邊宇 馬源 遇大興

（1.華南理工大學(xué)建筑學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640；3.廣東工業(yè)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，廣東 廣州 510090）

參考天空亮度分布模型下的建筑采光設(shè)計(jì)優(yōu)化*

邊宇1，2馬源3遇大興1

（1.華南理工大學(xué)建筑學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640；3.廣東工業(yè)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，廣東 廣州 510090）

結(jié)合觀測(cè)研究某地區(qū)天空亮度分布的方法以及參考天空模型的構(gòu)建方式，提出了華南區(qū)參考天空模型(CSRS)，并通過(guò)房間內(nèi)的實(shí)地測(cè)量驗(yàn)證了該計(jì)算模型；然后在華南區(qū)夏季光氣候條件下以某側(cè)窗采光教室為研究對(duì)象提出了基于CSRS的建筑采光優(yōu)化設(shè)計(jì)方法；最后針對(duì)該案例給出了優(yōu)化的采光設(shè)計(jì)方案及量化參數(shù)，并說(shuō)明了其采光效果.結(jié)果表明：使用CSRS模型進(jìn)行采光模擬與分析的結(jié)果較CIE標(biāo)準(zhǔn)全云天模型更準(zhǔn)確.

天空亮度分布；參考天空模型；建筑采光設(shè)計(jì)；采光效果

在開(kāi)展建筑采光設(shè)計(jì)時(shí)必須充分了解項(xiàng)目所在地的光氣候特征，除基于經(jīng)驗(yàn)的方法外，在當(dāng)?shù)貐⒖继炜樟炼确植寄Ｐ停ㄏ挛暮?jiǎn)稱參考天空）下進(jìn)行模擬分析，并將結(jié)果作為采光設(shè)計(jì)的依據(jù)是一種科學(xué)的途徑.參考天空是指可以反映某地區(qū)、某時(shí)間段內(nèi)天空亮度分布均值情況的天空亮度分布模型，即在進(jìn)行采光分析時(shí)作為參照標(biāo)準(zhǔn)的天空亮度分布模型［1］.當(dāng)前，建筑采光的分析主要在CIE標(biāo)準(zhǔn)全云天（CIE Standard Overcast Sky）等模型下進(jìn)行，實(shí)際上該模型不能反映任何地區(qū)天空亮度分布的真實(shí)情況［2］.以華南地區(qū)夏季為例，該地區(qū)夏季大氣透明度高、多暴雨，同時(shí)晴朗時(shí)數(shù)也較多，光氣候地域性特點(diǎn)突出，因此該地區(qū)建筑的采光設(shè)計(jì)應(yīng)具有適應(yīng)當(dāng)?shù)毓鈿夂虻膬?yōu)化參數(shù).

本研究基于觀測(cè)數(shù)據(jù)定義了華南地區(qū)夏季參考天空亮度分布模型并通過(guò)校驗(yàn)證明了參考天空較傳統(tǒng)模型計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，即更能反映地域性光氣候特點(diǎn)；并以某項(xiàng)目的采光設(shè)計(jì)過(guò)程為例闡述了在參考天空模型下開(kāi)展采光設(shè)計(jì)以及參數(shù)優(yōu)化的過(guò)程，通過(guò)優(yōu)選設(shè)計(jì)方案的采光表現(xiàn)說(shuō)明參考天空下的采光優(yōu)化設(shè)計(jì)可以獲取更為優(yōu)良的建筑采光效果.

1 參考天空模型

筆者所在課題組在亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2#實(shí)驗(yàn)大樓屋頂平臺(tái)開(kāi)展了華南地區(qū)光氣候的觀測(cè)工作，該場(chǎng)地周圍無(wú)明顯遮擋，符合CIE提出的光氣候測(cè)試條件.使用安裝全景視場(chǎng)魚(yú)眼鏡頭的圖像采集裝置對(duì)全天空亮度分布情況以10min為間隔進(jìn)行連續(xù)測(cè)量.該測(cè)試自2012年12月8日開(kāi)始已測(cè)量一個(gè)年周期，采集天空?qǐng)D像4萬(wàn)余張（含夜間），測(cè)試期間僅少數(shù)時(shí)段因設(shè)備故障或暴風(fēng)雨天氣中斷測(cè)試.采集到的天空?qǐng)D像經(jīng)過(guò)自行開(kāi)發(fā)的程序處理后獲得相對(duì)應(yīng)天空單元的亮度相對(duì)值.

1.1 華南地區(qū)參考天空模型

天空亮度分布模型可以分為全云天（OC）、中間天空（IM）、晴天空（CL）3大類，通常用CIE標(biāo)準(zhǔn)全云天模型、CIE標(biāo)準(zhǔn)中間天空模型、CIE標(biāo)準(zhǔn)晴天空模型進(jìn)行描述［3］.課題組采集的天空?qǐng)D像經(jīng)處理后以均方差最小的原則歸入以上所述的3種標(biāo)準(zhǔn)天空亮度分布模型，統(tǒng)計(jì)其出現(xiàn)次數(shù)后得到出現(xiàn)頻率K.此模型建立在3種標(biāo)準(zhǔn)天空線性分量疊加的基礎(chǔ)上，其數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中出現(xiàn)頻率K值分別為3種標(biāo)準(zhǔn)天空模型的線性分量系數(shù)，RS為參考天空模型［4］.

圖1 參考天空模型結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of reference sky model

本研究以華南地區(qū)夏季（2013-06-21～2013-09-23）為例，排除夜間圖像，獲取有效圖像5 405幅，通過(guò)程序?qū)⑦@一系列圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行整理歸類并經(jīng)過(guò)計(jì)算得出Ko、Ki、Kc的值，結(jié)果如表1所示.

表1 參考天空模型中的K值Table 1 K values in reference skymodel

綜上所述，夏季華南地區(qū)參考天空模型（CSRS）可定義為：

CSRS（morning）=0.26（OC）+0.39（IM）+0.35（CL），

CSRS（noon）=0.30（OC）+0.53（IM）+0.17（CL），

CSRS（afternoon）=0.52（OC）+0.39（IM）+0.09（CL）.

1.2 CSRS模型校驗(yàn)

課題組以坐落于華南理工大學(xué)校內(nèi)的某教室作為校驗(yàn)用模型空間，以該模型教室內(nèi)的實(shí)測(cè)自然光照度數(shù)據(jù)與CSRS模型下的計(jì)算數(shù)值、CIE標(biāo)準(zhǔn)全云天下的模擬值進(jìn)行比較.

該教室進(jìn)深7.6m，僅朝北向開(kāi)單側(cè)窗，室內(nèi)0.75m高度平面布置有9×3共計(jì)27個(gè)照度計(jì)，相鄰照度探頭間距0.8m（圖2）.該陣列照度測(cè)試系統(tǒng)以10min為間隔對(duì)室內(nèi)自然光照度情況進(jìn)行為期一年的連續(xù)測(cè)量［5］.

圖2 模型教室內(nèi)自然光照度測(cè)量Fig.2 Daylight illuminancemeasurement in model classroom

為了在CSRS模型下進(jìn)行計(jì)算，課題組在Grasshopper軟件平臺(tái)中使用DIVA采光計(jì)算模塊進(jìn)行編程使得計(jì)算機(jī)的采光模擬同時(shí)在3種標(biāo)準(zhǔn)天空模型下進(jìn)行，對(duì)3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)天空模型下取得的計(jì)算結(jié)果以表1中列出的K值進(jìn)行線性疊加即得到CSRS模型下的模擬計(jì)算結(jié)果［6-7］.

在2013年夏季中選取6天作為取值對(duì)象（6月21日，7月15日，7月30日，8月15日，8月30日，9月22日），這6天內(nèi)的實(shí)際測(cè)試結(jié)果的平均值與模擬結(jié)果的平均值如圖3所示.

由圖3可見(jiàn)，該模型教室室內(nèi)照度隨著進(jìn)深增大而迅速下降；CSRS模型較CIE標(biāo)準(zhǔn)全云天模型更加準(zhǔn)確，也意味著該模型更加能夠反映某一地區(qū)實(shí)際的天空亮度分布的均值情況［8］.限于篇幅，文中僅列出少量分時(shí)數(shù)據(jù)，基于更大量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)表明：CSRS模型在準(zhǔn)確程度上的優(yōu)勢(shì)明顯.

2 采光優(yōu)化設(shè)計(jì)

文中以某教室側(cè)窗的采光設(shè)計(jì)及其參數(shù)的優(yōu)化為例闡述建筑采光優(yōu)化設(shè)計(jì)方法.參照國(guó)家《建筑照明設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50034—2004）》，本課題對(duì)教室自然光照明的研究設(shè)計(jì)中以300 lx作為照度的臨界參考值［9］.

2.1 設(shè)計(jì)對(duì)象

圖3 照度模擬值與測(cè)量值的比較Fig.3 Comparisons of stimulation andmeasurement towards lux value

以華南地區(qū)某教室為研究設(shè)計(jì)對(duì)象，該教室周圍開(kāi)闊無(wú)明顯遮擋.其中標(biāo)準(zhǔn)教室進(jìn)深8m、層高3.5m，使用單側(cè)窗采光.圖4為該教室側(cè)窗剖面，該側(cè)窗外側(cè)1m位置處安裝有金屬支架用于支撐采光構(gòu)件.該教室的內(nèi)墻表面反射率為0.76，地面反射率為0.35，窗玻璃透光率為0.90，研究模型中未放置桌椅，無(wú)人工照明措施.

2.2 參數(shù)優(yōu)化

為量化研究側(cè)窗采光表現(xiàn)并對(duì)采光構(gòu)件的參數(shù)進(jìn)行擇優(yōu).課題組分別針對(duì)采光構(gòu)件的水平位置、垂直位置、旋轉(zhuǎn)角度等量值進(jìn)行量化研究并對(duì)具體參數(shù)值進(jìn)行擇優(yōu)［5，10］.

圖4 設(shè)計(jì)對(duì)象側(cè)窗剖面示意圖（單位：mm）Fig.4 Cross-section of side window in design object（Unit：mm）

首先，針對(duì)采光構(gòu)件的水平安裝參數(shù)開(kāi)展研究，規(guī)定側(cè)窗內(nèi)采光構(gòu)件安裝在距樓層地面2.35m高度處，該采光構(gòu)件上表面為反射率0.90的鏡面材料，此類材料有助于室內(nèi)引入自然光［11］下表面為反射率0.80的漫反射材料.文中將采光構(gòu)件的水平位置列出了5種類型，如圖5所示.

圖5 采光構(gòu)件的水平位置類型（單位：mm）Fig.5 Options of Horizontal Position of daylight facility（Unit：mm）

在CSRS模型下針對(duì)6個(gè)選定日（6月21日，7月15日，7月30日，8月15日，8月30日，9月22日）的模擬計(jì)算得知，TYPE 1-5在9：00～17：00中照度隨進(jìn)深變化的均值情況如圖6所示.

圖6 CSRS模型下采光構(gòu)件在不同水平位置時(shí)的室內(nèi)自然光模擬結(jié)果Fig.6 Interior daylighting simulation result of various horizontal positions shading facility under CSRS

綜合考慮照度分布的均勻度以及照度值，TYPE3和TYPE4的采光效果更為良好，其中TYPE4在均勻度上更優(yōu)，因此本案例的采光構(gòu)件的水平布置方式優(yōu)選TYPE4.

第二步，進(jìn)行采光構(gòu)件的垂直安裝位置研究與參數(shù)優(yōu)選.

針對(duì)TYPE4采光構(gòu)件形式開(kāi)展垂直位置參數(shù)的研究，將該構(gòu)件的安裝高度設(shè)定為距地面2050、2200、2350mm 3種高度（分別記為H1、H2、H3），如圖7所示，研究方法與研究水平位置的方法相同.照度隨進(jìn)深變化的均值情況如圖8所示.

由圖8可見(jiàn)，安裝高度為2.35m（H3）的采光構(gòu)件在采光表現(xiàn)上可作為優(yōu)選.

圖7 采光構(gòu)件的垂直位置示意圖（單位：mm）Fig.7 Schematic diagram of vertical position of daylight facility（Unit：mm）

圖8 CSRS模型下采光構(gòu)件在不同垂直位置時(shí)的室內(nèi)自然光模擬結(jié)果Fig.8 Interior daylighting simulation result of various rertical positions of shading facility under CSRS

第三步，進(jìn)行采光構(gòu)件安裝角度對(duì)采光效果影響的研究，并進(jìn)行角度參數(shù)的優(yōu)選.

通過(guò)對(duì)圖9所示的從-20°到20°的共計(jì)5種角度（R-20～R20）的采光構(gòu)件在整個(gè)夏季的采光表現(xiàn)均值情況（見(jiàn)圖10）進(jìn)行分析可得：當(dāng)采光構(gòu)件的安裝角度為10°、15°、20°（即圖9中的R10、R15、R20）時(shí)該房間的照度隨進(jìn)深的分布較R0（即采光構(gòu)件水平放置）時(shí)并未有改善.從圖中可知，當(dāng)采光構(gòu)件安裝角度為-15°至-20°（即圖9中的R-15、R-20）時(shí)室內(nèi)照度分布在進(jìn)深方向的均勻度有明顯提升，其中安裝角度為-15°與-20°時(shí)，以整個(gè)夏季的均值情況而言其照度隨進(jìn)深的變化趨勢(shì)相近，但R-15的采光量較R-20高，因此在本研究中優(yōu)選R-15形式.

圖9 采光構(gòu)件安裝角度示意圖（單位：mm）Fig.9 Schematic diagram of daylight facility with different installation angle（Unit：mm）

圖10 CSRS模型下采光構(gòu)件不同安裝角度時(shí)的室內(nèi)自然光模擬結(jié)果Fig.10 Interior daylighting simulation result of various votation angles of shading facility under CSRS

2.3 優(yōu)化方案與效果評(píng)價(jià)

經(jīng)過(guò)第2.2節(jié)的分析，優(yōu)化參數(shù)的采光構(gòu)件方案及其參數(shù)如圖11所示.

圖11 優(yōu)化的采光構(gòu)件參數(shù)（單位：mm）Fig.11 Optimized light access facility scheme（Unit：mm）

優(yōu)化參數(shù)的采光構(gòu)件在華南地區(qū)夏季9：00～16：00之間的采光均值情況如圖12所示.

圖12 優(yōu)化參數(shù)采光構(gòu)件的夏季采光表現(xiàn)Fig.12 Daylight performance of selected plan in summer

由圖12可見(jiàn)，該采光構(gòu)件的采光表現(xiàn)均值情況已經(jīng)滿足國(guó)標(biāo)GB50034中對(duì)于照度值的規(guī)定，在夏季光氣候條件下針對(duì)華南地區(qū)的側(cè)窗采光教室開(kāi)展的采光設(shè)計(jì)工作使得該教室內(nèi)的自然光照度分布得到了明顯優(yōu)化，且在9：00～16：00時(shí)間段內(nèi)8m進(jìn)深內(nèi)的照度均值處于300 lx以上，達(dá)到了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定.可見(jiàn)該采光設(shè)計(jì)方案可以為整個(gè)教室提供優(yōu)良的自然光環(huán)境，無(wú)論從健康、舒適還是節(jié)能等方面均能起到良好的作用［12］.此案例也闡述了基于參考天空模型開(kāi)展建筑采光優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，由于該模型可反映某地區(qū)天空亮度分布的均值情況，因此為采光優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一種較為便捷、準(zhǔn)確的途徑.

3 結(jié)論

經(jīng)過(guò)對(duì)天空亮度的長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)觀測(cè)，構(gòu)建出華南地區(qū)夏季的參考天空模型.該天空亮度模型可以較好地反映該地區(qū)的天空亮度分布的均值情況，適宜作為夏季參考天空亮度模型使用.使用該天空亮度模型進(jìn)行采光分析模擬，其模擬結(jié)果較CIE標(biāo)準(zhǔn)全云天模型等更具有實(shí)際指導(dǎo)意義，對(duì)于分析采光問(wèn)題更有實(shí)用價(jià)值.該模型的構(gòu)建為采光優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一條更為準(zhǔn)確、可行的途徑.通過(guò)教室采光問(wèn)題的研究以及采光優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步說(shuō)明了優(yōu)化的教室采光設(shè)計(jì)可能在視覺(jué)舒適度以及節(jié)能方面所帶來(lái)的巨大潛力.

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Optim ization of Building Daylighting Design on the Basis of Reference Sky Lum inance Distribution M odel

Bian Yu1，2Ma Yuan3Yu Da-xing1
（1.School of Architecture，South China University of Technology，Guangzhou 510640，Guangdong，China；2.State Key Laboratory of Subtropical Building Science，South China University of Technology，Guangzhou 610640，Guangdong，China；3.School of Architecture and Urban Planning，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510090，Guangdong，China）

In this paper，by combining themethod of observing the sky luminance distribution in a given area and the structure of reference skymodel，a calculation model named as CSRS（China South Reference Sky Model）is constructed and then verified by ameasurement in model classroom.Then，on the condition of summer climate of South China and by taking a classroom with side-window as the research objective，a daylight optimization design procedure is proposed on the basis of CSRSmodel.Finally，an optimized daylight scheme is designed for this case，and corresponding quantization parameters and daylight performance are analyzed.The results show that CSRSmodel ismore accurate than CIEmodel in the building daylight analysis

sky luminance distribution；reference skymodel；building daylight design；daylight performance

TU113

10.3969/j.issn.1000-565X.2015.07.014

1000-565X（2015）07-0100-06

2014-05-30

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51208205）；亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主課題（2013ZC17）

Foundation item：Supported by the National Natural Science Foundation of China（51208205）

邊宇（1982-），男，博士，講師，主要從事建筑光學(xué)研究.E-mail：aryubian@163.com