辦公建筑側(cè)面采光優(yōu)化分析

沈丹丹

上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200080

隨著城市的發(fā)展，我國(guó)公共建筑數(shù)量與日俱增，其中辦公建筑的建筑量最大。在辦公建筑中，建筑能耗主要包括空調(diào)能耗、設(shè)備能耗和照明能耗，其中照明能耗約占建筑全年總能耗的30%[1-3]?，F(xiàn)有的建筑設(shè)計(jì)往往按照經(jīng)驗(yàn)估算采光窗口的大小和位置，導(dǎo)致建成后室內(nèi)自然采光效果不理想，照明能耗激增。因此，應(yīng)對(duì)自然采光的影響因素進(jìn)行分析，為采光優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的指導(dǎo)，在滿足室內(nèi)光環(huán)境舒適性的同時(shí)，降低照明能耗，實(shí)現(xiàn)建筑的可持續(xù)發(fā)展。

目前，關(guān)于采光設(shè)計(jì)與照明能耗的關(guān)系[4-5]，自然采光舒適度控制方法[6-8]，以及采光性能影響因素的分析[9-11]已經(jīng)有了一定的研究。然而，關(guān)于采光效果影響因素組合方案優(yōu)化程度的研究卻很少。本文通過(guò)Ecotect軟件建立模型，利用Radiance軟件對(duì)側(cè)窗采光影響因素中的窗墻比、玻璃可見(jiàn)光透射率（以下簡(jiǎn)稱透射率）、進(jìn)深和窗臺(tái)高等進(jìn)行研究分析，通過(guò)正交試驗(yàn)[12-14]進(jìn)行綜合采光優(yōu)化方案設(shè)計(jì)，分析不同組合方案的優(yōu)化潛力，確定最優(yōu)組合方案，從而為辦公建筑采光設(shè)計(jì)優(yōu)化提供一定的參考。

1 模型建立及參數(shù)設(shè)置

1.1 模型的建立

本文主要研究不同的采光方案設(shè)計(jì)對(duì)自然采光效果的影響。為減少其他因素的影響和模擬時(shí)間，建立一個(gè)長(zhǎng)8.0 m、寬6.0 m、高6.4 m的房間，窗戶設(shè)置于辦公建筑的南立面上，模擬模型如圖1所示。

圖1 模擬模型

1.2 模擬的設(shè)置

根據(jù)GB 50033——2013《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡(jiǎn)稱標(biāo)準(zhǔn)）及工程常用參數(shù)，房間內(nèi)的天花板、墻體和地板的反射比參數(shù)見(jiàn)表1。為校核模擬的準(zhǔn)確性，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中表C.0.1側(cè)面采光系數(shù)平均值計(jì)算的設(shè)置條件，通過(guò)Ecotect軟件建立模型，聯(lián)合Radiance軟件對(duì)該模型采用CIE全陰天模式進(jìn)行室內(nèi)光環(huán)境模擬，以離地面0.75 m高處的平面作為自然采光分析的參考面，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 室內(nèi)各表面反射比值

由于標(biāo)準(zhǔn)中未對(duì)計(jì)算模型的窗臺(tái)高度、采光分析的參考面等做出說(shuō)明，導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)給出的采光系數(shù)平均值的計(jì)算結(jié)果與本文模擬計(jì)算結(jié)果之間存在一定的差異，其平均差異率為2.74%。鑒于差異率值較小，可以認(rèn)為采光系數(shù)模擬值是可信的。

2 各因素對(duì)采光系數(shù)的影響分析

由于各光氣候分區(qū)的采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值和光氣候系數(shù)不同，因此，本文以光氣候Ⅳ區(qū)辦公建筑側(cè)窗采光標(biāo)準(zhǔn)值作為基準(zhǔn)（即C基準(zhǔn)=3.3%），計(jì)算采光系數(shù)的改善率，研究窗墻比、透射率、進(jìn)深和窗臺(tái)高度對(duì)采光系數(shù)的影響。

2.1 窗墻比

為研究不同窗墻比對(duì)采光系數(shù)的影響，在窗臺(tái)高為1.2 m、窗戶高度為3.2 m不變的前提下，改變窗戶的寬度，對(duì)不同窗墻比在透射率為0.6、進(jìn)深為6 m的條件下分別進(jìn)行自然采光模擬分析，模擬工況和結(jié)果如表3和圖2所示。由此可見(jiàn)，在上述條件下，當(dāng)窗墻比大于0.2時(shí)，室內(nèi)采光系數(shù)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且隨著窗墻比的增大，采光系數(shù)改善率也均勻增加。

2.2 透射率

天然光線主要通過(guò)玻璃照進(jìn)室內(nèi)，透射率則反映了玻璃的透光性能，是影響室內(nèi)采光效果的重要因素。為研究透射率對(duì)采光系數(shù)的影響，在窗臺(tái)高度為1.2 m、窗墻比為0.3、進(jìn)深為6 m的條件下，改變透射率的大小，模擬室內(nèi)自然采光系數(shù)的變化，模擬工況和結(jié)果如表4和圖3所示。從圖表可以看出，在上述條件下室內(nèi)采光系數(shù)模擬值均滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，且隨著透射率的增加，采光系數(shù)改善率均勻增加。

表3 窗墻比對(duì)采光系數(shù)的影響

圖2 不同窗墻比的采光改善率

表4 透射率對(duì)采光系數(shù)的影響

圖3 不同透射率的采光改善率

2.3 進(jìn)深

側(cè)窗采光時(shí)，進(jìn)深的大小影響著室內(nèi)采光效果。為研究進(jìn)深對(duì)采光系數(shù)的影響程度，在窗臺(tái)高度為1.2 m、窗墻比為0.3、透射率為0.6的條件下，模擬室內(nèi)采光系數(shù)隨進(jìn)深的變化，模擬工況和結(jié)果如表5和圖4所示。從表5和圖4可以看出：當(dāng)進(jìn)深從6 m增加到8 m時(shí)，室內(nèi)采光系數(shù)滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，且隨著進(jìn)深的增加，改善率下降幅度明顯；當(dāng)進(jìn)深超過(guò)8 m時(shí)，采光系數(shù)低于標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，改善率下降幅度也略微變緩。導(dǎo)致這種變化趨勢(shì)的主要原因是進(jìn)深增加到一定程度后，照射到內(nèi)隔墻的天然光變少，其采光漫反射效果減弱，進(jìn)一步增加進(jìn)深后采光效果的變化減弱，下降幅度變緩。

表5 進(jìn)深對(duì)采光系數(shù)的影響

圖4 不同進(jìn)深的采光改善率

2.4 窗臺(tái)高

為研究窗臺(tái)高對(duì)采光系數(shù)的影響，模擬在不同窗臺(tái)高度下采光系數(shù)的變化，工況設(shè)置和模擬結(jié)果如表6和圖5所示。

表6 窗臺(tái)高對(duì)采光系數(shù)的影響

從圖表可以看出，當(dāng)窗臺(tái)高從0.8 m變成1.8 m時(shí)，采光系數(shù)持續(xù)降低，導(dǎo)致這種變化趨勢(shì)的主要原因是窗戶的位置對(duì)進(jìn)入室內(nèi)的光線產(chǎn)生一定的影響，位置設(shè)計(jì)過(guò)高，窗口的有效利用高度會(huì)減少，降低室內(nèi)的自然采光水平。

2.5 各因素影響程度的分析

對(duì)比窗墻比、透射率、進(jìn)深和窗臺(tái)高對(duì)采光系數(shù)的影響，其中窗墻比為0.20～0.45時(shí)，采光效果改善率為－11.21%～70.61%；透射率為0.60～0.70時(shí)，改善率為23.94%～52.42%；進(jìn)深為11～6 m時(shí)，改善率為－18.48%～22.73%；窗臺(tái)高為1.8～0.8 m時(shí)，改善率為12.42%～30.91%。

由以上數(shù)據(jù)可以看出，窗墻比、透射率、進(jìn)深和窗臺(tái)高均對(duì)采光優(yōu)化具有一定的影響。為進(jìn)一步分析各因素對(duì)采光系數(shù)的影響程度，表7給出了SPSS軟件方差分析結(jié)果。從Sig值都＜0.001可以看出，4個(gè)因素均對(duì)采光系數(shù)產(chǎn)生顯著影響。根據(jù)F值可知，影響顯著性依次為窗墻比、進(jìn)深、透射率和窗臺(tái)高。

圖5 不同窗臺(tái)高的采光改善率

表7 SPSS軟件方差分析結(jié)果

2.6 各因素的組合方案

研究分析各因素對(duì)采光系數(shù)的影響，為從各因素設(shè)計(jì)的采光優(yōu)化方案中找到最優(yōu)組合方案，同時(shí)避免大量的模擬計(jì)算，采用正交試驗(yàn)方法組合設(shè)計(jì)優(yōu)化方案，進(jìn)行模擬研究。

考慮標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，并結(jié)合工程實(shí)施可行性的原則，確定窗墻比、透射率、進(jìn)深和窗臺(tái)高4個(gè)因素，每個(gè)因素選取6個(gè)水平，采用正交設(shè)計(jì)表模擬試驗(yàn)方案，見(jiàn)表8。

圖6為各因素組合設(shè)計(jì)方案的采光系數(shù)。從圖6中可見(jiàn)，上述4個(gè)影響因素組合方案的采光系數(shù)為1.94%～ 6.18%，方案43為最優(yōu)組合方案，其窗墻比為0.40，透射率為0.70，進(jìn)深為6.00 m，窗臺(tái)高為1.40 m，改善率為87.27%。

從上述數(shù)據(jù)可以看出，采光設(shè)計(jì)的優(yōu)化空間很大，注重天然采光的合理應(yīng)用，可以在保證室內(nèi)光環(huán)境舒適性的同時(shí)，降低照明能耗，實(shí)現(xiàn)建筑的低碳運(yùn)營(yíng)。

表8 正交設(shè)計(jì)方案

圖6 正交設(shè)計(jì)各方案的采光系數(shù)

3 模擬結(jié)果的試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，搭建了一個(gè)6 m×5 m× 3 m的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，南向開(kāi)窗，窗戶尺寸為4 m×2 m，窗臺(tái)高為0.5 m，如圖7所示。改變窗戶玻璃的材質(zhì)，設(shè)定不同的試驗(yàn)工況，見(jiàn)表9。

在2018年10月下午1點(diǎn)—4點(diǎn)，使用照度計(jì)每隔30 min測(cè)量一次室內(nèi)外的照度，計(jì)算出7組采光系數(shù)并取平均值，即為測(cè)試值，同時(shí)對(duì)同一建筑進(jìn)行模擬計(jì)算，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果如圖8所示。

受測(cè)點(diǎn)布置、材料實(shí)際反射比的差異等干擾，測(cè)試值和模擬值之間存在一定的差異，其平均差異率為2.62%。鑒于差異率較小，實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果基本吻合，充分驗(yàn)證了模擬結(jié)果的正確性。

圖7 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

表9 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)參數(shù)

圖8 試驗(yàn)值與模擬值采光系數(shù)的對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

1）窗墻比、透射率、進(jìn)深和窗臺(tái)高均為室內(nèi)采光效果的影響因素，且對(duì)室內(nèi)采光系數(shù)產(chǎn)生顯著影響，其中窗墻比為0.20～0.45時(shí)，其采光效果改善率為－11.21%～70.61%；透射率為0.60～0.70時(shí)，其改善率為23.94%～52.42%；進(jìn)深為11～6 m時(shí)，其改善率為－18.48%～22.73%；窗臺(tái)高為1.8～0.8 m時(shí)，其改善率為12.42%～30.91%。

2）4個(gè)因素的影響顯著性依次為窗墻比、進(jìn)深、透射率和窗臺(tái)高。

3）采用正交試驗(yàn)方法組合設(shè)計(jì)采光優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，獲得4個(gè)影響因素的優(yōu)化組合方案，即窗墻比為0.40，透射率為0.70，進(jìn)深為6.00 m，窗臺(tái)高為1.40 m，計(jì)算出的采光系數(shù)為6.18%，改善率為87.27%。由此可見(jiàn)，采光設(shè)計(jì)的優(yōu)化空間很大，注重天然采光的合理應(yīng)用，可以在保證室內(nèi)光環(huán)境舒適性的同時(shí)，降低照明能耗，實(shí)現(xiàn)建筑的低碳運(yùn)營(yíng)。

4）模擬計(jì)算結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)給出的模擬值和試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果差異率很小，充分驗(yàn)證了模擬計(jì)算的正確性。