連續(xù)布置光井式單元屋頂天然采光系統(tǒng)的量化研究

邊 宇 李 晉 馬 源

(1．華南理工大學(xué)建筑學(xué)院亞熱帶建筑科學(xué)國家重點實驗室，廣東廣州 510640;2．廣東工業(yè)大學(xué)建筑與城規(guī)學(xué)院，廣東廣州 510090)

1 引言

屋頂采光是效率最高的建筑自然采光方式，尤其適用于體育館、會展、交通等大空間建筑，良好的屋頂采光其節(jié)能效果不言而喻。僅就光學(xué)特性而言，在進(jìn)行頂棚采光時需要處理好照度水平控制、自然光有效照明水平維持時間、光照區(qū)域穩(wěn)定等問題。連續(xù)布置光井式采光單元屋頂采光系統(tǒng)是指將獨立采光單元 (如:采光井)以一定排列方式裝置于屋頂內(nèi)的采光方式。

相比較于傳統(tǒng)的各類型天窗采光以及透明/半透明頂棚采光，連續(xù)布置光井式采光單元屋頂由于緊密排列了獨立的采光單元，天然光線在采光單元的狹長腔體內(nèi)經(jīng)過多次反射進(jìn)而照明室內(nèi)，這種機理有效地避免了自然光線尤其是直射光分量可能造成的局部過亮、室內(nèi)陰影以及眩光，使室內(nèi)光線柔和、穩(wěn)定，且該采光系統(tǒng)可對自然光進(jìn)行更加靈活的控制，有利于營造均勻度高、穩(wěn)定程度好、有效照度維持時間長的室內(nèi)自然光環(huán)境。

對于每個采光單元而言，形狀、尺寸、朝向、表面材料的光學(xué)特性決定了其采光效果;對于整個系統(tǒng)而言還需要考慮采光單元的排布密度，本文將針對以上參量在最為基本的研究模型上成體系地開展量化研究。

2 研究方法

采光單元截面形狀可分為圓形、多邊形、矩形、異形，本文僅針對矩形截面的采光單元開展研究工作，即針對矩形采光單元成矩陣式均勻布置的屋頂采光系統(tǒng) (圖1)開展研究，該類型可視作其余諸類型采光單元的基本形態(tài)，針對該類型模型的研究結(jié)論具有基礎(chǔ)的參考價值，是進(jìn)一步研發(fā)更為復(fù)雜的屋頂動態(tài)采光系統(tǒng)的基礎(chǔ)性工作。

圖1 均勻布置矩形光井研究模型Fig.1 Model of matrix arranged light wells

模型尺寸的確定對于研究的開展至關(guān)重要，研究模型的層高、采光單元尺寸、分布密度對于采光效果有著直接的影響，其中采光單元尺寸可以分為截面尺寸 (W，L)和光井指數(shù) (WI)。經(jīng)綜合衡量大空間建筑形態(tài)以及簡化研究過程等因素，模型參數(shù)確定為:采光單元截面積寬度 (W)為500mm(長度、高度待定)，空間高度為4000mm(采光單元下沿距室內(nèi)地面高度)，室內(nèi)墻面為漫反射材料反射率R=0.54，該參數(shù)具有一定的典型性，便于其他層高的建筑參考該模型的數(shù)據(jù)結(jié)論。針對該模型采用的研究方法為:

首先，在不考慮采光單元朝向的前提下，對滿布采光單元的屋頂在全云天 (CIE standard overcast sky)條件下分析采光單元尺寸、表面反射率對于采光效果的影響，得出效率最高、均勻度最理想的參數(shù)區(qū)間;

其次，在中間天空 (CIE intermediate Sky)亮度模型下測試采光單元朝向?qū)τ谧匀徊晒庑Ч挠绊?(以廣州市年內(nèi)若干具有代表性的日期為測試條件)，并且測試室內(nèi)光環(huán)境穩(wěn)定程度。選擇中間天空作為天空亮度模型開展有朝向參數(shù)的采光系統(tǒng)是必要的，并且根據(jù)國外學(xué)者的相關(guān)研究在低緯度地區(qū)CIE intermediate天空亮度模型下的模擬結(jié)果與實際采光效果最為契合［1］。

再次，在中間天空亮度模型下對于采光單元布置的面積密度開展相應(yīng)的研究，使得自然采光照度在盡可能長的時間段內(nèi)保持合理水平、避免過亮。

本研究中的自然采光模擬使用Radiance程序。

3 參數(shù)量化研究與數(shù)據(jù)分析

3.1 全云天條件下采光單元尺寸與表面反射率對于

采光效果的影響

規(guī)定矩形截面采光單元的尺寸為圖2中所示，對于矩形平面的采光單元來說其光井指數(shù) (WI)定義為式 (1)。

圖2 采光井尺寸Fig.2 Dimensions of a light cell

光井系數(shù)

根據(jù)法國學(xué)者B.Bouchet與M.Fontoynont對于采光井尺寸的研究，當(dāng)L=W時，即采光單元截面為方形時其采光效率較矩形截面高［3］。此時WI的表達(dá)式為公式 (2)。

本研究中變量 WI選取1，2，3，4，5，8，采光單元表面材料反射率 (漫反射)選擇為0.7，0.8，0.9，0.95，目標(biāo)參量為采光系數(shù) (DF)以及照度均勻度。模擬測定結(jié)果見圖3、圖4。

圖3 滿布采光單元屋頂采光效果 (采光系數(shù))Fig.3 DF values along the ground with various WI and light cell surface reflectance

圖4 滿布采光單元屋頂采光效果 (均勻度)Fig.4 Uniformity values with various WI and light cell surface reflectance

圖3 中所示數(shù)據(jù)為滿布方形截面采光單元的屋頂采光系統(tǒng)在全云天條件下的采光系數(shù)，圖4為同條件下的照度均勻度;其中變量為:采光單元光井指數(shù) (WI)以及采光單元表面材料反射率 (R)。

由圖3、圖4中的數(shù)據(jù)可以得知:隨著WI增大該系統(tǒng)采光能力降低，采光均勻度在WI處于1～5這一數(shù)值區(qū)間內(nèi)逐漸增高。采光單元表面材料的反射率與衡量采光能力的采光系數(shù) (DF)同向變化，且后者受前者數(shù)值影響明顯;系統(tǒng)的采光均勻度受WI影響較明顯，表面反射率R與采光均勻度之間的關(guān)系相對較弱。

WI、R數(shù)值的優(yōu)選應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)毓鈿夂驐l件以及建筑室內(nèi)功能對于光環(huán)境的要求開展。其中單元實際尺寸大小以及光井系數(shù)WI對于采光結(jié)果均有影響:例如某連續(xù)布置光井式采光單元屋頂 (WI=4，W=500mm，R=0.8)在層高4000mm的建筑在全陰天下其地面采光系數(shù)平均值為4.16%，而采光單元屋頂 (WI=4，W=1000mm，R=0.8)在層高4000mm的建筑內(nèi)全陰天下其地面采光系數(shù)平均值為9.53%，但在該參數(shù)下均勻度降低;

圖5 計算模型屋頂照度平均值 (lx)Fig.5 Average roof illuminance of simulation model

以廣州地區(qū)的展覽館建筑為例，展覽館高檔展廳要求地面照度標(biāo)準(zhǔn)不低于300lx，廣州地區(qū)一年中3月份太陽輻射水平最低，圖5為廣州市3月20日計算模型屋頂?shù)恼斩确謺r段(9∶00～17∶00)平均值①。從圖5數(shù)據(jù)可知，對于廣州地區(qū)展覽館建筑而言，屋頂采光系統(tǒng)的采光系數(shù)＞3%即可滿足照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)值。因此，綜合考慮采光能力以及照度均勻度，廣州地區(qū)的展覽館建筑使用連續(xù)布置光井式采光單元屋頂采光系統(tǒng)時優(yōu)選的參數(shù)為:3≤WI≤5，500≤W≤1000，表面選擇漫反射材料且反射率R≥0.8。

3.2 中間天空下采光單元朝向?qū)τ诓晒庑Ч挠绊?/h3>

采光單元向北傾斜一定角度有利于營造更加均勻、穩(wěn)定的天然光環(huán)境，主要原因有兩點:其一，由于太陽直射光出現(xiàn)較少，北向天空亮度分布較南向天空穩(wěn)定;其二，在某些時刻當(dāng)太陽位置處于屋頂正上方時太陽直射光未經(jīng)多次反射直接入射室內(nèi)可能導(dǎo)致室內(nèi)過亮，這一現(xiàn)象在低緯度高輻照地區(qū)尤其需要注意。例如:廣州夏季正午多云天情況下朝向天頂?shù)拿懿疾晒鈫卧蓓斚抡斩瓤蛇_(dá)到10000lx以上。為了規(guī)避這一現(xiàn)象的產(chǎn)生，采光單元朝向需要根據(jù)當(dāng)?shù)貙嶋H光氣候開展地域化研究。本研究以廣州為研究對象，選擇滿布采光單元屋頂采光系統(tǒng) (WI=4，R=0.8)以朝北 0°、5°、10°、15°、30°、45°在 CIE Intermediate天空亮度模型下開展采光效果的研究。

三月份為廣州市太陽輻射強度月平均值最低的月份，因此選擇3月20日 (春分)作為測試日，圖6 為采光單元各朝向在10∶00、12∶00、14∶00、16∶00時室內(nèi)平均照度水平 (單位:lx)。

圖6 室內(nèi)照度隨時間變化 (3月20日)Fig.6 Hourly interior lux with various orientations(20th，Mar)

6月21日 (夏至)為一年中太陽高度角最高的日子，以廣州為例:6月～11月太陽輻射水平處于高位，圖 7為采光單元各朝向在 10∶00、12∶00、14∶00、16∶00時室內(nèi)平均照度水平 (單位:lx)。

夏至日朝向天頂、朝北5°、10°三種情況下12∶00時均發(fā)生了陽光直接入射室內(nèi)的現(xiàn)象，模擬照度值超過10000lx，出于制圖的需要將這三點數(shù)值進(jìn)行了縮小 (圖7中虛線框出)，當(dāng)朝北角度大于15°時該現(xiàn)象得以規(guī)避。

12月22日 (冬至)為一年中太陽高度角最低日，當(dāng)采光單元朝北15°時，在廣州中間天空亮度模型下測得研究模型室內(nèi)平均照度分別為:見表1。

圖7 室內(nèi)照度隨時間變化 (6月21日)Fig.7 Hourly interior lux with various orientations(21st，Jun)

表1 室內(nèi)平均照度Table 1 The interior lux

從以上數(shù)據(jù)可知:采光單元北傾角度越大(0～45°)，室內(nèi)平均照度值越低但照度日間穩(wěn)定程度越高。以廣州市為例，采光單元北傾角度以15°為界限，北傾15°時平均照度值適中，照度隨時間變化較為平緩。當(dāng)北傾角度大于30°時室內(nèi)照度水平偏低，且室內(nèi)照度分布均勻度下降明顯①。

從照度隨時間變化的數(shù)據(jù)可知，在16時室內(nèi)照度水平下降明顯，因此可以在進(jìn)一步的研究中探討采光單位朝向北偏西可能帶來的照度穩(wěn)定度的進(jìn)一步提升。

3.3 針對不同面積密度布置的研究

采光單元占屋頂?shù)拿娣e比對于照明效果有著顯著的影響，本節(jié)研究以W=500為基礎(chǔ)進(jìn)行面積縮小 (面密度值分別為100%、90%、80%、70%、60%、50%，見圖8)，WI=3，R=0.8的采光單元作為研究對象測量屋頂下方4米處平面上的照度。

在全云天工況下針對不同面積密布的屋頂采光系統(tǒng)開展采光效果研究。

從圖9中可以看出采光系數(shù)隨面積密度的增大基本呈線性增長，針對該研究模型而言，面積密度減少10%，采光效率下降約20%。

而照度均勻度數(shù)據(jù)在這一系列測試中相對穩(wěn)定，均勻度數(shù)值如表2所示。

圖8 不同分布密度示意圖Fig.8 distribution density of light well

圖9 采光單元面積密度與采光系數(shù)關(guān)系Fig.9 Distribution density of light well with daylight factor

表2 均勻度數(shù)值Table 2 Uniformity values

由該系列數(shù)據(jù)可知采光單元布置密度對于均勻度的影響相對較弱，WI數(shù)值以及采光單元截面寬度W及其表面反射率R是影響照度均勻度的關(guān)鍵參量。

4 結(jié)論

密布采光單元式屋頂采光系統(tǒng)有利于在大空間建筑中營造穩(wěn)定程度好、均勻度高的自然光環(huán)境。基于本研究的數(shù)據(jù)，針對以下幾個參量給出相關(guān)結(jié)論

(1)采光單元尺寸

以同時考量采光效率與均勻度、穩(wěn)定度三者為出發(fā)點，采光單元的尺寸應(yīng)優(yōu)選如下參數(shù):3≤WI≤5，500mm≤W≤1000mm。經(jīng)過多次模擬測試，即便是層高20m的大空間建筑，其采光單元的截面寬度也不適宜超過1000mm。

(2)表面材料反射率

采光單元內(nèi)壁的表面材料推薦為漫反射材料，其反射率R≥0.8，在條件允許的情況下推薦反射率R≥0.9，較高的反射率也有助于抵消實際工程中積塵以及材料老化減帶來的采光效率降低等影響。

(3)朝向

采光單元的朝向必須開展地域性研究或分析，以廣州為例采光單元朝向北15°～30°可以有較為滿意的效果。

(4)密度

該采光屋頂?shù)牟晒庀禂?shù)與面積密度基本呈線性關(guān)系，布置密度與室內(nèi)照度均勻度相關(guān)性不強。

［1］Carlos Ernesto Ochoa，Isaac Guedi Capeluto．Evaluating visual comfort and performance of three natural lighting systems for deep office buildings in highly luminous climates．Building and Environment 41(2006):1128～1135．

［2］Jiangtao Du，Steve Sharples．The variation of daylight levels across atrium walls:Reflectance distribution and well geometry effects under overcast sky conditions．Solar Energy 85(2011):2085～2100．

［3］B．Bouchet，M．Fontoynont．Day-lighting of underground spaces:design rules．Energy and Buildings 23(1996):293～298．