考慮了室內(nèi)反射光對(duì)采光的影響，該方法與用窗地面積比進(jìn)行估算相比，結(jié)果會(huì)更加符合實(shí)際建筑的采光狀況。本方法中提供的計(jì)算圖表可以在已知被照面積和窗戶安裝高度的情況下，方便地查找出典型條件下的窗洞口面積，然后再根據(jù)實(shí)際條件計(jì)算出需要的窗洞口面積。對(duì)采光形式比較復(fù)雜的建筑和除平天窗 (采光罩)以外的采光形式，如鋸齒型天窗和矩型天窗等仍需要借助采光軟件進(jìn)行計(jì)算。

3.2 頂部采光計(jì)算方法應(yīng)用舉例

本計(jì)算方法可簡(jiǎn)便、快捷地計(jì)算頂部采光的平均采光系數(shù)或窗地面積比。

例1 求平均采光系數(shù)Cav。

某一頂部采光建筑，Ⅲ類光氣候區(qū)，工作面面積Ad=20m2，長(zhǎng)l=5 m，寬w=4m，窗地面積比1/10，天窗安裝高度hx=2 m，采光材料的透射比τo=0.80，窗結(jié)構(gòu)擋光折減系數(shù)τc=0.70，窗玻璃污染折減系數(shù)τw=0.60。

平均采光系數(shù)Cav可按式 (6)計(jì)算:

1)計(jì)算窗的總透射比:

2)計(jì)算室空間比RCR:

查表1得CU=0.65。

3)求平均采光系數(shù)Cav:

例2 求窗洞口面積Ac。

某一頂部采光建筑，Ⅲ類光氣候區(qū)，工作面面積Ad=100m2，天窗安裝高度hx=4m，平均采光系數(shù)Cav=2(%)，采光材料的透射比τo=0.80，窗結(jié)構(gòu)的擋光折減系數(shù)τc=0.70，窗玻璃的污染折減系數(shù)τw=0.60。

窗洞口面積Ac可按下式計(jì)算:

1)確定典型條件下總的窗洞口面積Ac':

已知工作面面積Ad和窗的安裝高度hx，查圖(5)得Ac'=2.6 m2。

2)計(jì)算窗的總透射比τ:

3)計(jì)算實(shí)際條件下總的窗洞口面積Ac:

4)窗地面積比:

按采光標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，平均采光系數(shù)2(%)，屬采光等級(jí)Ⅳ級(jí)，對(duì)應(yīng)的窗地面積比為1/10，計(jì)算結(jié)果與其比較接近。

如果該建筑位于Ⅴ類光氣候區(qū)，還應(yīng)乘以1.2的修正系數(shù)，窗地面積比為1/9.2，說(shuō)明開窗面積要大一些。

總之，本計(jì)算方法只能作為常規(guī)條件下計(jì)算頂部采光的平均采光系數(shù)或窗地面積比，復(fù)雜條件下的精確計(jì)算需要根據(jù)實(shí)際的建筑條件利用采光軟件進(jìn)行模擬計(jì)算。

4 結(jié)論

本計(jì)算方法適用于在建筑方案設(shè)計(jì)階段進(jìn)行采光設(shè)計(jì)時(shí)，在已知需要設(shè)計(jì)的采光等級(jí)、窗地面積比以及各種計(jì)算參數(shù)的情況下，可以方便、快捷地計(jì)算工作面上的平均采光系數(shù);也可以利用圖表確定開窗面積，從建筑面積較小的房間到大面積的工業(yè)廠房都可以方便地確定窗洞口的面積。計(jì)算時(shí)沒(méi)有考慮同時(shí)采用頂部采光和側(cè)面采光的情況，具體操作時(shí)可以在側(cè)面采光有效進(jìn)深以外的區(qū)域內(nèi)考慮設(shè)計(jì)頂部采光，然后進(jìn)行頂部采光計(jì)算。本方法在滿足窗間距與安裝高度之比為1.5∶1的條件下是可以滿足較高均勻度要求的。本計(jì)算圖表適用于典型的計(jì)算條件，在計(jì)算利用系數(shù)時(shí)，室空間比選擇了有代表性的房間尺寸比例，與實(shí)際的建筑尺寸相比在計(jì)算精度上會(huì)略有影響。

在實(shí)際的建筑采光設(shè)計(jì)中，由于采光的重要性，尤其是住宅中的臥室、起居室，學(xué)校的普通教室及醫(yī)院的一般病房都在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中被列為強(qiáng)制性條文，采光設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)利用采光軟件進(jìn)行計(jì)算，特別是在采光權(quán)發(fā)生爭(zhēng)議時(shí)，利用采光軟件進(jìn)行采光模擬計(jì)算分析仍是最有效的解決辦法。

［1］中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB50033—2013［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2013.

［2］Illuminating Engineering Society of North America.IESNA Lighting Handbook，9th Edition.