辦公建筑室內(nèi)自然光環(huán)境模擬評估①

姜濤

（中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限責任公司，湖北 武漢 430063）

0 引言

自然光是一種綠色資源，取之不盡，用之不竭，是大自然賜給我們的寶貴財富.在建筑設(shè)計中，若能科學合理的利用自然光，不僅可以有效減小照明及采暖空調(diào)等能耗，還可以改善建筑物采光條件，提供健康舒適的采光環(huán)境.

從照明能耗來看，自然光照明是綠色照明的重要方面.據(jù)統(tǒng)計，建筑在運行過程中照明能耗占總能耗的40%～50%，節(jié)約照明用電可減少自然資源的消耗及有害氣體的排放，有利于環(huán)境保護［1].從冬季采暖能耗來看，自然光照明可以有效利用輻射熱能來調(diào)節(jié)建筑物內(nèi)部的小氣候，降低建筑能耗［2].在大力提倡節(jié)能減排的今天，自然采光所帶來的節(jié)能效果是不容忽視的.

就照明效果而言，人眼最能適應的是自然光.在這方面，人工光源是無法完全替代自然光的.自然光不僅具有比人工光源更好的視覺效果，而且還能提供更為健康的光環(huán)境.

本文中根據(jù)武漢市武昌區(qū)某辦公建筑，建立室內(nèi)光環(huán)境模型，設(shè)置相關(guān)邊界條件，從采光系數(shù)及天光照度兩個方面，結(jié)合室外天空照度，模擬分析并評估室內(nèi)自然光環(huán)境.

1 相關(guān)評估標準

本研究設(shè)計的標準主要為《建筑采光設(shè)計標準》［3]，《建筑照明設(shè)計標準》［4]及《綠色建筑評價標準》［5].根據(jù)《建筑采光設(shè)計標準》［3]，視覺作業(yè)場所工作面上的采光系數(shù)標準值，應符合表1中的規(guī)定.根據(jù)《建筑照明設(shè)計標準》［4]相關(guān)規(guī)定，辦公建筑照明標準值應符合下表2的規(guī)定.

表1 各視覺作業(yè)場所工作面上的采光系數(shù)標準值

表2 辦公建筑照明標準值

《綠色建筑評價標準》［5]相關(guān)條款要求辦公、賓館類建筑75%以上的主要功能空間室內(nèi)采光系數(shù)滿足現(xiàn)行國家標準《建筑采光設(shè)計標準》［3]的要求.研究中考慮辦公室采光等級為3級，同時相關(guān)條款也規(guī)定公共建筑的室內(nèi)照度等要滿足《建筑照明設(shè)計標準》［4]中相關(guān)規(guī)定.研究中考慮辦公室為普通辦公室.

2 評估工具

ECOTECT［6]是由英國Square One公司開發(fā)的生態(tài)建筑設(shè)計軟件，其計算核心指標為采光系數(shù).采光系數(shù)計算采用的是建筑研究組織的分項研究方法.該計算方法不考慮直射光，到達房間內(nèi)任一點上的自然光包含3個獨立的組成部分：天空光組分，外部反射光組分，反射光組分.首先系統(tǒng)分別計算某一點上的3個不同組成部分，最后綜合取得采光系數(shù).在利用自然光采光時，室內(nèi)照度隨室外照度而時刻變化著.因此在確定室內(nèi)自然光照度水平時，必須把它同室外照度聯(lián)系起來考慮.鑒于此，文中將從采光系數(shù)及天光照度兩個方面并結(jié)合室外天空照度來分析研究室內(nèi)光環(huán)境.文中模擬自然采光的軟件為ECOTECT［6]軟件 .

3 模型建立及邊界條件設(shè)置

該辦公建筑位于武漢市武昌區(qū)，共有7層，均為標準層.標準層建筑面積為2 318m2，標準層高為4.2m，南北長度為68m，東西長度為42m，有效窗戶高度為3.6m，窗墻比為0.47.本文中針對該建筑物的標準層建模，窗戶、幕墻及內(nèi)墻等結(jié)構(gòu)均依據(jù)所提供的建筑圖紙進行相關(guān)設(shè)置，并選取標準層模型進行分析，具體三維示意圖如圖1.

圖1 標準層三維模型示意圖

圖2 CIE全陰天天空背景照度分布圖

武漢地區(qū)屬于IV類地區(qū)，其室外臨界照度為4 500 lx，緯度為30.6N，經(jīng)度為114.1E，時區(qū)為+8：00，地形為城市，模型方向為北向偏移-24°.模擬中，天空背景照度設(shè)置為CIE全陰天模式，如下圖2.為便于分析，選取模擬日期為3月21日（春分），時刻為正午時分.

4 室內(nèi)光環(huán)境結(jié)果分析

室內(nèi)采光系數(shù)的模擬結(jié)果如下圖3所示.室內(nèi)采光系數(shù)范圍為1%～25%.其中采光系數(shù)＜2%的區(qū)域主要分布在樓梯間和電梯間，占總面積3.39%.從整體來看，96.47%的室內(nèi)空間采光系數(shù)滿足＞2%，滿足“75%的室內(nèi)空間采光系數(shù)＞2%”的要求.

圖3 室內(nèi)采光系數(shù)分布圖

圖4 室外臨界照度下室內(nèi)天光照度分布圖

室外臨界天空照度和設(shè)計天空照度本質(zhì)上都是室外照度，但其不完全相同，設(shè)計天空照度更接近正常使用中的情況，而室外臨界照度則是一個最低限度.由于我國標準中的采光系數(shù)是根據(jù)不同室內(nèi)的最低照度要求和室外臨界照度推算出來的，如果要根據(jù)我國標準進行評估，應該選取室外臨界照度來計算.如果評估實際使用條件下的采光情況，則應該采用設(shè)計天空照度計算室內(nèi)照度.本文中將分為室外臨界照度和室內(nèi)設(shè)計天空照度兩種情況來模擬分析.

若按照《建筑采光設(shè)計標準》［3]的要求來分析此建筑物內(nèi)的照度情況，即設(shè)置室內(nèi)天光照度為室外臨界照度4 500 lx，計算天光照度，模擬結(jié)果如下圖4.整個室內(nèi)空間，室內(nèi)天光照度范圍為45～1 125 lx.其中只有樓梯間、電梯及電梯前室3個非工作區(qū)域照度低于100 lx.因此可以判斷，自然采光設(shè)計滿足視覺工作等級3（精細）的要求（即室內(nèi)天然光臨界照度不低于100 lx）.

在建筑的實際使用條件下，設(shè)計天空照度更接近正常使用情況.選取模型緯度計算，程序自動計算得到設(shè)計天空照度為9 000 lx.設(shè)置其他邊界條件后計算分析，得到室內(nèi)天光照度分布圖如圖5.整個空間室內(nèi)天光照度范圍90～2 250 lx.其中休息室、樓梯間及電梯區(qū)域等非辦公區(qū)域照度低于300 lx，其它區(qū)域（即辦公區(qū)域）均大于300 lx，滿足公共建筑中辦公室的照度不低于300 lx的要求.

圖5 室外設(shè)計照度下室內(nèi)天光照度分布圖

5 總結(jié)

本文中采用ECOTECT［6]對某辦公建筑室內(nèi)自然光環(huán)境進行建模模擬分析，結(jié)果表明該建筑96.47%的室內(nèi)空間的采光系數(shù)大于2%，滿足《綠色建筑評價標準》［5]中規(guī)定的75%的室內(nèi)空間的采光系數(shù)大于2%.

在室外臨界照度（4 500 lx）下，模擬結(jié)果表明照度小于100 lx的區(qū)域占總建筑面積的9.17%，主要分布于樓梯間、電梯間及休息區(qū)等非工作區(qū)域，而其他辦公區(qū)域（90.83%）均滿足《建筑采光設(shè)計標準》［3]規(guī)定的采光等級3的室內(nèi)自然光臨界照度不低于100 lx.在設(shè)計天空照度（9 000 lx）下，模擬結(jié)果表明占建筑面積的13.62%的電梯間、電梯間及休息區(qū)等局部死角區(qū)域的照度小于300 lx，其他辦公區(qū)域均滿足《建筑照明設(shè)計標準》［4]規(guī)定的公共建筑中辦公室的照度不低于300 lx.

［1]戴立飛，高輝，謝賢文.反光板在建筑自然采光中的應用［J].工業(yè)建筑，2007（12）:54.

［2]黃詠梅.從綠色鐵路客站角度議武漢站自然采光設(shè)計［J].城市建筑，2013（8）:248.

［3]GB/T 50033-2001.建筑采光設(shè)計標準［S].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2001.

［4]GB 50034-2004.建筑照明設(shè)計標準［S].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2004.

［5]GB/T50378-2006.綠色建筑評價標準［S].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2006.

［6]云朋.ECOTECT建筑環(huán)境設(shè)計教程［M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007:100-101.