某高校教学楼采光环境模拟与分析研究

山东建筑大学热能工程学院  宋胜飞 单宝琦 张金磊 陈永超

250101 山东省济南市临港开发区凤鸣路山东建筑大学新校区

摘要  建筑采光作为建筑品质的一个重要指标，也是近年来绿色建筑评价和设计规范一直以强制性标准条文来要求的指标之一。然而采光设计计算也是比较复杂的，它不仅和建筑的室内空间布局有关，而且和室外周边的建筑物密切相关，如果没有计算机软件的支持，是很难依靠人工实现采光的计算。为了更好地设计、评价绿色建筑，达到最新《建筑采光设计标准》GB50033-2013的要求，帮助设计师判断建筑采光是否满足标准的要求。现对某高校教学楼单体采光环境进行数值模拟计算与分析。

关键词  绿色建筑；采光分析；模拟计算

Simulation and Analysis of Lighting Environment in a University Building

Song Shengfei,Shan Baoqi,Zhang Jinlei and Chen Yongchao

Abstract  As an important index of building quality, building lighting is also one of the indexes required by mandatory standard clauses in green building evaluation and design codes in recent years..However, the calculation of lighting design is also more complex. It is not only related to the indoor space layout of the building, but also to the buildings around the room. Without the support of computer software, it is difficult to rely on manual calculation of lighting.In order to better design and evaluate green buildings, meet the requirements of the latest "Building Lighting Design Standards" GB50033-2013, and help designers judge whether building lighting meets the requirements of the standards.In this paper, numerical simulation and analysis of single lighting environment in a university teaching building are carried out.

Key words  Green building; Lighting analysis; Simulated calculation

0  引言

绿色建筑作为世界的热点问题和国家的战略发展产业，越来越被社会所重视。采光分析作为绿色建筑的一项重要手段，不仅涉及到建筑节能，同时又是建筑舒适度的体现，已经出台的《绿色建筑设计标准》、《绿色建筑评价标准》都涉及到建筑采光的量化要求。

天然光营造的光环境以经济、自然、宜人、不可替代等特性为人们所习惯和喜爱。各种光源的视觉试验结果表明，在同样照度条件下，天然光的辨认能力优于人工光。天然采光不仅有利于照明节能，而且有利于增加室内外的自然信息交流，改善空间卫生环境，调节空间使用者的心情。在建筑中充分利用天然光，对于创造良好光环境、节约能源、保护环境和构建绿色建筑具有重要意义。同时这在我国电力紧张的情况下，也有利于节约能源。

1  建筑模型

1.1建筑概要

本项目为学校建筑，所在地济南，朝向南有外遮阳，建筑面积10047.64㎡， 光气候分区III，光气候系数K=1.00，室外天然光设计照度值Es=15000lx。《建筑采光设计标准》GB50033中对学校建筑的采光标准值做出了明确要求，同时根据标准确定光气候分区、光气候系数K值、室外天然光设计照度值Es值。

图1  标准层三维图

 

图2  四个立面朝向图

2  软件计算

通过软件对目标建筑进行采光分析计算，求得建筑内房间的平均采光系数，对视野率、达标率、眩光指数等进行分析，从而评价本项目的建筑采光设计是否符合《建筑采光设计标准》的要求。

本项目采用采光分析软件DALI作为分析工具。DALI是国内首款与国标 《建筑采光设计标准》GB50033配套的软件，支持《绿色建筑评价标准》GB/T50378的采光指标要求。软件以Radiance为计算核心，将计算结果返回到DALI进行处理分析。并根据需求生成《视野分析计算书》等采光相关计算书。

2.1采光分析

2.1.1设计依据

1） 《建筑采光设计标准》GB50033-2013 

2） 《采光测量方法》GB/T 5699-2007

2.1.2标准要求

本项目为学校建筑，《建筑采光设计标准》GB50033中对学校建筑的采光标准值做出了明确要求，同时根据标准确定光气候分区、光气候系数K值、室外天然光设计照度值Es值。

表1  教育建筑的采光标准值

表2  光气候系数K值

2.1.3  基本原理

《建筑采光设计标准》GB50033-2013以采光系数平均值作为采光设计的关键性评价指标。

（1）采光系数：在室内参考平上的一点，由直接或间接地接收来自假定和已知天空亮度分布的天空漫射光而产生的照度与同一时刻该天空半球在室外无遮挡水平面上产生的天空漫射光照度之比。

室内某一点的采光系数C，计算公式为：

 

式中:  En—室内照度；

Ew—室外照度（lx）。

（2）平均采光系数

通常按单个房间计算平均采光系数，即房间内划分网格上各个交点上的采光系数算术平均值。

（3）采光系数标准值

在规定的室外天然光设计照度下，满足视觉功能要求时的采光系数值。《建筑采光设计标准》GB50033-2013中规定的采光系数标准值和室内天然光照度标准值为参考平面上的平均值。在同一室外天然光设计照度值的条件下，对于同一个房间，满足采光系数标准值即满足室内满足天然光照度标准值。

2.1.4  计算方法

软件提供三种计算模式：模拟法、公式法和公式扩展法，本项目采用模拟法计算。

在DALI中，模拟法就是调用计算工具Radiance进行采光模拟计算，最后将计算结果返回到DALI进行处理分析，这是最真实、最常用的方法。

Radiance是由美国劳伦斯伯克利国家实验室以及瑞士洛桑生态技术联邦局开发的采光模拟核心程序，采用了蒙特卡洛算法优化的反向光线追踪算法，相对于光能传递算法来说光线追踪更适合于精确的建筑采光分析。

 

图3  模拟值与理论计算的关系

经过大量的计算和软件模拟对比，发现Radiance软件模拟出的数值与理论计算的结果均离散在归纳函数附近。说明Radiance软件可以提供精确度高的结果。国际上采光标准制定与论文基本上都采用Radiance进行模拟，国际上大部分商用采光分析软件都基于Radiance程序内核开发，该程序的分析计算结果受到广泛认可。

1）采光计算参数取值

析参考平面：功能房间取距地面0.75m，公共空间取地面；

分析计算网格划分的间距：根据房间面积的情况对网格进行合理划分，如下表所示；

表3  网格划分的间距

2）建筑饰面材料参数

室内采光效果受内部和外部两种因素的影响。内表面反射比就是内部影响因素之一，外部因素除了天空亮度外，建筑外表面反射情况也是重要的影响因素。本项目中建筑内外饰面材料，如顶棚、墙面、地面、建筑外表面，其材质、颜色对应不同的反射比，给室内光环境来带不同的采光效果，反射比数据参考《建筑采光设计标准》GB50033-2013附录D中的表D.0.5 饰面材料的反射比ρ值，具体参数情况见下表：

表4  建筑饰面材料选用与反射比取值

注1：数据参考自：《建筑采光设计标准》GB50033-2013附录D 表D.0.5；

3）门窗类型参数

窗户决定了建筑内部的采光水平。工程中最为常见也最广为使用的一种采光途径就是在建筑侧墙上安装窗户或者在建筑顶部安装天窗等采光构件。窗的位置、尺寸、形态等都会对室内采光带来不同程度的影响。建筑中的常用的透光门也会对自然光的传播提供便利。这些透光构件的性能参数与采光系数的计算息息相关。

本项目中部分透光门、窗户的性能参数包括门窗尺寸、挡光系数、窗框类型、玻璃类型、可见光透射比和反射比，参数具体数值情况详见下文。

表5  围护结构性能参数

注：计算考虑了外窗玻璃的污染折减系数影响，系数取值0.9。

2.2  视野分析

2.2.1 标准依据

1）《绿色建筑评价标准》GB/T 50378-2014

2）《建筑采光设计标准》GB 5003-2013

2.2.2 标准要求

《绿色建筑评价标准》GB/T 50378-2014中规定：

建筑主要功能房间具有良好的户外视野，评价分值为3分。对居住建筑，其与相邻建筑的直接间距超过18m；对公共建筑，其主要功能房间能通过外窗看到室外自然景观，无明显视线干扰。

2.2.3计算原理

1）视野率

在室内参考平面上的一点，可看到的天空半球的面积比例。

2）评价方法

通过计算主要功能房间视野率大于0的面积比例是否达到70%，作为判断是否具有良好的视野。

2.2.4模拟条件

1）分析参考平面：1.50m

2）分析计算网格划分的间距：

表6  网格划分的间距

3）室内环境：忽略室内家具类设施的影响，只考虑永久固定的顶棚、地面和墙面。

2.3  炫光分析

2.3.1