劉彤 劉劍濤 張永煒 顏鼎峰 李以通

中國建筑科學研究院有限公司

天然的陽光是大自然賜給人類的寶貴財富，它取之不盡、用之不竭。充分利用天然采光不但可以節(jié)約大量照明用電，還能提供更健康、高效、自然的光環(huán)境。從節(jié)能的角度看，在商業(yè)建筑的總能耗中，照明的能耗占到21%，節(jié)約的照明能耗可以占到總節(jié)約能耗的80%[1]。所以，充分利用自然采光是綠色建筑設(shè)計的一個重要策略。

1 評估方法概述

1.1 平均采光系數(shù)法[2]（公式法）

采光系數(shù)平均值的計算方法是經(jīng)過實際測量和模型實驗確定的。1979 年，Lynes 針對矩形側(cè)面采光空間的平均天然采光系數(shù)總結(jié)出了計算表達式，1984 年Crisp 和 Littlefair 在他們的論文中對 Lynes 的公式進行了修正：

式中：ADF 為采光系數(shù)平均值；Ag為窗的凈表面面積；At為包括窗在內(nèi)的室內(nèi)表面總面積；τ0為采光材料(玻璃)的透射比；θ為天空遮擋角；ρ則為室內(nèi)表面平均反射比。

這個公式的計算結(jié)果同模型實驗中的測量值更加吻合，并最終在北美照明工程學會（IESNA）和其他很多版本的規(guī)范中得到肯定和應(yīng)用。而我國的 GB 50033-2013《建筑采光設(shè)計標準》[3]也將這個公式作為采光計算的公式。

1.2 光線追蹤法[4]（模擬法）

采光系數(shù)法是在天空亮度分布已知的前提條件下，對室內(nèi)空間水平工作面上的任意一點進行采光系數(shù)估算的方法。該方法排除了陽光直射的情況，通常使用CIE 標準全陰天天空模型，適用于全陰天氣較為普遍的地區(qū)。該方法認定在室內(nèi)空間水平工作面上任意一點的照度值由三種因素決定，分別為天空分量（SC），室外反射分量（ERC）和室內(nèi)反射分量（IRC）。其中天空分量指某點直接受天空作用所得的采光系數(shù)分量，室外反射分量和室內(nèi)反射分量分別指室外、室內(nèi)環(huán)境反射作用于該點的采光系數(shù)分量。該點最終的采光系數(shù)值（DF）由這三個分量相加而得：

對這三種采光系數(shù)分量的確定過程同樣較為繁瑣，需要確定待評估空間的基本比例關(guān)系和待評估點的位置等幾何信息，其中最為核心的環(huán)節(jié)是天空分量的確定。這種方法建立在全陰天模型的基礎(chǔ)上，可以在設(shè)計階段對室內(nèi)工作平面的某一點采光系數(shù)進行預估。RADIANCE 光線追蹤法（Ward and Rubinstein 1988）已經(jīng)得到系統(tǒng)的研究（Mardaljevic 1995，Reinhart and Walkenhorst 2001，Reinhart and Andersen 2006）。這些驗證研究已經(jīng)表明 Radiance 可以結(jié)合采光因子方法得到可靠的建筑全年天然采光水平。

1.3 標準要求

美國的綠色建筑先鋒獎（LEED）認證條例2009版[5]規(guī)定新建筑75%以上的使用空間都要有充分的天然光，即在9 月21 日（秋分）上午9 時至下午3 時期間至少有250 lx 的天然光照度，并且在晴天條件下照度不超過5000 lx。

我國的GB/T50378-2014《綠色建筑評價標準》[6]中規(guī)定主要功能房間的采光系數(shù)滿足現(xiàn)行國家標準《建筑采光設(shè)計標準》GB 50033 的要求。GB 50033-2013《建筑采光設(shè)計標準》對判定的指標、采光等級的要求、不同地區(qū)的光氣候系數(shù)都進行了規(guī)定。

2 側(cè)面采光評估方法對比

在GB 50033-2013《建筑采光設(shè)計標準》對采光等級、窗地面積比、有效進深給出一個估算表格，用于建筑方案設(shè)計，如表1 所示。

表1 窗地面積比和采光有效進深

本文根據(jù)上述的窗地面積比及有效進深，對兩種方法的采光系數(shù)及采光等級進行評估。房間參數(shù)與計算工況如下表2 所示。

表2 房間參數(shù)與計算工況

將房間的平均采光系數(shù)作為評價結(jié)果，兩種評估方法各項參數(shù)相同，模擬法反射次數(shù)取4 次，地面反射比取 0.1，網(wǎng)格間距 0.5m，墻與網(wǎng)格間隔 0.2m，結(jié)果對比如表3：

表3 不同窗地面積比計算結(jié)果

由上述結(jié)果得到如下結(jié)論：

1）隨著窗地面積比的減小及有效進深的增加房間的平均采光系數(shù)減小。

2）在采光標準中規(guī)定的窗地面積比及有效進深，當使用公式法時，得到的平均采光系數(shù)并不能完全滿足要求的采光等級，使用模擬法時，可以滿足采光等級要求。由于公式法的采光系數(shù)平均值是針對所有室內(nèi)表面而言的，不同于現(xiàn)在所指的室內(nèi)參考平面上的采光系數(shù)平均值。

3 側(cè)面采光方案優(yōu)化

窗地面積比與有效進深對采光系數(shù)有較大的影響。本文取窗地面積比1/3 有效進深1.8 m，對不同的層高、房間尺寸、窗臺高使用兩種方法進行評價。

3.1 不同層高對采光的影響

將房間的平均采光系數(shù)作為評價結(jié)果，模擬法反射次數(shù)取 4 次，地面反射比取 0.1，網(wǎng)格間距 0.5 m，墻與網(wǎng)格間隔0.2 m，當窗地面積比與有效進深相同時，不同層高對結(jié)果的影響如表4：

表4 不同層高計算結(jié)果

由上述結(jié)果得到如下結(jié)論：

1）隨著層高的增加，房間的平均采光系數(shù)減小。

2）層高對公式法的影響結(jié)果較大，這是由于公式法的采光系數(shù)平均值是針對所有室內(nèi)表面而言的，當增加層高時，導致房間的內(nèi)表面增加。由于模擬法計算的是基準平面0.75 m 的采光系數(shù)，因此層高對于模擬法的結(jié)果影響較小。

3.2 不同房間尺寸對采光的影響

將房間的平均采光系數(shù)作為評價結(jié)果，模擬法反射次數(shù)取 4 次，地面反射比取 0.1，網(wǎng)格間距 0.5 m，墻與網(wǎng)格間隔0.2 m，當窗地面積比與有效進深相同時，不同房間尺寸對結(jié)果的影響如表5：

表5 不同房間尺寸計算結(jié)果

由上述結(jié)果得到如下結(jié)論：

當房間的窗地面積比與有效進深相同時，改變房間的寬度，為了保證窗地面積比相同，窗寬度則發(fā)生變化。當房間的尺寸越趨近于正方形，即長寬相同時，平均采光系數(shù)越大，采光也更加均勻。由此可以看出窗地面積比與有效進深不是影響采光的唯一因素。

3.3 不同窗臺高對采光的影響

將房間的平均采光系數(shù)作為評價結(jié)果，模擬法反射次數(shù)取 4 次，地面反射比取 0.1，網(wǎng)格間距 0.5 m，墻與網(wǎng)格間隔 0.2 m，當窗地面積比與有效進深相同時，不同窗臺高度對結(jié)果的影響如表6：

表6 不同窗臺高計算結(jié)果

其中模擬法的具體采光系數(shù)結(jié)果如圖1 所示：

圖1 不同窗臺高詳細模擬結(jié)果

由上述結(jié)果得到如下結(jié)論：

1）當房間的窗地面積比與有效進深相同時，改變窗子窗臺高，為了保證窗地面積比相同，則窗子尺寸隨著發(fā)生變化，窗臺高越高時，模擬法的平均采光系數(shù)越低。當窗臺高度過高時，靠近窗子的位置，采光系數(shù)降低，導致平均采光系數(shù)降低，由此可以看出窗地面積比與有效進深不是影響采光的唯一因素。

2）窗臺高增加時，公式法計算的平均采光系數(shù)不變，這是由于公式法僅考慮了窗子的面積未考慮窗臺高度對結(jié)果的影響。

4 結(jié)論

1）公式法較模擬法的平均采光系數(shù)偏小，且不能滿足采光標準要求的采光等級。由于平均公式法的采光系數(shù)平均值是針對所有室內(nèi)表面而言的，不同于現(xiàn)在所指的室內(nèi)參考平面上的采光系數(shù)平均值。公式法將層高對平均采光系數(shù)的結(jié)果影響偏大且未考慮窗臺高對結(jié)果的影響，故模擬法更加接近實際情況。

2）隨著窗地面積比的增加或有效進深的減小，采光系數(shù)增加。采光標準中以窗地面積比與有效進深作為評價采光的影響因素，而這兩個指標不是影響采光的唯一因素，隨著房間尺寸接近方形，采光系數(shù)增加。隨著窗臺高的增加，采光系數(shù)降低。層高對采光系數(shù)影響較小。