雙層玻璃幕墻設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)室內(nèi)光環(huán)境影響的模擬研究

周穎，金鳳云，楊華，劉聯(lián)勝，王靜

（河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，天津 300401）

雙層玻璃幕墻設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)室內(nèi)光環(huán)境影響的模擬研究

周穎，金鳳云，楊華，劉聯(lián)勝，王靜

（河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，天津 300401）

雙層玻璃幕墻在現(xiàn)代建筑中應(yīng)用廣泛，其設(shè)計(jì)不僅要滿足于富有表現(xiàn)力的建筑外觀，更要充分利用自然采光為室內(nèi)提供良好的光環(huán)境氛圍．本研究針對(duì)天津某雙層玻璃幕墻辦公建筑，利用Radiance靜態(tài)光環(huán)境模擬軟件，模擬計(jì)算了幕墻設(shè)計(jì)的一些特性參數(shù)（如幕墻朝向、內(nèi)幕墻窗墻比、玻璃透光比、內(nèi)幕墻窗戶外形、內(nèi)幕墻窗臺(tái)高度和空氣夾層寬度等）對(duì)建筑室內(nèi)光環(huán)境的影響，通過(guò)分析建筑室內(nèi)照度及照度均勻度的變化規(guī)律得到了合理的幕墻設(shè)計(jì)參數(shù)，以利于建筑充分利用自然采光，提高室內(nèi)照度水平，降低人工照明能耗．

光環(huán)境；雙層玻璃幕墻；辦公建筑；設(shè)計(jì)參數(shù)；靜態(tài)模擬

0 引言

自然光是潔凈能源，充足的自然光能夠改善室內(nèi)空間的光環(huán)境，提高人員的工作效率，降低照明與空調(diào)能耗．建筑物天然采光的影響因素很多，其中窗作為建筑自然采光的唯一途徑，其設(shè)計(jì)參數(shù)的重要性不言而喻．隨著建筑技術(shù)的發(fā)展，雙層玻璃幕墻[1]在國(guó)內(nèi)外建筑上得到大面積應(yīng)用，為室內(nèi)自然采光創(chuàng)造了先天的優(yōu)勢(shì)條件．前人對(duì)于玻璃幕墻建筑室內(nèi)光環(huán)境的研究重點(diǎn)多放在照明能耗分析與幕墻材料帶來(lái)的室內(nèi)外光環(huán)境污染等問(wèn)題上[2-4]，而幕墻設(shè)計(jì)的特性參數(shù)（諸如幕墻朝向、內(nèi)幕墻窗墻比、玻璃透光比、內(nèi)幕墻窗戶外形、內(nèi)幕墻窗臺(tái)高度和空氣夾層寬度等）對(duì)室內(nèi)光環(huán)境的影響尚缺乏深入的研究．同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，Radiance等[5-7]一系列光環(huán)境模擬軟件因其成本低、周期短和準(zhǔn)確性高，而日益受到人們的重視．鑒于以上背景，本文試圖針對(duì)上述幕墻設(shè)計(jì)特性參數(shù)對(duì)室內(nèi)照度及照度均勻度的影響進(jìn)行模擬分析，以期得到合理的幕墻設(shè)計(jì)參數(shù)，為之后幕墻的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)和參考．

1 物理模型的建立

本研究以天津市某雙層玻璃幕墻辦公建筑為例，應(yīng)用Radiance靜態(tài)光環(huán)境模擬軟件進(jìn)行模擬計(jì)算分析．該建筑共4層，南側(cè)大部分房間的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)均采用整體式雙層玻璃幕墻，其建筑外觀圖如圖1所示．雙層玻璃幕墻空氣夾層寬度為800mm，具體物性參數(shù)見(jiàn)表1所示．

表1 雙層玻璃幕墻物性參數(shù)Tab.1 The physical parameters of double-skin facade

選取南向1層有雙層玻璃幕墻的房間為模擬房間．該房間尺寸為7.9m×7.6m×4.2m（長(zhǎng)×寬×高），只有一面外墻即雙層玻璃幕墻，房間結(jié)構(gòu)如圖2所示．該房間內(nèi)幕墻窗墻比為0.48，窗下沿距地面為800mm．根據(jù)辦公建筑的特點(diǎn)，室內(nèi)假定工作面高度為800mm．

圖1 雙層玻璃幕墻辦公建筑外觀圖Fig.1 Theappearanceofdouble-skinfacadeofficebuilding

圖2 模擬房間室內(nèi)平面圖Fig.2 Theplanviewofsimulatedroom

雙層玻璃幕墻建筑室內(nèi)光環(huán)境受到內(nèi)、外幕墻設(shè)計(jì)參數(shù)的影響，本文將模擬當(dāng)改變這些參數(shù)時(shí)，建筑室內(nèi)照度及照度均勻度的變化，從光環(huán)境角度對(duì)室內(nèi)平均照度和照度均勻度2個(gè)方面進(jìn)行分析，提出合理的幕墻設(shè)計(jì)參數(shù)．進(jìn)行模擬時(shí)選取全年中的典型日，典型日工作時(shí)間為8:00～17:00，每1h模擬1次．

2 模擬計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 幕墻朝向?qū)κ覂?nèi)照度的影響

計(jì)算模型內(nèi)幕墻窗墻比為0.48，內(nèi)幕墻外形（寬×高×窗個(gè)數(shù)）：3.65m×2.2m×2．選取全年中的夏至日、春分日和冬至日3個(gè)典型日進(jìn)行模擬，天空模型選擇晴天CIE標(biāo)準(zhǔn)模型（陰天工況由于沒(méi)有太陽(yáng)直射光的影響，不同朝向室內(nèi)照度均相同，在此不做贅述）．夏至日、春分日和冬至日晴天工況不同幕墻朝向室內(nèi)平均照度對(duì)比，如圖3、圖4和圖5所示．

從圖3、圖4與圖5中可知晴天工況幕墻朝向不同，室內(nèi)照度有很大的差別，即晴天工況幕墻朝向是影響室內(nèi)照度的主要因素．根據(jù)《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》辦公室室內(nèi)采光標(biāo)準(zhǔn)值為450 lux，低于此值時(shí)需開(kāi)啟人工照明設(shè)備．夏至日晴天工況，由圖3可知，全天工作時(shí)間8: 00～17:00內(nèi)幕墻朝向?yàn)槟舷驎r(shí)有20%的時(shí)間室內(nèi)照度高于450lux，幕墻朝向?yàn)楸毕颉|向、西向分別有0%、40%、40%的時(shí)間室內(nèi)照度高于450lux；春分日晴天工況，由圖4可知，幕墻朝向?yàn)槟舷?、北向、東向、西向時(shí)分別有70%、0%、40%、40%的時(shí)間室內(nèi)照度高于450lux；冬至日晴天工況，由圖5可知，幕墻朝向?yàn)槟舷?、北向、東向、西向時(shí)分別有70%、0%、20%、20%的時(shí)間室內(nèi)照度高于450 lux．綜上所述，以南向幕墻自然采光為最優(yōu)，能夠有效節(jié)約照明能耗，同時(shí)為室內(nèi)提供良好的光環(huán)境．

圖3 夏至日不同幕墻朝向室內(nèi)平均照度圖Fig.3 Theaverageindoorilluminationofdifferent curtainwallorientationinsummersolstice

2.2 內(nèi)幕墻窗墻比對(duì)室內(nèi)照度及照度均勻度的影響

圖4 春分日不同幕墻朝向室內(nèi)平均照度圖Fig.4 Theaverageindoorilluminationofdifferent curtainwallorientationinvernalequinox

圖5 冬至日不同幕墻朝向室內(nèi)平均照度圖Fig.5 Theaverageindoorilluminationofdifferentcurtainwallorientationinwinter solstice

窗口的大小直接影響室內(nèi)自然采光，選取5種不同窗墻比進(jìn)行比較，具體窗墻比和窗戶外形（寬×高）見(jiàn)表2（窗戶寬高比均設(shè)為2）．計(jì)算模型窗臺(tái)高度為800mm，幕墻朝向?yàn)槟舷颍谙闹寥涨缣旃r這一典型日典型工況進(jìn)行模擬．

表2 不同內(nèi)幕墻窗墻比Tab.2 The different w indow-wall ratio of inner curtain w all

通過(guò)模擬得到不同窗墻比室內(nèi)平均照度及照度均勻度，如圖6、圖7所示．選取時(shí)刻9:00不同窗墻比時(shí)室內(nèi)照度分布圖，如圖8所示．

由圖6可知，內(nèi)幕墻窗墻比不同，室內(nèi)照度變化規(guī)律基本相同，但照度值差別較大．隨著窗墻比的增大，室內(nèi)平均照度在不斷增大，但增大幅度隨著窗墻比的增大逐漸降低．由圖7可知，隨著窗墻比的增大，室內(nèi)照度均勻度在不斷的增大，但是增大幅度也在不斷減?。蓤D8容易看出，相同時(shí)刻，隨著窗墻比的增大，室內(nèi)照度及照度均勻度均在不斷增大．隨著距幕墻距離的增加，不同窗墻比的室內(nèi)照度均逐漸減小，但窗墻比越大，近窗處的照度越大，室內(nèi)照度減小速度及幅度越大，室內(nèi)照度相差懸殊，容易引起人員視覺(jué)疲勞．綜合以上因素分析，窗墻比為0.54時(shí)，室內(nèi)照度及照度均勻度最為適宜．

圖6 不同窗墻比平均照度對(duì)比圖Fig.6 Theaverageilluminationof differentwindow-wallratio

圖7 不同窗墻比照度均勻度對(duì)比圖Fig.7 Theilluminationuniformityof differentwindow-wallratio

圖8 時(shí)刻9:00不同窗墻比室內(nèi)照度分布圖Fig.8 Theindoorilluminationdistributionofdifferentwindow-wallratioat9:00o'clock

2.3 幕墻玻璃透光率對(duì)室內(nèi)照度及照度均勻度的影響

對(duì)于雙層玻璃幕墻建筑，內(nèi)、外幕墻玻璃透光率均影響室內(nèi)光環(huán)境，以內(nèi)幕墻為例，分析玻璃透光率對(duì)室內(nèi)照度及照度均勻度的影響．計(jì)算模型窗墻比為0.48，內(nèi)幕墻外形（寬×高×窗個(gè)數(shù)）：3.65m×2.2m×2，窗臺(tái)高度為800m，幕墻朝向?yàn)槟舷颍饽粔ν腹饴时３植蛔?，在夏至日晴天工況這一典型日典型工況對(duì)內(nèi)幕墻玻璃透光率分別為43%、53%、63%、73%時(shí)進(jìn)行模擬．經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理，得到不同玻璃透光率室內(nèi)平均照度及照度均勻度對(duì)比圖，如圖9、圖10所示．選取時(shí)刻9:00不同玻璃透光率時(shí)室內(nèi)照度分布圖，如圖11所示．

由圖9可知，玻璃透光率不同，室內(nèi)照度變化規(guī)律相同，但照度值差別較大．隨著玻璃透光率的增大，室內(nèi)平均照度在不斷增大，且增大幅度幾乎相同．內(nèi)幕墻玻璃透光率每增大10%，室內(nèi)平均照度約增大50lux．由圖10可知，內(nèi)幕墻玻璃透光率不同，室內(nèi)照度均勻度存在差別．隨著玻璃透光率的增大，室內(nèi)照度均勻度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)透光率為53%時(shí)，室內(nèi)照度均勻度最大．由圖11可知，同一時(shí)刻，室內(nèi)照度分布存在較大差別．隨著玻璃透光率的增大，室內(nèi)近窗處的照度值明顯增強(qiáng)，但室內(nèi)照度均勻度卻有所降低，玻璃透光率53%時(shí)，室內(nèi)照度均勻度最好．綜合2種因素，同時(shí)考慮到過(guò)高的玻璃透光率會(huì)增加室內(nèi)空調(diào)冷負(fù)荷，不利于建筑節(jié)能，因此，針對(duì)本研究對(duì)象，選取透光率63%的玻璃最相宜．

圖9 不同玻璃透光率平均照度對(duì)比圖Fig.9 Theaverageilluminationof differentlighttransmittanceofglass

圖10 不同玻璃透光率照度均勻度對(duì)比圖Fig.10 Theilluminationuniformityof differentlighttransmittanceofglass

2.4 內(nèi)幕墻窗口形狀對(duì)室內(nèi)照度及照度均勻度的影響

圖11 時(shí)刻9:00不同玻璃透光率室內(nèi)照度分布圖Fig.11 Theindoorilluminationdistributionofdifferentlighttransmittanceofglassat9:00o'clock

對(duì)于僅有側(cè)面采光的建筑物，不同的窗口形狀（扁長(zhǎng)或細(xì)高）對(duì)室內(nèi)照度的分布必然存在影響．計(jì)算模型內(nèi)幕墻窗墻比為0.51，窗面積為16.8 m2，窗臺(tái)高度為800 mm，幕墻朝向?yàn)槟舷颍x擇夏至日CIE晴天模型進(jìn)行模擬．選取4種內(nèi)幕墻窗戶形狀進(jìn)行分析，窗戶均處于內(nèi)幕墻中間位置，具體窗戶形狀（寬×高）見(jiàn)表3．得到不同內(nèi)幕墻窗戶外形室內(nèi)平均照度及照度均勻度對(duì)比圖，如圖12、圖13所示．選取時(shí)刻9:00不同窗戶外形室內(nèi)照度分布圖，如圖14所示．

表3 內(nèi)幕墻窗戶外形（寬×高）Tab.3 The w indow shape of inner curtain w all(w idth×height)

由圖12可知，內(nèi)幕墻外形不同，室內(nèi)照度不同，尤其是正午12:00左右更加明顯．11:00之前和14:00之后，內(nèi)幕墻寬高比為2.1時(shí)室內(nèi)平均照度最大．11:00～14:00之間由于太陽(yáng)高度角較大，入射到室內(nèi)的照度集中在近窗處，因此窗戶寬度加大時(shí)室內(nèi)照度較高，即隨著窗戶寬高比的減小，室內(nèi)照度降低較明顯．由圖13可知，隨著寬高比的降低，照度均勻度逐漸增大，當(dāng)寬高比低于2.1時(shí)，照度均勻度降低．由圖14可知，上午9時(shí)同一時(shí)刻，內(nèi)幕墻外形不同，室內(nèi)平均照度相差無(wú)多，但是寬高比過(guò)小，直接影響室內(nèi)照度分布，尤其是近窗墻角處照度值明顯降低，易使人產(chǎn)生視覺(jué)上的不適．綜上，內(nèi)幕墻窗戶外形為6 m×2.8 m即寬高比為2.1時(shí)，室內(nèi)照度及照度均勻度為最適宜．

2.5 其他幕墻特性參數(shù)對(duì)室內(nèi)照度及照度均勻度的影響

圖12 不同窗戶外形平均照度對(duì)比圖Fig.12 Theaverageilluminationof differentwindowshape

圖13 不同窗戶外形照度均勻度對(duì)比圖Fig.13 Theilluminationuniformityof differentwindowshape

圖14 時(shí)刻9:00不同窗戶外形室內(nèi)照度分布圖Fig.14 Theindoorilluminationdistributionofdifferentwindowshapeat9:00o'clock

對(duì)于雙層玻璃幕墻建筑，內(nèi)幕墻窗戶窗臺(tái)位置的高低及內(nèi)外幕墻之間空氣夾層的寬度對(duì)室內(nèi)光環(huán)境必然存在一定的影響，筆者對(duì)其也做了模擬分析，但相較于前4個(gè)特性參數(shù)影響程度而言比較微弱，在此只做結(jié)果表述：隨著窗臺(tái)高度的增加，室內(nèi)平均照度及照度均勻度變化差值都較小，室內(nèi)照度先提高后降低，室內(nèi)照度均勻度在不斷提高；幕墻空氣夾層寬度對(duì)建筑室內(nèi)照度幾乎無(wú)影響，但對(duì)室內(nèi)照度均勻度存在一定的影響．隨著幕墻夾層寬度的增大，室內(nèi)照度均勻度先增大后降低．

3 結(jié)論

本研究中，通過(guò)對(duì)天津市某雙層玻璃幕墻辦公建筑幕墻相關(guān)特性參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算，得出以下結(jié)論：

1）幕墻朝向在晴天時(shí)對(duì)室內(nèi)照度影響較大，尤其是冬季，工作時(shí)間段內(nèi)幕墻朝向?yàn)槟蠒r(shí)室內(nèi)平均照度最大，其中高于450lux的時(shí)間較北向多出70%，較東、西向多出50%．

2）隨著內(nèi)幕墻窗墻比的增大，室內(nèi)平均照度及照度均勻度均有明顯的提高，但綜合室內(nèi)照度分布及能耗影響，針對(duì)本研究對(duì)象，0.54的窗墻比為最佳選擇．

3）玻璃透光率不同，室內(nèi)照度值差別較大，照度均勻度也存在差別．針對(duì)本研究對(duì)象，透光率63%的玻璃最相宜．

4）隨著窗戶寬高比的減小，室內(nèi)照度及照度均勻度均增大后減小．針對(duì)本研究對(duì)象，窗戶寬高比為2.1左右時(shí)室內(nèi)照度及照度均勻度均在適宜范圍．

[1]李保峰．“雙層皮”幕墻類(lèi)型分析及應(yīng)用展望[J]．建筑學(xué)報(bào)，2001，48（11）：28-31．

[2]羅濤．玻璃幕墻建筑的室內(nèi)外天然光環(huán)境研究[D]．北京：清華大學(xué)，2005．

[3]陳紅兵．辦公建筑的天然采光與能耗分析[D]．天津：天津大學(xué)，2004．

[4]杜峰，孟慶林．玻璃幕墻建筑的室內(nèi)光污染和熱環(huán)境研究[J]．建筑科學(xué)，2011，27（2）：61-65．

[5]尤偉，吳蔚．淺探運(yùn)用Radiance模擬天然采光[J]．照明工程學(xué)報(bào)，2008，19（1）：25-32．

[6]云朋．建筑光環(huán)境模擬[M]．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010：74-75．

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[責(zé)任編輯 田豐]

Studyontheimpactofdouble-skinfacade'sdesignparameters onindoordaylightenvironment

ZHOUYing，JINFengyun，YANGHua，LIULiansheng，WANGJing

(SchoolofEnergyandEnvironmentEngineering,HebeiUniversityofTechnology,Tianjin 300401,China)

Double-skinfacadeiswidelyappliedinmodernarchitecture,anditsdesignshouldnotonlymaketheexteriorofthebuildingexpressivelybeautiful,butalsodevote toprovidinggoodnaturallighting fortheambianceofinteriorlightbyfulluseofnaturallighting.AimingatanofficebuildinginTianjin,thisstudysimulated theeffectsofsome characteristicparameters of double-skinfacade(suchas thecurtainwallorientation,window-wallratio ofinnerwalls,lighttransmittanceof glass,windowappearanceofinner wall,sillheightofinnerwallandwidthofair-inter-layer)onindoorlightenvironment,usingRadiancestaticlightenvironmentsimulationsoftware.Somereasonablycurtainwall designparametershavebeenobtainedthroughtheanalysisofthevariationofindoorilluminationandilluminationuniformityinordertofacilitatethebuildingfulluseofnaturallighting, toimprovetheindoorilluminationlevelsandtoreduceartificiallightingenergyconsumption.

lightenvironment;double-skinfacade;officebuilding;designparameters;staticsimulation

TU 228；TU113

A

1007-2373(2015)06-0052-06

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.06.010

2015-05-11

河北省自然科學(xué)基金（E2015202243）；河北省科技計(jì)劃項(xiàng)目（13226604D-4）；天津市科技支撐計(jì)劃（14ZCDZGX00821）

周穎（1992-），女（漢族），碩士生．通訊作者：楊華（1970-），女（漢族），教授，y8h8@163.com．

數(shù)字出版日期：2015-11-18數(shù)字出版網(wǎng)址：http://www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20151118.1051.008.html