張淞博，張冠華，譚有恒，陳 星，沈鵬元，楊 彪

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)建筑學(xué)院智能照明實(shí)驗(yàn)室(iLLab)，廣東 深圳 518055；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新實(shí)踐教育中心，廣東 深圳 518055；3. 深圳合一智控科技有限公司，廣東 深圳 518057)

引言

開放式辦公空間開間進(jìn)深與開窗面積較大的特點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致辦公空間內(nèi)天然光質(zhì)量不夠均衡[1]。開放式辦公空間中靠窗使用者因受到過量天然光照射，會(huì)選擇長(zhǎng)時(shí)間關(guān)閉窗簾并采用人工照明，降低了天然光的利用效率。私人辦公空間中使用傳統(tǒng)的采光遮陽(yáng)手段來(lái)滿足使用者的天然采光要求和舒適性，而開放式辦公空間中的策略實(shí)施仍有待提高[2]。現(xiàn)有開放式辦公空間光環(huán)境控制模式的不足，往往導(dǎo)致了在日間采用完全遮蔽天然光并使用人工照明的方式來(lái)滿足工作人員視覺要求[3]。現(xiàn)有的使用場(chǎng)景中遮陽(yáng)設(shè)備的調(diào)整往往不及時(shí)，并且一旦拉下，由于使用者習(xí)慣，窗簾或百葉窗的關(guān)閉狀態(tài)有極高的概率會(huì)長(zhǎng)時(shí)間保持不變[4]。

本研究旨在通過對(duì)天然光環(huán)境控制的優(yōu)化來(lái)解決現(xiàn)有開放式辦公空間由于設(shè)計(jì)尺度和控制模式造成的室內(nèi)天然光不均衡的問題，目的是充分利用天然光來(lái)提高開放式辦公空間內(nèi)使用者的天然采光舒適程度[5]?；谔接懖煌晒庹陉?yáng)控制優(yōu)化策略效果的目的，本研究進(jìn)行了量化評(píng)估，并證明優(yōu)化后控制模式的有效性，對(duì)于開放式辦公空間的能耗管理與光環(huán)境控制有著較強(qiáng)的參考意義。

1 開放式辦公空間天然采光評(píng)價(jià)

1.1 開放式辦公空間天然光環(huán)境

開放式辦公空間的較大進(jìn)深導(dǎo)致了兩種情況，一是緊靠窗口區(qū)域，太陽(yáng)直射造成使用者有眩光和過熱現(xiàn)象[6]；二是遠(yuǎn)離窗戶的部分區(qū)域不能滿足天然采光需求。此外，靠窗使用者控制窗簾的行為體現(xiàn)出高度隨機(jī)性，難以準(zhǔn)確定量描述。這都對(duì)天然光的利用產(chǎn)生了不利影響。天然光的引入可以使室內(nèi)光環(huán)境具有豐富的感染力和渲染力，將日光引入室內(nèi)環(huán)境會(huì)對(duì)用戶的舒適度、健康、幸福感和生產(chǎn)力產(chǎn)生積極影響[7]。辦公建筑中的天然采光對(duì)降低照明能耗也有著重要的意義。為了實(shí)現(xiàn)天然采光的有效控制，本研究采取精細(xì)化的控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)采光的節(jié)能和舒適，在分析開放式辦公空間天然光質(zhì)量時(shí)，主要考慮其空間均衡性和時(shí)間均衡性兩個(gè)方面。本研究中開放式辦公空間天然光的空間均衡性是指在某一時(shí)刻下，各工作平面的天然光照度分配的均勻和平衡程度，均衡性的高低由各工作平面之間天然光照度的差異性體現(xiàn)。而時(shí)間均衡性指開放式辦公空間內(nèi)部天然光質(zhì)量在全年尺度下維持在一個(gè)較好水平的穩(wěn)定程度，即在全年尺度的時(shí)間線上，各個(gè)時(shí)刻室內(nèi)天然光質(zhì)量相差的程度。本研究中天然光在時(shí)間尺度上的均衡性主要由全年中各個(gè)工作平面天然光照度處于可用范圍內(nèi)的時(shí)長(zhǎng)所體現(xiàn)。

1.2 室內(nèi)天然光均衡性評(píng)價(jià)指標(biāo)

目前廣泛應(yīng)用的室內(nèi)天然采光評(píng)價(jià)指標(biāo)及其適用性見表1。

表1 天然光評(píng)價(jià)指標(biāo)適用性歸納表

現(xiàn)有指標(biāo)中，有效采光度適合用來(lái)評(píng)價(jià)全年全天候下開放式辦公空間室內(nèi)天然光的利用程度，是否滿足了用戶功能性需求；照度均勻度適用于評(píng)價(jià)開放式辦公空間內(nèi)，不同工作平面天然光光照水平的差異以及不均衡性。

本研究基于有效采光度和照度均勻度，基于開放式辦公空間的特點(diǎn)，設(shè)定天然采光綜合分?jǐn)?shù)。該指標(biāo)主要涵蓋三個(gè)方面：天然光照度滿足使用者功能性需求的情況、天然光照度滿足使用者舒適性需求的情況、工作平面上天然光的均衡性情況。最終的綜合分?jǐn)?shù)由功能性分?jǐn)?shù)、舒適性分?jǐn)?shù)及均勻度分?jǐn)?shù)三部分加權(quán)組成，對(duì)于不同的場(chǎng)景需求，可以設(shè)置不同的權(quán)重值，本文中設(shè)置的權(quán)重值為3∶2∶1。

天然光照度功能性分?jǐn)?shù)如式(1)所示：

(1)

式中，f1(x)表示工作平面天然光照度功能性分?jǐn)?shù)；x表示各工作平面天然光照度值(lx)。

基于既有研究，可以得出在100～2 000 lx范圍內(nèi)，用戶在500 lx天然光條件下工作舒適度最高[8]，F(xiàn)otios[9]總結(jié)出500 lx時(shí)照度已經(jīng)滿足需求，繼續(xù)提高對(duì)舒適度正面影響很小。而在工作平面天然光照度可接受范圍內(nèi)，用戶對(duì)300 lx和1 000 lx滿意程度比較一致[10]。結(jié)合上述研究，本研究設(shè)定500 lx為滿分100分，小于100 lx和高于2 000 lx為零分，300 lx和1 000 lx為80分，進(jìn)行線性賦分，得出舒適性分?jǐn)?shù)如式(2)所示：

(2)

式中，f2(x)表示工作平面天然光照度舒適性分?jǐn)?shù)；x表示各工作平面天然光照度值(lx)。

所有工作平面整體天然光照度均勻度分?jǐn)?shù)如式(3)所示：

(3)

式中，f3(x)表示工作平面天然光照度均勻度分?jǐn)?shù)；xmin表示各工作平面照度最小值(lx)；xmax表示各工作平面照度最大值(lx)。

開放辦公空間天然光環(huán)境綜合分?jǐn)?shù)由功能性分?jǐn)?shù)、舒適性分?jǐn)?shù)及均勻度分?jǐn)?shù)三部分加權(quán)組成。歸一化后，百分制的開放辦公空間天然光環(huán)境綜合分?jǐn)?shù)如式(4)所示：

(a1+a2+a3)n

(4)

式中，L(x)表示百分制的開放辦公空間天然光環(huán)境綜合分?jǐn)?shù)；xi表示各工作平面天然光照度(lx)；αi表示各指標(biāo)權(quán)重系數(shù)；n表示開放式辦公空間中工作平面?zhèn)€數(shù)。

2 開放式辦公空間天然光環(huán)境模擬

2.1 采光遮陽(yáng)行為控制模型

模擬研究以Rhinoceros為幾何建模平臺(tái)，以Radiance作為內(nèi)核，以Grasshopper分析插件作為參數(shù)化編程平臺(tái)。室內(nèi)照度的計(jì)算原理基于Tregenza等[11]提出的采光因子法，參考羅濤[12]的室內(nèi)光環(huán)境模擬流程，所用天空亮度模型基于CIE標(biāo)準(zhǔn)天空模型[13]。

本研究通過模擬分別計(jì)算無(wú)控制模式、手動(dòng)控制模式下、粗放式控制模式下、精細(xì)化控制模式下的目標(biāo)辦公空間全年室內(nèi)天然光。其中，粗放式控制模式是指以2 000 lx為天然光照度閾值，以靠窗測(cè)點(diǎn)的天然光照度為條件，在每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)都對(duì)窗簾狀態(tài)進(jìn)行一次判定。手動(dòng)控制模式選定三個(gè)觸發(fā)因素作為判定：所處時(shí)刻、所處時(shí)刻下窗簾狀態(tài)、所處時(shí)刻工作平面天然光照度。通過將每個(gè)時(shí)刻控制行為發(fā)生概率的理論期望值轉(zhuǎn)化為人為控制下全年室內(nèi)天然光環(huán)境。兩種控制模式如圖1所示。

圖1 優(yōu)化前天然光控制模式流程圖Fig.1 Flow chart of natural light control mode before optimization

其中手動(dòng)控制模式通常具有隨機(jī)性。本研究?jī)H考慮行為的發(fā)生與所處時(shí)刻或工作平面照度等因素，本研究基于Wang等[14]提出的在多人房間中的人員行為模型，并參考對(duì)控制窗簾行為發(fā)生概率的研究[15]，最終的控制行為概率模型以使用者關(guān)窗簾觸發(fā)概率和開窗簾觸發(fā)概率的形式體現(xiàn)。

(1)關(guān)窗簾動(dòng)作觸發(fā)概率如式(5)所示：

(5)

(2)開窗簾動(dòng)作觸發(fā)概率如式(6)所示：

(6)

2.2 開放辦公場(chǎng)景搭建

本研究選擇了南山區(qū)某天然采光環(huán)境較差、對(duì)天然光環(huán)境改造需求較強(qiáng)烈的辦公空間作為分析目標(biāo)，如圖2所示。該辦公空間由于較大的開窗面積和開間進(jìn)深，天然采光不均衡的問題尤為突出?，F(xiàn)有辦公空間內(nèi)使用者對(duì)窗簾的控制模式導(dǎo)致該辦公空間天然光利用效率較低。

圖2 深圳市某開放式辦公空間Fig.2 An open office space in Shenzhen

該辦公空間面積146 m2，共有24個(gè)辦公位。房間開間為16.8 m、進(jìn)深為8.7 m，東南向有4個(gè)窗戶，窗戶寬分別為7.4 m、6.1 m，高為2.2 m、1.2 m，窗臺(tái)高度為0.9 m，窗戶朝向?yàn)楸逼珫|135°。辦公空間內(nèi)設(shè)置24個(gè)工作平面，每個(gè)工作平面取實(shí)際工作平面的中心位置，距離地面0.75 m，工作平面分布如圖3所示。室內(nèi)采用卷簾式窗簾，由靠窗一排用戶進(jìn)行控制，工作平面1、2的用戶為一組控制其對(duì)應(yīng)部分的窗簾，工作平面3、4、5的用戶為一組控制其對(duì)應(yīng)部分的窗簾。

圖3 辦公空間平面圖及工作平面分布Fig.3 Office space and work plane distribution

2.3 采光遮陽(yáng)措施與精細(xì)化控制模式

通過對(duì)采光遮陽(yáng)精細(xì)化控制后的辦公室內(nèi)天然光環(huán)境進(jìn)行模擬，可以得到不同采光遮陽(yáng)搭配方式下的辦公室內(nèi)天然光分布情況和各工作平面的全年天然光照度等情況。其中各主動(dòng)式采光遮陽(yáng)措施適用性分析見表2。

表2 主動(dòng)式采光遮陽(yáng)措施適用性分析表

基于適用性角度，采光窗材質(zhì)和室內(nèi)遮陽(yáng)構(gòu)件優(yōu)化適用于開放式辦公空間的采光遮陽(yáng)控制。本研究將采光窗進(jìn)行網(wǎng)格化處理，使用透射率可以變化的電致變色玻璃，每塊玻璃的透射率均可獨(dú)立控制。在原有基礎(chǔ)上增加窗簾數(shù)量，將原來(lái)的兩面窗簾細(xì)分為可由每個(gè)靠窗用戶獨(dú)立控制的四面窗簾，并增加由下向上卷起的控制模式。辦公室原有情況如圖4所示，精細(xì)化控制后概況如圖5所示。

圖4 辦公室基準(zhǔn)采光遮陽(yáng)系統(tǒng)Fig.4 The baseline system of the office

圖5 精細(xì)化控制系統(tǒng)Fig.5 Refine control system

本研究將網(wǎng)格化電致變色玻璃外窗作為優(yōu)先的采光遮陽(yáng)控制手段。天空條件發(fā)生變化時(shí)，網(wǎng)格化電致變色玻璃外窗會(huì)通過自動(dòng)調(diào)節(jié)每個(gè)網(wǎng)格的透射率以滿足室內(nèi)天然光需求?；诂F(xiàn)實(shí)情況和與真實(shí)生活中使用者的其他需求，保留多方向控制窗簾作為次級(jí)控制手段。

3 典型氣象年中精細(xì)化控制驗(yàn)證

對(duì)模擬得到的室內(nèi)各工作平面全年照度進(jìn)行分析，以開放式辦公空間天然光綜合控制系數(shù)為目標(biāo)函數(shù)，選取每小時(shí)最優(yōu)方案，從而得到全年的采光遮陽(yáng)方案組合。將典型氣象年中全年精細(xì)化控制優(yōu)化后的目標(biāo)辦公空間各工作平面天然光分布情況與優(yōu)化前進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證采光遮陽(yáng)精細(xì)化控制方案及典型氣象年內(nèi)全年優(yōu)化策略的有效性。

3.1 精細(xì)化控制前后有效采光度對(duì)比分析

本研究以PUDI、PE>2k、PE<100三個(gè)指標(biāo)分別對(duì)有效采光度時(shí)間百分比、過高天然光照度時(shí)間百分比和過低天然光照度時(shí)間百分比進(jìn)行描述，典型氣象年中精細(xì)化處理后的室內(nèi)各工作平面PUDI的平均值、PE<100平均值和PE>2k平均值與精細(xì)化處理控制優(yōu)化前各種情況進(jìn)行對(duì)比見表3。

表3 典型氣象年中優(yōu)化前及全年優(yōu)化后各情況下有效采光度平均值對(duì)比

通過典型氣象年中精細(xì)化前后有效采光度的對(duì)比，精細(xì)化控制下的各工作平面PUDI平均值比手動(dòng)控制模式下提高了61%，比粗放式控制模式下提高了49%。可以看出，精細(xì)化控制的手段在典型氣象年中進(jìn)行全年優(yōu)化，提高了目標(biāo)開放式辦公空間中工作平面天然光照水平和天然光利用效率，有效增加了天然采光在全年尺度下的時(shí)長(zhǎng)，并使室內(nèi)天然光質(zhì)量維持在較高水平，能夠有效改善室內(nèi)天然光時(shí)間尺度上的均衡性。

3.2 精細(xì)化控制前后照度均勻度對(duì)比分析

在滿足目標(biāo)開放式辦公空間中工作平面對(duì)天然光的功能性需求基礎(chǔ)上，需進(jìn)一步分析精細(xì)化控制模式對(duì)天然光在所有工作平面之間分布的差異性，即室內(nèi)照度均勻度。典型氣象年中典型日內(nèi)精細(xì)化控制優(yōu)化后的采光均勻度平均值與優(yōu)化前對(duì)比見表4。

表4 典型氣象年中優(yōu)化前后典型日內(nèi)照度均勻度平均值對(duì)比

典型氣象年中精細(xì)化控制全年優(yōu)化后在典型日中的照度均勻度低于優(yōu)化前三種遮陽(yáng)模式下的照度均勻度。精細(xì)化控制模式由于采用了采光窗網(wǎng)格化調(diào)節(jié)透射率的控制方式，滿足用戶對(duì)天然光的功能性需求，導(dǎo)致了在多數(shù)用戶對(duì)天然光功能性需求都被滿足的情況下，使用者之間的天然光使用情況差異變大。

3.3 精細(xì)化前后天然光環(huán)境綜合分?jǐn)?shù)對(duì)比分析

典型氣象年中典型日內(nèi)，精細(xì)化控制下的開放辦公空間天然光環(huán)境綜合分?jǐn)?shù)平均值與優(yōu)化前三種遮陽(yáng)狀態(tài)下的對(duì)比見表5。

表5 典型日內(nèi)開放辦公空間天然光環(huán)境綜合分?jǐn)?shù)平均值對(duì)比

典型氣象年中，經(jīng)過采光遮陽(yáng)系統(tǒng)精細(xì)化控制優(yōu)化的開放辦公空間天然光環(huán)境綜合分?jǐn)?shù)在四個(gè)典型日內(nèi)的平均值均高于優(yōu)化前的各種情況，在全年尺度來(lái)看，精細(xì)化控制下的開放式辦公空間，其開放辦公空間天然光環(huán)境綜合分?jǐn)?shù)要高于優(yōu)化前的各種情況。

開放辦公空間天然光環(huán)境綜合分?jǐn)?shù)基于各工作平面天然光質(zhì)量的基礎(chǔ)上評(píng)價(jià)了辦公空間上的均勻度和平衡性，采光遮陽(yáng)系統(tǒng)精細(xì)化控制下的開放辦公空間天然光環(huán)境綜合分?jǐn)?shù)高于優(yōu)化前情況，說明精細(xì)化控制模式可以有效地改善開放式辦公空間天然光質(zhì)量在空間尺度上的均衡性。在滿足室內(nèi)工作平面天然光需求的基礎(chǔ)上，相比于粗放式控制模式和手動(dòng)控制模式的18.95分和0.10分，精細(xì)化控制模式將典型氣象年全年天然光環(huán)境綜合分?jǐn)?shù)平均值提高到58.70分。

4 結(jié)論與展望

本研究主要進(jìn)行了開放式辦公空間室內(nèi)天然光評(píng)價(jià)體系的搭建、目標(biāo)空間現(xiàn)存天然光環(huán)境分析、采光遮陽(yáng)系統(tǒng)精細(xì)化控制方法的提出以及采光遮陽(yáng)系統(tǒng)全年控制優(yōu)化策略的提出和驗(yàn)證。

典型氣象年內(nèi)，采光遮陽(yáng)精細(xì)化控制優(yōu)化后開放辦公空間天然光環(huán)境綜合分?jǐn)?shù)高于優(yōu)化前，相比傳統(tǒng)采光遮陽(yáng)方式，能夠起到優(yōu)化開放式辦公空間室內(nèi)天然采光的作用。本研究對(duì)辦公空間現(xiàn)有采光遮陽(yáng)條件下天然光質(zhì)量均衡性的分析表明，與無(wú)遮陽(yáng)狀態(tài)相比，現(xiàn)有的采光遮陽(yáng)系統(tǒng)以及控制模式會(huì)降低開放式辦公空間的天然采光質(zhì)量。

本研究提出的基于采光窗網(wǎng)格化控制和窗簾多方向控制的采光遮陽(yáng)系統(tǒng)精細(xì)化控制方法，能夠有效提高UDI和開放式辦公空間全年天然光綜合控制系數(shù)，可用于開放式辦公空間的設(shè)計(jì)或優(yōu)化過程中。由于本研究?jī)H選取了深圳市內(nèi)一個(gè)改造需求較強(qiáng)的開放式辦公空間作為目標(biāo)空間，可能存在其特殊性和地域性差異，有待進(jìn)一步開展對(duì)不同案例的研究。