邊宇 馬源 遇大興

（1.華南理工大學建筑學院，廣東 廣州 510640；2.華南理工大學亞熱帶建筑科學國家重點實驗室，廣東 廣州 510640；3.廣東工業(yè)大學建筑與城市規(guī)劃學院，廣東 廣州 510090）

參考天空亮度分布模型下的建筑采光設(shè)計優(yōu)化*

邊宇1，2馬源3遇大興1

（1.華南理工大學建筑學院，廣東 廣州 510640；2.華南理工大學亞熱帶建筑科學國家重點實驗室，廣東 廣州 510640；3.廣東工業(yè)大學建筑與城市規(guī)劃學院，廣東 廣州 510090）

結(jié)合觀測研究某地區(qū)天空亮度分布的方法以及參考天空模型的構(gòu)建方式，提出了華南區(qū)參考天空模型(CSRS)，并通過房間內(nèi)的實地測量驗證了該計算模型；然后在華南區(qū)夏季光氣候條件下以某側(cè)窗采光教室為研究對象提出了基于CSRS的建筑采光優(yōu)化設(shè)計方法；最后針對該案例給出了優(yōu)化的采光設(shè)計方案及量化參數(shù)，并說明了其采光效果.結(jié)果表明：使用CSRS模型進行采光模擬與分析的結(jié)果較CIE標準全云天模型更準確.

天空亮度分布；參考天空模型；建筑采光設(shè)計；采光效果

在開展建筑采光設(shè)計時必須充分了解項目所在地的光氣候特征，除基于經(jīng)驗的方法外，在當?shù)貐⒖继炜樟炼确植寄Ｐ停ㄏ挛暮喎Q參考天空）下進行模擬分析，并將結(jié)果作為采光設(shè)計的依據(jù)是一種科學的途徑.參考天空是指可以反映某地區(qū)、某時間段內(nèi)天空亮度分布均值情況的天空亮度分布模型，即在進行采光分析時作為參照標準的天空亮度分布模型［1］.當前，建筑采光的分析主要在CIE標準全云天（CIE Standard Overcast Sky）等模型下進行，實際上該模型不能反映任何地區(qū)天空亮度分布的真實情況［2］.以華南地區(qū)夏季為例，該地區(qū)夏季大氣透明度高、多暴雨，同時晴朗時數(shù)也較多，光氣候地域性特點突出，因此該地區(qū)建筑的采光設(shè)計應(yīng)具有適應(yīng)當?shù)毓鈿夂虻膬?yōu)化參數(shù).

本研究基于觀測數(shù)據(jù)定義了華南地區(qū)夏季參考天空亮度分布模型并通過校驗證明了參考天空較傳統(tǒng)模型計算結(jié)果準確，即更能反映地域性光氣候特點；并以某項目的采光設(shè)計過程為例闡述了在參考天空模型下開展采光設(shè)計以及參數(shù)優(yōu)化的過程，通過優(yōu)選設(shè)計方案的采光表現(xiàn)說明參考天空下的采光優(yōu)化設(shè)計可以獲取更為優(yōu)良的建筑采光效果.

1 參考天空模型

筆者所在課題組在亞熱帶建筑科學國家重點實驗室2#實驗大樓屋頂平臺開展了華南地區(qū)光氣候的觀測工作，該場地周圍無明顯遮擋，符合CIE提出的光氣候測試條件.使用安裝全景視場魚眼鏡頭的圖像采集裝置對全天空亮度分布情況以10min為間隔進行連續(xù)測量.該測試自2012年12月8日開始已測量一個年周期，采集天空圖像4萬余張（含夜間），測試期間僅少數(shù)時段因設(shè)備故障或暴風雨天氣中斷測試.采集到的天空圖像經(jīng)過自行開發(fā)的程序處理后獲得相對應(yīng)天空單元的亮度相對值.

1.1 華南地區(qū)參考天空模型

天空亮度分布模型可以分為全云天（OC）、中間天空（IM）、晴天空（CL）3大類，通常用CIE標準全云天模型、CIE標準中間天空模型、CIE標準晴天空模型進行描述［3］.課題組采集的天空圖像經(jīng)處理后以均方差最小的原則歸入以上所述的3種標準天空亮度分布模型，統(tǒng)計其出現(xiàn)次數(shù)后得到出現(xiàn)頻率K.此模型建立在3種標準天空線性分量疊加的基礎(chǔ)上，其數(shù)學結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中出現(xiàn)頻率K值分別為3種標準天空模型的線性分量系數(shù)，RS為參考天空模型［4］.

圖1 參考天空模型結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of reference sky model

本研究以華南地區(qū)夏季（2013-06-21～2013-09-23）為例，排除夜間圖像，獲取有效圖像5 405幅，通過程序?qū)⑦@一系列圖像數(shù)據(jù)進行整理歸類并經(jīng)過計算得出Ko、Ki、Kc的值，結(jié)果如表1所示.

表1 參考天空模型中的K值Table 1 K values in reference skymodel

綜上所述，夏季華南地區(qū)參考天空模型（CSRS）可定義為：

CSRS（morning）=0.26（OC）+0.39（IM）+0.35（CL），

CSRS（noon）=0.30（OC）+0.53（IM）+0.17（CL），

CSRS（afternoon）=0.52（OC）+0.39（IM）+0.09（CL）.

1.2 CSRS模型校驗

課題組以坐落于華南理工大學校內(nèi)的某教室作為校驗用模型空間，以該模型教室內(nèi)的實測自然光照度數(shù)據(jù)與CSRS模型下的計算數(shù)值、CIE標準全云天下的模擬值進行比較.

該教室進深7.6m，僅朝北向開單側(cè)窗，室內(nèi)0.75m高度平面布置有9×3共計27個照度計，相鄰照度探頭間距0.8m（圖2）.該陣列照度測試系統(tǒng)以10min為間隔對室內(nèi)自然光照度情況進行為期一年的連續(xù)測量［5］.

圖2 模型教室內(nèi)自然光照度測量Fig.2 Daylight illuminancemeasurement in model classroom

為了在CSRS模型下進行計算，課題組在Grasshopper軟件平臺中使用DIVA采光計算模塊進行編程使得計算機的采光模擬同時在3種標準天空模型下進行，對3個標準天空模型下取得的計算結(jié)果以表1中列出的K值進行線性疊加即得到CSRS模型下的模擬計算結(jié)果［6-7］.

在2013年夏季中選取6天作為取值對象（6月21日，7月15日，7月30日，8月15日，8月30日，9月22日），這6天內(nèi)的實際測試結(jié)果的平均值與模擬結(jié)果的平均值如圖3所示.

由圖3可見，該模型教室室內(nèi)照度隨著進深增大而迅速下降；CSRS模型較CIE標準全云天模型更加準確，也意味著該模型更加能夠反映某一地區(qū)實際的天空亮度分布的均值情況［8］.限于篇幅，文中僅列出少量分時數(shù)據(jù)，基于更大量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計表明：CSRS模型在準確程度上的優(yōu)勢明顯.

2 采光優(yōu)化設(shè)計

文中以某教室側(cè)窗的采光設(shè)計及其參數(shù)的優(yōu)化為例闡述建筑采光優(yōu)化設(shè)計方法.參照國家《建筑照明設(shè)計規(guī)范（GB 50034—2004）》，本課題對教室自然光照明的研究設(shè)計中以300 lx作為照度的臨界參考值［9］.

2.1 設(shè)計對象

圖3 照度模擬值與測量值的比較Fig.3 Comparisons of stimulation andmeasurement towards lux value

以華南地區(qū)某教室為研究設(shè)計對象，該教室周圍開闊無明顯遮擋.其中標準教室進深8m、層高3.5m，使用單側(cè)窗采光.圖4為該教室側(cè)窗剖面，該側(cè)窗外側(cè)1m位置處安裝有金屬支架用于支撐采光構(gòu)件.該教室的內(nèi)墻表面反射率為0.76，地面反射率為0.35，窗玻璃透光率為0.90，研究模型中未放置桌椅，無人工照明措施.

2.2 參數(shù)優(yōu)化

為量化研究側(cè)窗采光表現(xiàn)并對采光構(gòu)件的參數(shù)進行擇優(yōu).課題組分別針對采光構(gòu)件的水平位置、垂直位置、旋轉(zhuǎn)角度等量值進行量化研究并對具體參數(shù)值進行擇優(yōu)［5，10］.

圖4 設(shè)計對象側(cè)窗剖面示意圖（單位：mm）Fig.4 Cross-section of side window in design object（Unit：mm）

首先，針對采光構(gòu)件的水平安裝參數(shù)開展研究，規(guī)定側(cè)窗內(nèi)采光構(gòu)件安裝在距樓層地面2.35m高度處，該采光構(gòu)件上表面為反射率0.90的鏡面材料，此類材料有助于室內(nèi)引入自然光［11］下表面為反射率0.80的漫反射材料.文中將采光構(gòu)件的水平位置列出了5種類型，如圖5所示.

圖5 采光構(gòu)件的水平位置類型（單位：mm）Fig.5 Options of Horizontal Position of daylight facility（Unit：mm）

在CSRS模型下針對6個選定日（6月21日，7月15日，7月30日，8月15日，8月30日，9月22日）的模擬計算得知，TYPE 1-5在9：00～17：00中照度隨進深變化的均值情況如圖6所示.

圖6 CSRS模型下采光構(gòu)件在不同水平位置時的室內(nèi)自然光模擬結(jié)果Fig.6 Interior daylighting simulation result of various horizontal positions shading facility under CSRS

綜合考慮照度分布的均勻度以及照度值，TYPE3和TYPE4的采光效果更為良好，其中TYPE4在均勻度上更優(yōu)，因此本案例的采光構(gòu)件的水平布置方式優(yōu)選TYPE4.

第二步，進行采光構(gòu)件的垂直安裝位置研究與參數(shù)優(yōu)選.

針對TYPE4采光構(gòu)件形式開展垂直位置參數(shù)的研究，將該構(gòu)件的安裝高度設(shè)定為距地面2050、2200、2350mm 3種高度（分別記為H1、H2、H3），如圖7所示，研究方法與研究水平位置的方法相同.照度隨進深變化的均值情況如圖8所示.

由圖8可見，安裝高度為2.35m（H3）的采光構(gòu)件在采光表現(xiàn)上可作為優(yōu)選.

圖7 采光構(gòu)件的垂直位置示意圖（單位：mm）Fig.7 Schematic diagram of vertical position of daylight facility（Unit：mm）

圖8 CSRS模型下采光構(gòu)件在不同垂直位置時的室內(nèi)自然光模擬結(jié)果Fig.8 Interior daylighting simulation result of various rertical positions of shading facility under CSRS

第三步，進行采光構(gòu)件安裝角度對采光效果影響的研究，并進行角度參數(shù)的優(yōu)選.

通過對圖9所示的從-20°到20°的共計5種角度（R-20～R20）的采光構(gòu)件在整個夏季的采光表現(xiàn)均值情況（見圖10）進行分析可得：當采光構(gòu)件的安裝角度為10°、15°、20°（即圖9中的R10、R15、R20）時該房間的照度隨進深的分布較R0（即采光構(gòu)件水平放置）時并未有改善.從圖中可知，當采光構(gòu)件安裝角度為-15°至-20°（即圖9中的R-15、R-20）時室內(nèi)照度分布在進深方向的均勻度有明顯提升，其中安裝角度為-15°與-20°時，以整個夏季的均值情況而言其照度隨進深的變化趨勢相近，但R-15的采光量較R-20高，因此在本研究中優(yōu)選R-15形式.

圖9 采光構(gòu)件安裝角度示意圖（單位：mm）Fig.9 Schematic diagram of daylight facility with different installation angle（Unit：mm）

圖10 CSRS模型下采光構(gòu)件不同安裝角度時的室內(nèi)自然光模擬結(jié)果Fig.10 Interior daylighting simulation result of various votation angles of shading facility under CSRS

2.3 優(yōu)化方案與效果評價

經(jīng)過第2.2節(jié)的分析，優(yōu)化參數(shù)的采光構(gòu)件方案及其參數(shù)如圖11所示.

圖11 優(yōu)化的采光構(gòu)件參數(shù)（單位：mm）Fig.11 Optimized light access facility scheme（Unit：mm）

優(yōu)化參數(shù)的采光構(gòu)件在華南地區(qū)夏季9：00～16：00之間的采光均值情況如圖12所示.

圖12 優(yōu)化參數(shù)采光構(gòu)件的夏季采光表現(xiàn)Fig.12 Daylight performance of selected plan in summer

由圖12可見，該采光構(gòu)件的采光表現(xiàn)均值情況已經(jīng)滿足國標GB50034中對于照度值的規(guī)定，在夏季光氣候條件下針對華南地區(qū)的側(cè)窗采光教室開展的采光設(shè)計工作使得該教室內(nèi)的自然光照度分布得到了明顯優(yōu)化，且在9：00～16：00時間段內(nèi)8m進深內(nèi)的照度均值處于300 lx以上，達到了國家標準中的規(guī)定.可見該采光設(shè)計方案可以為整個教室提供優(yōu)良的自然光環(huán)境，無論從健康、舒適還是節(jié)能等方面均能起到良好的作用［12］.此案例也闡述了基于參考天空模型開展建筑采光優(yōu)化設(shè)計的方法，由于該模型可反映某地區(qū)天空亮度分布的均值情況，因此為采光優(yōu)化設(shè)計提供了一種較為便捷、準確的途徑.

3 結(jié)論

經(jīng)過對天空亮度的長時間連續(xù)觀測，構(gòu)建出華南地區(qū)夏季的參考天空模型.該天空亮度模型可以較好地反映該地區(qū)的天空亮度分布的均值情況，適宜作為夏季參考天空亮度模型使用.使用該天空亮度模型進行采光分析模擬，其模擬結(jié)果較CIE標準全云天模型等更具有實際指導意義，對于分析采光問題更有實用價值.該模型的構(gòu)建為采光優(yōu)化設(shè)計提供了一條更為準確、可行的途徑.通過教室采光問題的研究以及采光優(yōu)化設(shè)計，進一步說明了優(yōu)化的教室采光設(shè)計可能在視覺舒適度以及節(jié)能方面所帶來的巨大潛力.

［1］ Edward Ng，Vicky Cheng.Defining standard skies for Hong Kong［J］.Building and Environment，2007，42：866-876.

［2］ 何滎，翁季，胡英奎，等.用魚眼鏡頭數(shù)碼相機測試天空亮度分布［J］.重慶大學學報，2010，33（7）：129-134. He Ying，Weng Ji Hu Ying-Kui，et al.Testing sky luminance distribution by fish-eye lens digital cameras［J］. Journal of Chongqing University，2010，33（7）：129-134

［3］ CIE S011/E：2003，Spatial distribution of daylight-CIE standard general sky［S］.

［4］ 邊宇，馬源，遇大興.三種標準天空分量疊加的天空亮度模型構(gòu)建［J］.南方建筑，2013（4）：100-102. Bian Yu，Ma Yuan，Yu Da-xing.The compose of skymodel superimposed on three standard sky components［J］. South Architecture，2013（4）：100-102.

［5］ Ho Ming-Chin，Chiang Che-Ming.Optimal sun-shadingdesign for enhanced daylight illumination of subtropical classrooms［J］.Energy and Buildings，2008，40：1844-1855.

［6］ Kota Sandeep，Haberl Jeff S，Clayton Mark J，et al.Building Information Modeling（BIM）-based daylighting simulation and analysis［J］.Energy and Buildings，2014，81：391-403.

［7］ Reinhart Christoph F，Wienold Jan.The daylighting dashboard：a simulation-based design analysis for daylit spaces［J］.Building and Environment，2011，46：386-396.

［8］ Carlos Ernesto Ochoa，Isaac Guedi Capeluto.Evaluating visual com fort and performance of three natural lighting systems for deep office buildings in highly luminous climates［J］.Building and Environment，2006，41：1128-1135.

［9］ GB/T 500034—2004，建筑照明設(shè)計標準［S］.

［10］ Krugera Eduardo L，Dorigo Adriano Lucio.Daylighting analysis in a public school in Curitiba，Brazil［J］.Renewable Energy，2008，33：1695-1702.

［11］ Du Jiangtao，Sharples Steve.The variation of daylight levels across atrium walls：reflectance distribution and well geometry effects under overcast sky conditions［J］.Solar Energy，2011，85：2085-2100.

［12］ Mark Winterbottom，Amold Wilkins.Lighting and discom fort in the classroom［J］.Journal of Environmental Psychology 2009，29：63-75.

Optim ization of Building Daylighting Design on the Basis of Reference Sky Lum inance Distribution M odel

Bian Yu1，2Ma Yuan3Yu Da-xing1
（1.School of Architecture，South China University of Technology，Guangzhou 510640，Guangdong，China；2.State Key Laboratory of Subtropical Building Science，South China University of Technology，Guangzhou 610640，Guangdong，China；3.School of Architecture and Urban Planning，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510090，Guangdong，China）

In this paper，by combining themethod of observing the sky luminance distribution in a given area and the structure of reference skymodel，a calculation model named as CSRS（China South Reference Sky Model）is constructed and then verified by ameasurement in model classroom.Then，on the condition of summer climate of South China and by taking a classroom with side-window as the research objective，a daylight optimization design procedure is proposed on the basis of CSRSmodel.Finally，an optimized daylight scheme is designed for this case，and corresponding quantization parameters and daylight performance are analyzed.The results show that CSRSmodel ismore accurate than CIEmodel in the building daylight analysis

sky luminance distribution；reference skymodel；building daylight design；daylight performance

TU113

10.3969/j.issn.1000-565X.2015.07.014

1000-565X（2015）07-0100-06

2014-05-30

國家自然科學基金資助項目（51208205）；亞熱帶建筑科學國家重點實驗室自主課題（2013ZC17）

Foundation item：Supported by the National Natural Science Foundation of China（51208205）

邊宇（1982-），男，博士，講師，主要從事建筑光學研究.E-mail：aryubian@163.com