倪強(qiáng)　吳一新　陳亮　杜罡　劉楊　石巖

摘 要：自然光照明系統(tǒng)這一節(jié)能、環(huán)保的照明方式已在不斷發(fā)展中引起越來(lái)越多的關(guān)注。本文研究了采用反射鏡照明系統(tǒng)對(duì)某筒倉(cāng)建筑進(jìn)行自然光導(dǎo)入的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)采用中庭采光系統(tǒng)和反射鏡照明系統(tǒng)相結(jié)合的方式，用DIAlux照明軟件模擬筒倉(cāng)照明并計(jì)算十二個(gè)不同的仿真模型導(dǎo)出照度報(bào)表。對(duì)比分析可知理想情況下，反射鏡正對(duì)太陽(yáng)入射光時(shí)可得到最佳日照效果，即反射板與正北方向夾角等于太陽(yáng)方位角時(shí)，可獲得較大的照度。在一天中可使反射板的朝向由東——南——西勻速變化，以保證反射鏡基本正對(duì)太陽(yáng)光，獲得最佳日照效果。

關(guān)鍵詞：自然光導(dǎo)入；反射鏡照明；DIAlux軟件； 太陽(yáng)方位角；日照效果

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.05.262

0 引言

長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)于樓層高、進(jìn)深寬的大型建筑，如廠房、倉(cāng)庫(kù)，窗戶少而且大部分區(qū)域離窗和屋頂較遠(yuǎn)，采光基本都靠人工照明來(lái)完成。自然光是取之不盡、用之不竭的綠色能源，利用自然光進(jìn)行室內(nèi)照明，對(duì)商業(yè)建筑節(jié)能具有重要意義[1]。自然采光不僅可以節(jié)省照明用電，還可以減少室內(nèi)的熱增益，降低制冷設(shè)備的運(yùn)行費(fèi)用。

自然采光就是陽(yáng)光通過(guò)直射、反射、折射等方式引入建筑內(nèi)部，并將其按一定方式分配，以提供比人工光源更理想或者補(bǔ)償性的照明。自然采光不但可以減少照明用電，還可以營(yíng)造一個(gè)動(dòng)態(tài)的室內(nèi)環(huán)境，改變光的強(qiáng)度、顏色和視覺(jué)，形成比人工照明系統(tǒng)更為健康和適宜的工作環(huán)境[2]。但是如果設(shè)計(jì)或者控制不當(dāng)，會(huì)影響視覺(jué)效果，產(chǎn)生不舒適感，甚至?xí)黾咏ㄖ茉聪摹Ｒ虼?，最可行的方法是將自然采光與人工照明相結(jié)合， 最大限度地利用天然光，并根據(jù)不同空間自然光的照度來(lái)補(bǔ)償照明，從而形成良好的照明環(huán)境，并且具有非常顯著的節(jié)能效果。

1 反射鏡照明與采光方案

提高反射面的反射率是解決間接照明效率低下問(wèn)題的一個(gè)有效途徑。普通建筑材料即使是純白色，其反射率最高也只能達(dá)到70%～80%，并且反射光的方向和配光無(wú)法控制，很大一部分光照向不需要照明的空間，造成許多浪費(fèi)，于是反射鏡系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生[3-5]。

采光方案。根據(jù)筒倉(cāng)實(shí)際和設(shè)計(jì)原則，擬結(jié)合中庭采光系統(tǒng)和反射鏡照明系統(tǒng)進(jìn)行自然光的導(dǎo)入。在中心筒倉(cāng)頂部架設(shè)可調(diào)節(jié)角度可旋轉(zhuǎn)的反射板，同時(shí)將中間筒倉(cāng)作為陽(yáng)光中庭，筒倉(cāng)內(nèi)壁涂上高反射率材料，并在筒倉(cāng)壁開(kāi)孔連通兩側(cè)筒倉(cāng)。當(dāng)直射陽(yáng)光以及經(jīng)過(guò)反射的陽(yáng)光進(jìn)入中心筒倉(cāng)，一部分自然光經(jīng)筒倉(cāng)內(nèi)壁多次反射至筒倉(cāng)底部，另一部分自然光通過(guò)開(kāi)孔處的反射板導(dǎo)入到兩側(cè)筒倉(cāng)。

由于太陽(yáng)的直射角度在一天中是不斷變化的，反射板的角度也需要隨之調(diào)整，以獲取更多自然光。用DIAlux照明軟件模擬筒倉(cāng)照明空間，選取一個(gè)平面高度如1m作為工作面，改變反射板的角度參數(shù)，可以計(jì)算出各種情況下工作面的平均照度、最小照度和最大照度等數(shù)值，生成照度報(bào)表，并且模擬出空間照明的3D效果圖和偽色圖。對(duì)比照明效果，即可確定出比較理想的角度參數(shù)，最大限度地利用天然光，給人工補(bǔ)償照明以準(zhǔn)確參考，從而形成良好的照明環(huán)境，并且達(dá)到環(huán)保節(jié)能的效果。

2 模型的建立與計(jì)算

筒倉(cāng)建筑平面近似矩形，東西向總長(zhǎng)124.2m，南北向總寬37.2m，由30個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單倉(cāng)組成，單倉(cāng)內(nèi)徑12m，共3排10列。倉(cāng)壁結(jié)構(gòu)底部標(biāo)高為10.8m，倉(cāng)頂標(biāo)高為39.3m，倉(cāng)頂有一單層房屋，屋面標(biāo)高48m。如圖1所示。

使用DIALux4.12軟件建立筒倉(cāng)及反射系統(tǒng)模型。由于筒倉(cāng)尺寸較大軟件計(jì)算過(guò)程緩慢，且每排筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)和反射系統(tǒng)都完全相同，在照度模擬中以一列筒倉(cāng)為例進(jìn)行仿真計(jì)算。建立坐標(biāo)為Y取55°、Z取0°的情況，其中Y代表反射板與水平面的夾角，Z代表反射板的投影與正北方向的夾角。即反射板與水平面的夾角為55°，反射板與正北方向夾角0°，也就是反射面朝向正南方。在軟件中設(shè)置地理位置和時(shí)區(qū)，對(duì)2015年3月25日10：00進(jìn)行計(jì)算并導(dǎo)出報(bào)表，得到3D效果圖如圖2所示。

過(guò)對(duì)反射板傾斜角度和旋轉(zhuǎn)角度的調(diào)整，以及仿真時(shí)間的改變，共計(jì)算出2015年3月25日一天中十二個(gè)不同的仿真模型并導(dǎo)出照度報(bào)表。十二個(gè)不同的仿真模型分別為：

（1）10：00 Y45° Z0°

（2）10：00 Y55° Z0

（3）10：00 Y45° Z-135°

（4）10：00 Y55° Z-135°

（5）10：00 Y55° Z45°

（6）10：00 Y55° Z135°

（7）10：00 Y55° Z-45°

（8）08：00 Y55° Z75°

（9）12：00 Y55° Z0°

（10）14：00 Y55° Z-45°

（11）16：00 Y55° Z-75°

（12）18：00 Y55° Z-90°

在Y與Z坐標(biāo)的調(diào)整中，Y代表反射板與水平面的夾角，Z代表反射板的投影與正北方向的夾角，即反射板的旋轉(zhuǎn)角度。

通過(guò)太陽(yáng)角度在線計(jì)算器可計(jì)算得到某一地點(diǎn)某一時(shí)刻的太陽(yáng)高度角與太陽(yáng)方位角：上海約東經(jīng)121°、北緯31°，平均海拔4米，東8時(shí)區(qū)，計(jì)算2015年3月25日不同時(shí)刻的太陽(yáng)高度角與太陽(yáng)方位角。如圖3.10所示為8：00的角度計(jì)算，所得太陽(yáng)高度角為26.28°，太陽(yáng)方位角為74.91°。

零方位角默認(rèn)為南，太陽(yáng)方位角即與正南方向的夾角。選擇2015年3月25日的六個(gè)時(shí)間點(diǎn)8：00、10：00、12：00、14：00、16：00、18：00進(jìn)行太陽(yáng)角度計(jì)算，所得數(shù)據(jù)如表1所示。

對(duì)表1中數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到曲線如圖3所示。

從圖3中可看出一天中從8：00到18：00，太陽(yáng)高度角的變化是一條曲線，正午達(dá)到最大；太陽(yáng)方位角則接近于線性變化，中午位于正南方向。太陽(yáng)方位角和太陽(yáng)高度角的計(jì)算，將對(duì)反射板的旋轉(zhuǎn)角度和傾斜角度的調(diào)整起到至關(guān)重要的作用。

3 設(shè)計(jì)結(jié)果

通過(guò)對(duì)反射板傾斜角度和旋轉(zhuǎn)角度的調(diào)整，以及仿真時(shí)間的改變，共計(jì)算了十二個(gè)不同的仿真模型并導(dǎo)出照度報(bào)表。對(duì)報(bào)表數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納和對(duì)比，可分析出如何控制反射板以獲得較好的日照效果。

在Y與Z坐標(biāo)的調(diào)整中，Y代表反射板與水平面的夾角，Z代表反射板的投影與正北方向的夾角，即反射板的旋轉(zhuǎn)角度。

在Z為0°時(shí)Y為55°比45°有明顯優(yōu)勢(shì)，筒倉(cāng)底部和室內(nèi)1、室內(nèi)2、室內(nèi)3的照度均高于45°的情況。在Z為-135°時(shí)，筒倉(cāng)底部照度在Y為45°時(shí)稍有優(yōu)勢(shì)，但室內(nèi)1、室內(nèi)2、室內(nèi)3的效果均是55°更好。綜上分析，再考慮太陽(yáng)高度角的變化，Y為55°有更好的日照效果。因此，Y選擇為55°，即反射板與水平面的夾角為55°。

Z在45°時(shí)整體采光效果優(yōu)于其他，并得到一個(gè)結(jié)論：理想情況下，反射鏡正對(duì)太陽(yáng)入射光時(shí)可得到最佳日照效果。在本模型中，即Z的角度取值與太陽(yáng)方位角數(shù)值相近時(shí)，可獲得較高的照度。

一天內(nèi)的太陽(yáng)方位角變化基本呈線性，因此在一天中從6：00到18：00（或者從7：00到17：00），可使Z從90°到-90°勻速變化，即反射板的朝向由東——東南——南——西南——西變化，也即反射板在中心筒倉(cāng)的頂部由西——北——東進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，以保證反射鏡基本正對(duì)太陽(yáng)入射光，獲得最佳日照效果。

如果將筒倉(cāng)改造為辦公建筑，辦公室要求工作面平均照度達(dá)到150lx，對(duì)照各時(shí)間點(diǎn)室內(nèi)1、室內(nèi)2、室內(nèi)3的照度情況，兩側(cè)筒倉(cāng)各個(gè)照明空間均需進(jìn)行人工補(bǔ)償照明，可根據(jù)自然光的照度分布情況如等值線或數(shù)值圖表來(lái)設(shè)計(jì)燈具的排列，并根據(jù)不同時(shí)間自然光照度的變化來(lái)調(diào)節(jié)燈光照度。

如果將筒倉(cāng)改造成餐廳或者娛樂(lè)場(chǎng)所，則在晴天從早上8點(diǎn)到下午16點(diǎn)自然光基本可以滿足照度要求。

4 結(jié)論

本文通過(guò)軟件模擬，通過(guò)變換預(yù)設(shè)條件對(duì)導(dǎo)出的照度報(bào)表進(jìn)行歸納整理，通過(guò)不同情況下的照度對(duì)比和太陽(yáng)角度分析，可知理想情況下，反射鏡正對(duì)太陽(yáng)入射光時(shí)可得到最佳日照效果，即反射板與正北方向夾角等于太陽(yáng)方位角時(shí)，可獲得較大的照度。

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