張會福

摘要：通過計算機模擬計算，從定性和定量的角度分析了時于深圳地區(qū)辦公建筑自然采光對建筑能耗的影響，得到了窗琦比、遮陽、玻璃可見光透射比對建筑綜合能耗的影響，結(jié)果表明：深圳地區(qū)充分利用自然采光使辦公建筑綜合能耗降低幅度可達27%，此時窗墻比要大（達到0.7）、有一定的遮陽（百葉遮陽）、玻璃可見光透射比要大（達到0.6）。以上結(jié)論對類似項目的設(shè)計有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：自然采光;窗墻比;遮陽系數(shù);玻璃可見光透射比;能耗

中圖分類號：TU24 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2019）22-0141-04

1 引言

自然光除了促進視覺之外，還會以非視覺的方式影響人體，充足的自然光使人體的晝夜節(jié)律與太陽日保持一致，以維持生物鐘的正常運轉(zhuǎn)，有利于身體健康。同時采用自然光進行照明，也有利于貫徹節(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展思想。

外窗作為建筑的重要組成部分，據(jù)有關(guān)研究表明，夏季因太陽輻射熱透過單層玻璃窗射入室內(nèi)而消耗的冷量約占空調(diào)負荷的20%～30%[1]。外窗不僅會影響建筑的空調(diào)能耗，也會給室內(nèi)帶來舒適的光環(huán)境、降低建筑照明能耗，據(jù)有關(guān)研究表明，采用自然光照明可以使照明能耗減少27%，總能耗降低11%[2]。國內(nèi)也有類似關(guān)于自然光對能耗的影響的研究[3～7]。

根據(jù)國家標準《建筑采光設(shè)計標準》GB 50033的規(guī)定，深圳屬于Ⅳ類光氣候區(qū)，太陽光資源非常豐富。當室內(nèi)照度達到或超過設(shè)計值時，通過調(diào)低或者關(guān)閉照明燈具，利用自然光照明可以降低照明耗能，同時由于減少照明發(fā)熱量，使得空調(diào)冷負荷也相應(yīng)的減少，對于建筑綜合能耗的降低有積極的作用。

本文將通過計算機模擬計算的手段，從定性和定量的角度分析深圳地區(qū)辦公建筑自然采光對建筑能耗的影響。

2 基礎(chǔ)模型與分析方法

2.1 基礎(chǔ)模型

本文建立如圖1所示的辦公建筑模型，建筑層高3m，建筑面積為10m×10m，窗臺高度設(shè)置為0.9m（僅南向有窗），維護結(jié)構(gòu)熱工性能設(shè)置如表1所示，室內(nèi)負荷設(shè)置如表2所示，建筑的室內(nèi)設(shè)計溫度以及運行時間表均按照《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》進行設(shè)置，建筑空調(diào)系統(tǒng)采用理想空調(diào)系統(tǒng)（COP=1）。

2.2 分析方法

本文采用Grasshopper中的ladybug，honeybee和TT Toolbox插件進行分析計算，以上插件是用Python編寫的環(huán)境設(shè)計和教育用的開源免費計算機應(yīng)用程序的集合，建立在幾個經(jīng)過驗證的仿真引擎之上：Radi-ance，EnergyPlus/OpenStudio，Therm/Window和OpenFOAM。本文中采光計算應(yīng)用的計算引擎為Ra-diance，能耗計算應(yīng)用的計算引擎為Energyplus。

在Grasshopper中搭建本文所用的計算程序如圖2所示。

本文分析的自然采光影響因素有：窗墻比、遮陽系數(shù)、玻璃可見光透射比，各因素的取值與措施如表3所示。

本文的計算方法為，根據(jù)變量的設(shè)定值首先利用Radiance計算室內(nèi)全年逐時照度值，再將照度值與采光標準值（根據(jù)《建筑采光設(shè)計標準》GB50033—2013，辦公建筑照明標準為300Lux）進行對比，從而控制室內(nèi)燈光的開啟與關(guān)閉。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 窗墻比

本部分將研究窗墻比的大小對空調(diào)負荷和燈光負荷的影響。計算條件為：無遮陽、窗戶的可見光透射比為0.6。計算結(jié)果如圖3。

分析圖3可知，充分利用自然采光能明顯降低采光負荷和空調(diào)負荷：①當窗墻比由0.4增加至0.7時，照明負荷降低幅度由69%增加至89%，即隨著窗墻比的增加，利用自然采光來降低照明負荷的作用越來越大;②當窗墻比由0.4增加至0.7時，空調(diào)負荷降低幅度維持在13%～14%之間，但整體空調(diào)負荷逐漸增大，即從降低空調(diào)負荷角度出發(fā)，窗墻比越小越好。

3.2 遮陽措施

本部分將研究遮陽（此處遮陽為百葉遮陽，百葉寬度和間距均為5cm）對空調(diào)負荷和燈光負荷的影響。計算條件為：窗墻比為0.6、窗戶的可見光透射比為0.6。計算結(jié)果如圖4。

分析圖4可知，遮陽措施對自然光的利用有一定的抑制作用，但還是可以明顯降低采光負荷和空調(diào)負荷：①當遮陽百葉從無到有（60°）時，照明負荷降低幅度由84%降低至36%，即隨著遮陽系數(shù)的增加，利用自然采光來降低照明負荷的作用越來越小。②當遮陽百葉從無到有（60°）時，空調(diào)負荷越來越低，同時空調(diào)負荷降低幅度由15%降低至7%，即隨著遮陽系數(shù)的增加，空調(diào)負荷趨于穩(wěn)定，利用自然采光來降低空調(diào)負荷的作用越來越小。

3.3 玻璃可見光透射比

本部分將研究玻璃可見光透射比對空調(diào)負荷和燈光負荷的影響。計算條件為：無遮陽、窗墻比為0.6。計算結(jié)果如圖5。

分析圖5可知，玻璃可見光透射比的大小對采光負荷和空調(diào)負荷影響較?。孩佼敳ＡЭ梢姽馔干浔扔?.4增加至0.6時，照明負荷降低幅度維持在76%～84%之間，即可見光透射比對照明負荷的影響較小。②當玻璃可見光透射比由0.4增加至0.6時，空調(diào)負荷有一定的增加，但空調(diào)負荷降低幅度維持在14%～15%之間，即可見光透射比對空調(diào)負荷的影響較小。

3.4 綜合能耗分析

本部分將研究各條件綜合起來對建筑綜合能耗（包含空調(diào)、燈光、設(shè)備的總能耗）的影響，共4個變量96個工況，取空調(diào)COP為3.6（一級能效的分體空調(diào)），計算結(jié)果如圖6。

分析圖6可知，為充分利用自然采光達到綜合能耗最低時，對應(yīng)邊界條件為（如圖7）：窗墻比為0.7、有遮陽百葉（0°），玻璃可見光透射比為0.6，此時的綜合能耗為99.5kW·h/m²，此時綜合能耗節(jié)能率為27%（此工況下不考慮自然采光控制時的綜合能耗為137.7kW·h/m²）。即為充分利用自然采光來降低辦公建筑綜合能耗，窗墻比要大（達到0.7）、有一定的遮陽（0°的百葉遮陽）、玻璃可見光透射比要大（達到0.6）。