辦公建筑的天然采光試驗研究

【摘要】任何的試驗研究，都有其遵循的步驟，對于辦公建筑的天然采光試驗的研究，也有它所要遵循的章程。第一，理論結(jié)合實際，要分析試驗模型與原型的相似度，尋找出最適合的辦公試驗模型。第二，由于天氣狀況多變，所以采用天然采光系數(shù)代替照度進行試驗。第三，根據(jù)所得數(shù)據(jù)，在結(jié)合外界影響因素（比如窗臺高、窗墻比等）分析數(shù)據(jù)誤差，使其誤差保持在可控范圍之內(nèi)。

【關鍵詞】辦公建筑；天然采光；試驗研究

前言

所謂的天然采光，就是將日光引入辦公建筑內(nèi)部，然后將引入的日光進行合理的分配，為辦公建筑提供更加理想化的照明環(huán)境。天然采光的運用，不僅可以減少照明用電，使得資源充分利用，還可以營造出一個動態(tài)的室內(nèi)環(huán)境，在陶冶情操的同時也促使室內(nèi)人員身心健康的發(fā)展。

1.模型相似度分析

所有的模型都會與原型存在誤差。就說辦公建筑的模型，它與辦公建筑就存在有一些不同的特征參數(shù)，比如透光度、窗墻比等。為了驗證模型與原型的相似度，我們進行了模型試驗。

1.1 理論分析

試驗模型采用的是一個比例為1：2的縮小模型，要求它與原型的幾何結(jié)構(gòu)、特征參數(shù)都相似或者相同。就對于室內(nèi)的某一點的照度而言，由于模型與原型的相對應點的仰角和方位角相同，而且處于相同的位置所看到的天空大小是相同的，再加上有相同的透光度，所以縮小模型和原型相對應的點的照度是相同的。

1.2 模型計算分析

本文采用的是RADIANCE軟件對模型進行了模擬計算，已知原型的長寬高分別為6*4*3（m），且窗戶開在南向外墻之上，大小分別為3.2*1.5（m），窗臺高為1m，透光率為0.502，天花板/內(nèi)墻/地板的反光率分別為0.75/0.7/0.35，1：2的模型除了幾何結(jié)構(gòu)發(fā)生變化外其余參數(shù)都保持不變。在這樣的條件下，分別對縮小模型和原型的室內(nèi)照度進行數(shù)據(jù)記錄，然后進行偏差比較，最后可以得出兩者對應位置的照度值幾乎一樣。雖然存在有個別的偏差，這是因為所測點的絕對位置不同所導致的，屬于可接受的范圍。因此我們可以得出結(jié)論：縮小模型與原型的室內(nèi)照度分布是一致的。

2.試驗驗證與分析

2.1模型簡介

因為本試驗研究的是天然采光，不對能耗進行要求，所以本試驗的縮小模型采用大芯板搭建，圍護結(jié)構(gòu)的材料選擇不受限制。

對于模型的建立，要求必須嚴格按照原型的幾何結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)來建立。其尺寸大小應為3*2*1.5（m），窗戶開于南向外墻之上，為了保證準確度，可以在搭建窗戶時選擇指南針作為輔助定位裝置。模型為了保證足夠的光照，所以要選在四周開闊，無遮擋的地方。根據(jù)辦公建筑室內(nèi)的構(gòu)造，要求模型的內(nèi)表面和天花貼有乳白色的壁紙，地板貼有地板革。為了保證和原型相同的透光率，可以在模型窗戶的玻璃上貼有色玻璃貼，用WFZ-26型雙光束紫外可見分光光度計來進行測試。最后窗墻比和窗臺高的設置可以通過玻璃窗的部分遮擋來實現(xiàn)。

2.2天然采光系數(shù)驗證

由于復雜的天氣狀況和外界其他因素的影響，會導致測試工況和模擬工況的室外照度值存在偏差。所以為了減少這樣的偏差，我們采用了天然采光系數(shù)：室內(nèi)某一天天然采光系數(shù)=該點的照度值/室外同一時間無遮擋水平面照度值。

根據(jù)公式可以看出，室外的照度越高，室內(nèi)的照度也會增高，但是他們的天然采光系數(shù)是不變。結(jié)合這一結(jié)論，我們可以得出驗證天然采光系數(shù)的分布是更加準確的。

在試驗中，為了研究的方便，我們采用簡化的方法，取距外墻相同距離工作面上多點天然采光系數(shù)的平均值，研究其進深方向的變化規(guī)律，從而得出規(guī)律結(jié)論。

2.3試驗測試順序與工況

本試驗對進深處窗墻比、透光率還有窗臺高對天然的采光系數(shù)的影響進行了測試，結(jié)合室外不同的照度的變化，最終將所有工況匯總到表1中：

2.4試驗驗證

2.4.1窗墻比

結(jié)合工況匯總表中工況1到工況4，分析了窗墻比對天然采光系數(shù)分布的影響，并制作成了對應了曲線（圖1）其中虛線為測試工況對應的曲線，實線為模擬工況對應的曲線。（若無特別說明，以下圖形實線和虛線的意思和圖1的一樣）

根據(jù)圖1可以得出這些結(jié)論：①天然采光系數(shù)隨窗墻比的增大而增大，曲線有下凹的趨勢。②距離窗戶越近的測點，窗墻比對天然采光系數(shù)影響越大，測試誤差也越大。③測試工況對應的曲線均分布在對應曲線的上方，說明測試值還是比模擬值高。

2.4.2透光率

對工況表中，工況5到工況8研究的是透光率對天然采光系數(shù)分布的影響。并將所得到的結(jié)果進行數(shù)據(jù)處理，做成了曲線，如下圖2所示：

結(jié)合圖2可以得出以下結(jié)論：天然采光系數(shù)與透光率成線性關系；離窗戶越近的地方，透光率對天然采光系數(shù)的影響越大，誤差也越大。

2.4.3窗臺高

對窗臺高的研究分別是工況9到工況12。進行數(shù)據(jù)分析后得到了圖3中的數(shù)據(jù)曲線。

根據(jù)圖3，得出結(jié)論為：天然采光系數(shù)隨著窗臺高的增加而變大，曲線有上凸的趨勢；距離窗戶越近的地方，窗臺高對天然采光系數(shù)的影響越大，且測試誤差也越大；測試工況的曲線在模擬工況的曲線之上，說明測試值比模擬值要高。

3.結(jié)論

（1）從模型與原型的相似度的比較來看，理論模型與原型的室內(nèi)照度分布具有很好的相似性。

（2）為了減少天氣狀況所造成的影響，試驗中采用天然采光系數(shù)進行試驗，通過試驗表明，這是完全可行的。

（3）在特性參數(shù)的研究中，通過試驗測試結(jié)果表明，窗墻比和窗臺高與天然采光系數(shù)的關系是非線性的，而透光率與天然采光系數(shù)的關系是線性的。

（4）根據(jù)采光系數(shù)的定義，必須同時對室內(nèi)、外照度進行測量。但是由于試驗條件受限，所以在試驗中先對室外照度進行測量，隨后才是室內(nèi)，因此出現(xiàn)了測試中的誤差。并且根據(jù)試驗證明，測點的測試順序也會產(chǎn)生影響，具體是離窗戶越近的測點和誤差會越大。

（5）上午，室外照度會隨著時間的變化而增大，所以，在測試中會出現(xiàn)天然采光系數(shù)的測量值比實際值大，誤差為正；下午，隨著室外照度隨時間的變化而減少，所以，在測試中會出現(xiàn)天然采光系數(shù)的測量值比實際值小，誤差為負。

參考文獻

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作者簡介

何立斌（1979.3.31），男，黑龍江省綏化市，工程師，工學學士，從事土木建筑實驗技術教學及管理工作。