室外地面反射光對(duì)建筑低層室內(nèi)天然光模擬的影響研究

湯 晉 吳 蔚

(南京大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，江蘇 南京 210093)

1 概述

天然光是由太陽(yáng)直射光、天空漫射光和地面反射光形成。在進(jìn)行室內(nèi)采光計(jì)算時(shí)，除地表面被白雪或白沙覆蓋的情況外，一般可不考慮地面反射光影響。然而，Cabus[1]以巴西東北部研究熱帶采光時(shí)提出室外地面反射光在有遮陽(yáng)條件下對(duì)室內(nèi)會(huì)產(chǎn)生較大的影響。Tregenza[2]則提出在太陽(yáng)光直射下，窗戶的照度受到地面和其他建筑物的反射光影響較大。Lam[3]還強(qiáng)調(diào)了在夏天以及低緯度地區(qū)，利用地面將陽(yáng)光反射到建筑物中的重要性。然而，室內(nèi)光環(huán)境受氣候和地理環(huán)境影響較大，本文以南京氣候條件為對(duì)象，研究不同光氣候，以及不同采光口方向條件下，地面反射光對(duì)建筑低層室內(nèi)天然光模擬的影響。

目前市面上可用于天然光模擬軟件有很多，比如Radiance,Velux,DAYSIM,IES,DIVA,Honeybee等等，都是以Radiance為內(nèi)核，且較能準(zhǔn)確模擬室內(nèi)天然光環(huán)境，但每個(gè)軟件的優(yōu)點(diǎn)和適用范圍均有所不同。選擇Honeybee主要有以下幾個(gè)原因：1)Honeybee被驗(yàn)證能較為準(zhǔn)確模擬天然光環(huán)境[4]。2)本研究室是探討外地坪對(duì)室內(nèi)采光的影響及其有效范圍，需要不斷地調(diào)整模型數(shù)據(jù)，而Honeybee能夠與建模軟件Rhino的參數(shù)化模塊Grasshopper之間較好轉(zhuǎn)換，能夠更加方便快捷地調(diào)整模型以及更改數(shù)據(jù)，有利于模擬實(shí)驗(yàn)地進(jìn)行。3)Honeybee在采光模擬方面擁有更多的可調(diào)參數(shù)，更適合本次研究的需求。

2 模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文研究地面反射光對(duì)建筑低層室內(nèi)天然光模擬的影響，為了簡(jiǎn)化研究，筆者將建立一個(gè)理想房間模型，周?chē)鸁o(wú)遮擋物，并在這個(gè)房間中選取三個(gè)點(diǎn)作為水平照度測(cè)點(diǎn)，分別表示近窗處，房間中部以及遠(yuǎn)窗處。首先，在全陰天和全晴天兩種光氣候條件下分別模擬常見(jiàn)混凝土地面(反射率為0.2)以及積雪覆蓋地面(反射率為0.8)的室內(nèi)測(cè)點(diǎn)照度值，與無(wú)地面反射時(shí)的室內(nèi)測(cè)點(diǎn)照度值進(jìn)行比較，研究不同光氣候條件下地面反射光對(duì)建筑低層室內(nèi)天然光模擬的影響；其次，在南向和北向兩種采光口方向的條件下分別模擬常見(jiàn)混凝土地面(反射率為0.2)時(shí)的室內(nèi)測(cè)點(diǎn)照度，與無(wú)地面反射時(shí)的室內(nèi)測(cè)點(diǎn)照度值進(jìn)行比較，研究不同采光口方向時(shí)地面反射光對(duì)建筑低層室內(nèi)天然光模擬的影響；最后，將面向采光口的地面分割成12個(gè)相同寬度的區(qū)域，將需模擬的地面區(qū)域反射率設(shè)為0.2，其他區(qū)域反射率設(shè)為0，按與采光口由近及遠(yuǎn)的距離分別模擬每個(gè)地面區(qū)域情況下的室內(nèi)測(cè)點(diǎn)照度值，與無(wú)地面反射的室內(nèi)測(cè)點(diǎn)照度值的差值，從而分析地面反射光影響建筑低層室內(nèi)天然光模擬的最有效地面區(qū)域。

該房間位于南京市，緯度32°02′N(xiāo)，經(jīng)度118°46′E，分析時(shí)間設(shè)定為春分(3月22日)中午，天空模型選擇CIE全陰天天空和CIE全晴天天空兩種模型，氣象文件為CHN_Jiangsu.Nanjing.582380_CSWD，從EnergyPlus官網(wǎng)(https://energyplus.net/weather)下載。

本次試驗(yàn)將建立一個(gè)進(jìn)深7 m，面寬4.2 m，高3.2 m，南向開(kāi)窗的理想房間模型，窗戶寬2 m，高1.5 m，窗臺(tái)高度0.9 m。室內(nèi)墻面和天花板的反射系數(shù)設(shè)定為0.7，地面反射系數(shù)設(shè)定為0.4，窗戶的透光系數(shù)設(shè)定為0.8。本次模擬在房間布置三個(gè)位于窗戶中線的測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)距地面0.75 m，測(cè)點(diǎn)1距離采光口1 m，測(cè)點(diǎn)2距采光口3.5 m，測(cè)點(diǎn)3距采光口6 m，模擬網(wǎng)格設(shè)置為0.5 m×0.5 m。模型及平面測(cè)點(diǎn)布置圖如圖1，圖2所示。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 光氣候條件的影響

1)全陰天光氣候條件。

從圖3可以看出在全陰天光氣候條件下，不同室外地面狀況時(shí)，室內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的照度并未產(chǎn)生變化，由此可以看出地面反射光不會(huì)對(duì)室內(nèi)天然光環(huán)境產(chǎn)生影響。

2)全晴天光氣候條件。

從圖4可以看出，在全晴天光氣候條件下，不同室外地面狀況時(shí)，室內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的照度值產(chǎn)生了顯著變化。室外為混凝土地面(反射率為0.2)時(shí)，相比于無(wú)地面反射，測(cè)點(diǎn)1的照度值增加了215 lux，增幅為9%，測(cè)點(diǎn)2的照度值增加了127 lux，增幅為29%，測(cè)點(diǎn)3的照度值增加了60 lux，增幅為39%。室外為積雪覆蓋地面時(shí)(反射率為0.8)，相比于與地面反射，測(cè)點(diǎn)1的照度增加了803 lux，增幅為35%，測(cè)點(diǎn)2的照度值增加了523 lux，增幅為121%，測(cè)點(diǎn)3的照度值增加了244 lux，增幅為160%。由此可見(jiàn)在全晴天光氣候條件下，室外地面反射光對(duì)室內(nèi)中部和遠(yuǎn)窗處影響較大，且室外地面反射率越高，影響越大。

全陰天和全晴天光氣候條件區(qū)別在于有無(wú)太陽(yáng)直射光的存在，由上述模擬結(jié)果可以得出當(dāng)太陽(yáng)直射光存在時(shí)，室外地面反射光會(huì)對(duì)建筑低層室內(nèi)光環(huán)境產(chǎn)生影響。因此，本文后續(xù)研究將默認(rèn)在全晴天光氣候條件下進(jìn)行。

3.2 采光口方向的影響

上文已經(jīng)得出南向采光時(shí)，室外地面反射光對(duì)建筑低層室內(nèi)光環(huán)境的影響，因此筆者將采光口調(diào)整為北向進(jìn)行模擬，并將其結(jié)果與南向采光時(shí)的結(jié)果進(jìn)行比較，其模擬結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出，在北向采光條件下，不同地面狀況時(shí)，室內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的照度值產(chǎn)生顯著變化。室外為混凝土地面(反射率為0.2)時(shí)，相比于無(wú)地面反射，測(cè)點(diǎn)1的照度值增加了113 lux，增幅為19%，測(cè)點(diǎn)2的照度值增加了96 lux，增幅為96%，測(cè)點(diǎn)3的照度值增加了54 lux，增幅為122%。室外為積雪覆蓋地面時(shí)(反射率為0.8)，相比于與地面反射，測(cè)點(diǎn)1的照度增加了404 lux，增幅為69%，測(cè)點(diǎn)2的照度值增加了379 lux，增幅為382%，測(cè)點(diǎn)3的照度值增加了212 lux，增幅為481%。

將上述模擬結(jié)果與南向采光時(shí)的結(jié)果進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)，北向采光時(shí)，室外地面反射光會(huì)對(duì)建筑低層室內(nèi)天然光環(huán)境產(chǎn)生更顯著的影響。在全晴天光氣候條件下，由于北向采光時(shí)，室內(nèi)天然光環(huán)境由天空漫射光和地面反射光組成，而南向采光時(shí)，室內(nèi)天然光環(huán)境由太陽(yáng)直射光、天空漫射光和地面反射光組成。因此，北向采光時(shí)，室外地面反射光對(duì)建筑低層室內(nèi)天然光模擬產(chǎn)生更顯著的影響。

3.3 地面距采光口遠(yuǎn)近的影響

上文已經(jīng)從不同光氣候條件和采光口方向兩方面定性得分析了室外地面反射光對(duì)建筑低層室內(nèi)天然光模擬的影響，下文將定量的分析地面反射光影響建筑低層室內(nèi)天然光模擬的最有效地面區(qū)域。首先，需要將面向采光口的地面區(qū)域進(jìn)行劃分，將地面劃分成平行于采光口所在立面的12個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域的寬度為1 m，地面劃分示意圖如圖6所示。

為了模擬單個(gè)地面區(qū)域?qū)κ覂?nèi)天然光環(huán)境的影響，以第1區(qū)的模擬為例，將第1區(qū)的地面反射率設(shè)為0.2，其他區(qū)域和地面默認(rèn)反射率都設(shè)為0，再將此次模擬所得到的室內(nèi)各測(cè)點(diǎn)照度值與無(wú)地面反射時(shí)的室內(nèi)各測(cè)點(diǎn)照度相減，得到室內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的照度值的增量，重復(fù)上述操作依次得到各個(gè)單區(qū)域所產(chǎn)生的室內(nèi)各測(cè)點(diǎn)照度值增量，結(jié)果以折線圖表示如圖7所示。

1)南向采光。

由圖7可以看出，南向采光時(shí)，室內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的照度值增量的峰值均出現(xiàn)1 m～2 m的區(qū)域，測(cè)點(diǎn)1的照度值增量峰值為83 lux，測(cè)點(diǎn)2的照度值增量峰值為25 lux，測(cè)點(diǎn)3的照度值增量峰值為6 lux。在0 m～5 m的區(qū)域內(nèi)有較大的影響，測(cè)點(diǎn)1的累積照度值增量為200 lux，測(cè)點(diǎn)2的累積照度值增量為69 lux，測(cè)點(diǎn)3的累積照度值增量為23 lux。在9 m之后各測(cè)點(diǎn)的照度值增量開(kāi)始趨向0，可以看出在此次模擬中，地面反射光影響建筑低層室內(nèi)天然光環(huán)境的極限距離約為9 m。

2)北向采光。

由圖8可以看出，北向采光時(shí)，室內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的照度值增量的峰值均出現(xiàn)2 m～3 m的區(qū)域，測(cè)點(diǎn)1的照度值增量峰值為36 lux，測(cè)點(diǎn)2的照度值增量峰值為21 lux，測(cè)點(diǎn)3的照度值增量峰值為5 lux。在1 m～6 m的區(qū)域內(nèi)有較大的影響，測(cè)點(diǎn)1的累積照度值增量為79 lux，測(cè)點(diǎn)2的累積照度值增量為51 lux，測(cè)點(diǎn)3的累積照度值增量為17 lux。在10 m之后各測(cè)點(diǎn)的照度值增量開(kāi)始趨向0，可以看出在此次模擬中，地面反射光影響建筑低層室內(nèi)天然光環(huán)境的極限距離約為10 m。由于在全晴天光氣候條件下，北向采光時(shí)地面會(huì)有一部分被陰影遮蓋，因此其引起室內(nèi)照度值增量峰值的地面區(qū)域較南向采光時(shí)較遠(yuǎn)。

綜上所述，在全晴天光氣候條件下，地面反射光影響建筑低層室內(nèi)天然光模擬存在一定的有限范圍，且在近窗處有一段最有效的影響范圍，在進(jìn)行室內(nèi)天然光設(shè)計(jì)時(shí)，可以利用這一點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述模擬試驗(yàn)，可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1)在全陰天天空條件下，室外地坪對(duì)室內(nèi)采光基本沒(méi)有影響；全晴天天空條件下，室外地坪會(huì)對(duì)室內(nèi)采光產(chǎn)生一定影響，且地面反射率越高影響越大；

2)對(duì)于北向采光的房間，室外地面的反射光的影響較大；

3)室外地面對(duì)室內(nèi)采光的影響有一定的極限區(qū)域，并在近窗處的影響最大，建筑師可以改變近窗處的地面條件從而改善室內(nèi)采光。

本次試驗(yàn)通過(guò)軟件模擬方法進(jìn)行，相對(duì)于真實(shí)情況來(lái)說(shuō)，有很大程度上的簡(jiǎn)化，室外地坪環(huán)境十分復(fù)雜，并且有建筑物，樹(shù)木，雕塑等遮擋物的影響，與模擬試驗(yàn)中單一反射系數(shù)的地坪有很大出入。另一方面，本次模擬試驗(yàn)只針對(duì)于建筑低層房間的情況，存在一定的局限性。