基于Dynamic Daylighting 軟件的采光系數(shù)與實測采光系數(shù)的比較研究
——以某學(xué)院多媒體教室為例

張 艷，冉茂宇

（1.浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院，浙江 杭州 311231；2.華僑大學(xué) 建筑學(xué)院，福建 廈門 361021）

作為學(xué)生學(xué)習(xí)的主要場所，教室的光環(huán)境直接影響學(xué)生的生理和心理健康，充足的天然采光更有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和效率[1]。近年來，一些新建或擴(kuò)建教學(xué)樓的設(shè)計多注重外觀形象，設(shè)計的教室很少能做到充分利用天然光，從而導(dǎo)致人們過度依賴人工照明現(xiàn)象的產(chǎn)生。良好的天然采光可以最大限度地利用天然光代替人工照明，減少相應(yīng)的照明能耗。因此，無論是從減少建筑能耗還是考慮學(xué)生生理和心理健康方面，天然采光對于營造良好的教室光環(huán)境都是十分重要的。

目前，國內(nèi)對多媒體教室天然采光的研究，一部分是通過對多媒體教室天然采光的狀況進(jìn)行調(diào)研展開的，另一部分是通過實測與軟件模擬分析相結(jié)合來評價多媒體教室天然采光情況的。彭小云[2]對多媒體教室的光環(huán)境進(jìn)行了分析研究，通過分析多媒體教室的光環(huán)境所要達(dá)到的要求，對多媒體教室采光提出一些設(shè)計方法。李振霞等[3]通過實地調(diào)研和測試對多媒體教室的光環(huán)境問題進(jìn)行總結(jié)和分析，并提出了改進(jìn)意見。趙華[4]對天津大學(xué)和南開大學(xué)進(jìn)行了實地調(diào)研和大量問卷調(diào)查，總結(jié)了多媒體教室在天然采光方面存在的問題。王莉莉[5]通過分析實際案例，了解教學(xué)建筑設(shè)計中空間光環(huán)境的設(shè)計方法，利用Ecotect、Radiance 等光環(huán)境模擬軟件進(jìn)行了建筑光環(huán)境的模擬分析。關(guān)高慶[6]對高校多媒體教室的天然采光進(jìn)行了研究，利用Radiance 軟件模擬得出多媒體教室在最不利采光條件和最不利時段下的具體采光方案。陸帆[7]針對多種光環(huán)境模擬軟件，如Ecotect、IES、DesignBuilder 和綠建斯維爾，分析了各種模擬軟件之間的計算誤差和影響因素。白佳喜等[8]針對多媒體教室在光環(huán)境與暗環(huán)境之間存在的矛盾，通過問卷調(diào)查和實地測量對寧夏大學(xué)投入使用的多媒體教室的采光環(huán)境進(jìn)行了研究。上述研究結(jié)果表明，多媒體教室使用天然采光有利于營造良好的學(xué)習(xí)環(huán)境，提升教學(xué)質(zhì)量。目前，我國以現(xiàn)行的《建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50033—2013）中的采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值作為天然采光設(shè)計的評價指標(biāo)，根據(jù)不同建筑類型和光氣候分區(qū)給出了對應(yīng)的采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值[9]，試圖通過限定評價指標(biāo)來規(guī)范建筑采光設(shè)計。由此，為了評價浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院多媒體教室的天然采光設(shè)計情況，本文對實測計算的靜態(tài)采光系數(shù)和應(yīng)用Dynamic Daylighting 軟件模擬的動態(tài)采光系數(shù)進(jìn)行比較分析，以便在今后能夠為改善多媒體教室的光環(huán)境和優(yōu)化采光設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

本文以浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院教學(xué)樓B311，B314，B319 多媒體教室為研究對象。B311 多媒體教室正南向，長、寬、高尺寸分別為8.70 m×7.40 m×3.70 m，南側(cè)窗、墻為外窗、外墻，東、北、西三側(cè)均為內(nèi)窗、內(nèi)墻；B314 多媒體教室的長、寬、高尺寸分別為8.80 m×7.45 m×3.70 m，北側(cè)窗、墻為外窗、外墻，東、南、西三側(cè)均為內(nèi)窗、內(nèi)墻；B319 多媒體教室南偏東45°，長、寬、高尺寸分別為12.55 m×7.55 m×3.70 m，南側(cè)窗、墻為外窗、外墻，東、西側(cè)墻為外墻，北側(cè)窗、墻為內(nèi)窗、內(nèi)墻。多媒體教室相關(guān)信息見表1。多媒體教室為開展教學(xué)活動的場所，大部分時間室內(nèi)人員靜坐于書桌前，B311，B314，B319 多媒體教室位置和模型示意如圖1～圖2 所示。

圖1 教學(xué)樓B311，B314，B319 多媒體教室位置示意圖

圖2 B311，B314，B319 多媒體教室模型示意圖

表1 多媒體教室相關(guān)信息

1.2 研究方法

（1）現(xiàn)場測試法。在浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院內(nèi)，選定不同類型或不同尺寸的多媒體教室在典型氣象條件下一天內(nèi)（秋分日）不同時段進(jìn)行天然采光測試，計算靜態(tài)采光系數(shù)，評價多媒體教室的光環(huán)境設(shè)計是否符合采光標(biāo)準(zhǔn)的要求。

（2）模擬測試法。應(yīng)用Dynamic Daylighting 軟件對相同多媒體教室在同等條件下的動態(tài)采光系數(shù)進(jìn)行模擬，驗證現(xiàn)場測試的真實性和軟件的可靠性，使其相互印證。

（3）比較分析法。比較分析現(xiàn)場測試得到的靜態(tài)采光系數(shù)與軟件模擬得到的動態(tài)采光系數(shù)在結(jié)果上出現(xiàn)的差別及可能的原因，科學(xué)評價多媒體教室的天然采光設(shè)計情況。

2 實測計算靜態(tài)采光系數(shù)

實測多媒體教室所在地杭州在光氣候分區(qū)中屬于IV 類，因此光氣候系數(shù)K 值取1.10。根據(jù)《建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》第4.0.4 條規(guī)定：教育建筑的普通教室的采光不應(yīng)低于采光等級Ⅲ級的采光標(biāo)準(zhǔn)值，側(cè)面采光的采光系數(shù)不應(yīng)低于3.0%，室內(nèi)天然光照度不應(yīng)低于450 lx[10]。

實測時間為2020 年9 月22 日，陰，氣溫24～28 ℃，天空狀況為全陰天，選擇10:00—14:00 時間內(nèi)的10:00 時刻進(jìn)行測量。選擇這個時間節(jié)點是因為《采光測量方法》（GB/T 5699—2017）第6.1.2 條規(guī)定：照度測量應(yīng)選在一天內(nèi)照度相對穩(wěn)定的時間內(nèi)進(jìn)行，即選取當(dāng)?shù)貢r間上午10 時至下午2 時。按照民用建筑來選擇參考平面，利用照度計測得參考平面上各測點的照度，同時測得在室外無遮擋水平面上由天空漫射光所產(chǎn)生的室外照度。而后對采集的照度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，按照以下公式[11]計算采光系數(shù)平均值作為采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值。

式中：Cav為采光系數(shù)平均值，%；Ci為在第i 個測點上的采光系數(shù)，%；M 為縱向測點數(shù)；N 為橫向測點數(shù)。

B311，B314，B319 多媒體教室采光測量布點如圖3 所示。

圖3 B311，B314，B319 多媒體教室采光測量布點圖

經(jīng)過統(tǒng)計計算得出：教學(xué)樓B311 多媒體教室側(cè)面采光的采光系數(shù)值為6.28%，大于3.3%（所在地區(qū)的采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)乘以相應(yīng)地區(qū)的光氣候系數(shù)K），滿足采光要求；教學(xué)樓B314 多煤體教室側(cè)面采光的采光系數(shù)值為3.62%，大于3.3%，滿足采光要求；教學(xué)樓B319 多煤體教室側(cè)面采光的采光系數(shù)值為5.38%，大于3.3%，滿足采光要求。B311，B314，B319 多媒體教室各測點實測靜態(tài)采光系數(shù)分布如圖4 所示。

圖4 B311，B314，B319 多媒體教室各測點實測靜態(tài)采光系數(shù)分布圖

在實測的時候，天空中云量多，未出現(xiàn)太陽直射光，天空中只有漫射光，判斷天空狀況為全陰天。這種對于天空狀況的判斷是一種主觀評價，更加科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆椒ㄊ抢锰炜樟炼葴y量儀器（如EKO 天空掃描儀MS-321RL）對實時天空亮度分布進(jìn)行測量。本文將測量得到的數(shù)據(jù)分別與《日光的空間分布CIE一般標(biāo)準(zhǔn)天空》（GB/T 20148—2006）中列舉的15 種天空類型的天空亮度分布計算數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，分別求出它們的均方根值，取均方根值最小的那個天空類型為實際天空類型。然而，在實際測量中，由于設(shè)備成本高，測量點多，其應(yīng)用范圍受到了限制。蘇航等[12]在《基于15 個天空測量點亮度值對CIE 標(biāo)準(zhǔn)下的實際天空類型實時分類方法》論文中提出了基于分類樹程序?qū)崿F(xiàn)CIE 天空種類的識別方法：提取15個與天空分布特征相關(guān)的特定位置天空的亮度點，通過亮度點間存在的相關(guān)變量建立分類樹模型，最終獲得可實時識別實際天空所屬的CIE 天空種類的分類樹程序，進(jìn)而實現(xiàn)實時識別天空類型的目的。他們通過對哈爾濱地區(qū)的天空情況進(jìn)行CIE 一般天空實時分類結(jié)果驗證，證明該方法針對該地區(qū)具有很高的準(zhǔn)確度，但是對于其他地區(qū)是否具有同樣的適用性，目前缺乏有力的證據(jù)。

3 Dynamic Daylighting 軟件模擬動態(tài)采光系數(shù)

Dynamic Daylighting 軟件模擬動態(tài)采光系數(shù)時，在能夠準(zhǔn)確判斷天空類型的前提下，提供了16 種CIE 天空模型和使用每小時的氣象數(shù)據(jù)（use hourly weather data）等選擇方式。如果對天空類型的判斷還存在不確定性，使用每小時的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬可能更為合適。目前，在我國用于采光模擬的典型氣象年數(shù)據(jù)來源主要有CSWD（chinese standard weather data），CTYW（chinese typical year weather），IWEC（international weather for energy calculations）和SWERA（solar and wind energy resource assessment）4 種類型[13]，本次模擬分析采用CSWD 數(shù)據(jù)。

本文對2020 年9 月22 日10:00—14:00 時間段內(nèi)的B311，B314，B319 多媒體教室的采光情況進(jìn)行模擬，分析其動態(tài)采光系數(shù)。與實測情況不同的是模擬分析對象中未放置桌椅、柜子、多媒體講臺、黑板等家具和教學(xué)設(shè)備。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的光學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的光學(xué)參數(shù)

值得注意的是，在10:00—14:00 時間段內(nèi)應(yīng)用CSWD 氣象數(shù)據(jù)模擬時，使用CIE 天空模型根據(jù)瞬時直接、漫射輻射和（或）照度生成了動態(tài)天空亮度分布，因此，多媒體教室的采光系數(shù)分布是實時動態(tài)變化的，是基于CBDM（climate-based daylight modelling）的動態(tài)采光系數(shù)。這就使得模擬更加接近于真實的天空狀況，而不是主觀判斷的天空狀況，因而得到的動態(tài)采光系數(shù)比實測計算得到的靜態(tài)采光系數(shù)更加合理。

B311 多媒體教室10:00，11:00，12:00，13:00，14:00 幾個整點的動態(tài)采光系數(shù)分布情況如圖5 所示。由圖5 可知，B311 多媒體教室在10:00 采光系數(shù)值是6.19%，在11:00 采光系數(shù)值是7.44%，在12:00 采光系數(shù)值是7.57%，在13:00 采光系數(shù)值是6.32%，在14:00 采光系數(shù)值是5.58%。計算得出在10:00—14:00 時間段內(nèi)教學(xué)樓B311 多煤體教室側(cè)面采光的平均采光系數(shù)值為6.62%。這與實測計算的采光系數(shù)值（6.28%）存在一定差別。

圖5 B311 多媒體教室在10:00，11:00，12:00，13:00，14:00 的采光系數(shù)分布圖

B314 多媒體教室10:00，11:00，12:00，13:00，14:00 幾個整點的動態(tài)采光系數(shù)分布情況如圖6 所示。由圖6 可知，B314 多媒體教室在10:00 采光系數(shù)值是3.75%，在11:00 采光系數(shù)值是3.48%，在12:00 采光系數(shù)值是3.29%，在13:00 采光系數(shù)值是3.74%，在14:00 采光系數(shù)值是4.76%。計算得出在10:00—14:00 時間段內(nèi)教學(xué)樓B314 多媒體教室側(cè)面采光的平均采光系數(shù)值為3.80%。這與實測計算的采光系數(shù)值（3.62%）存在一定差別。

圖6 B314 多媒體教室在10:00，11:00，12:00，13:00，14:00 的采光系數(shù)分布圖

B319 多媒體教室10:00，11:00，12:00，13:00，14:00 幾個整點的動態(tài)采光系數(shù)分布情況如圖7 所示。由圖7 可知，B319 多媒體教室在10:00 采光系數(shù)值是6.70%，在11:00 采光系數(shù)值是6.96%，在12:00 采光系數(shù)值是5.59%，在13:00 采光系數(shù)值是4.50%，在14:00 采光系數(shù)值是4.66%。計算得出在10:00—14:00 時間段內(nèi)教學(xué)樓B319 多媒體教室側(cè)面采光的平均采光系數(shù)值為5.68%。這與實測計算的采光系數(shù)值（5.38%）存在一定差別。

圖7 B319 多媒體教室在10:00，11:00，12:00，13:00，14:00 的采光系數(shù)分布圖

4 Dynamic Daylighting 軟件計算精度驗證及其與主流工具使用天空方程的區(qū)別

4.1 計算精度驗證

Dynamic Daylighting 軟件的開發(fā)者Dr.Andrew Marsh 通過使用完全相同的房間模型與Radiance的模擬結(jié)果進(jìn)行直接比較和驗證，測試的方法和結(jié)果可以參見題為Towards dynamic real-time daylight simulation 的詳細(xì)報告[14]。對比分析表明：

（1）在同一個室內(nèi)參考平面上，使用該工具計算的采光系數(shù)與使用Radiance 計算的采光系數(shù)有很高的相關(guān)性。并且對于大多數(shù)常見房間配置而言，相關(guān)性非常接近。

（2）分量光通法存在一定局限性，它不太適合具有很高的表面平均反射率和三維尺度中最小維度的尺寸小于另外兩維尺寸平均值25%的房間。

（3）在更大范圍的房間，在窗戶和表面參數(shù)確定的情況下，當(dāng)處理小的或分開的窗戶情況時，使用該工具進(jìn)行模擬比使用Radiance 穩(wěn)定得多。

（4）由于該工具運(yùn)行速度足夠快，可以在用戶動態(tài)操縱計算參數(shù)時實現(xiàn)采光分布的實時視覺反饋，這就使得它能夠成為寶貴的教育資源，其用戶可以使用交互的方式調(diào)查采光分布、房間尺寸、表面特性、窗戶尺寸及其在圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的位置這些因素之間的關(guān)系。

（5）當(dāng)使用相對簡單的矩形房間模型進(jìn)行模擬時，計算空間采光分布的過程可以獲得極大的優(yōu)化，這為該工具的開發(fā)提供了巨大的潛力，使其可以基于CBDM 以及更復(fù)雜的遮光和玻璃系統(tǒng)，應(yīng)用動態(tài)和累積的天空亮度條件進(jìn)行分析。

4.2 Dynamic Daylighting 軟件與主流工具使用天空方程的區(qū)別

Dynamic Daylighting 軟件在模擬15 種CIE 天空模型（不包括傳統(tǒng)陰天天空）中的任意一種時，使用的數(shù)學(xué)方程是ISO 在2004 年于ISO 15469：2004（E）/CIE S 011/E：2003 中發(fā)布的CIE 一般標(biāo)準(zhǔn)天空方程[15]，而不是R.Perez 等在1993 年于All-weather model for sky luminance distribution：Preliminary configuration and validation 一文中發(fā)布的Perez 全天候天空方程[16]。用于采光模擬的主流工具，如Radiance，DaySim，HoneyBee 使用的代碼卻是以Perez 全天候天空方程為基礎(chǔ)編寫的，Radiance：gendaylit.c 使用的代碼如圖8 所示[17]，Radiance：gendaymtx.c 使用的代碼如圖9 所示[18]，HoneyBee：gendaylit.py 使用的代碼如圖10所示[19]。似乎目前所有相關(guān)主流工具中使用的天空亮度分布代碼都是來源于Jean-Jacques Delaunay 在1994 年為Radiance 編寫的gendaylit.c 程序的早期版本，這些原始代碼是Heart Consultants 從2001 年到2009 年開發(fā)的Helios 32 中日光計算的基礎(chǔ)。2009 年這些代碼又被添加到了Radiance 核心分布中。在這之后，Greg Ward 于2013 年以Helios 32 的代碼為基礎(chǔ)為Radiance 編寫了gendaymtx.c 程序，隨后DaySim 和HoneyBee 由編程人員繼續(xù)以這些原始代碼為基礎(chǔ)編寫而成。因為Jean-Jacques Delaunay 編寫的原始代碼是在ISO 15469：2004（E）/CIE S 011/E：2003 發(fā)布之前編寫的，因此，這些工具使用的都是Perez 全天候天空方程，而沒有更新為CIE 一般標(biāo)準(zhǔn)天空方程[20]。

圖8 Radiance：gendaylit.c 使用的代碼

圖9 Radiance：gendaymtx.c 使用的代碼

圖10 HoneyBee：gendaylit.py 使用的代碼

因為使用的天空方程不同使得用Dynamic Daylighting 和用Radiance，DaySim，HoneyBee 等主流工具進(jìn)行采光模擬時獲得的數(shù)據(jù)略有不同。

ISO 15469：2004（E）/CIE S 011/E：2003 中的CIE 一般標(biāo)準(zhǔn)天空方程，函數(shù)f 是能使某一天空面元的相對亮度與其距太陽的角距離產(chǎn)生關(guān)系的散射特性曲線：

其在天頂處的值為

其中c，e 是散射特征曲線參數(shù)；χ 是某一天空面元和太陽之間的最短角距離；Zs是太陽和天頂之間的角距離。

在Perez 全天候天空方程中，ζ 是某一天空面元和天頂之間的角距離，a 和b 是亮度的色調(diào)參數(shù)，γ即為χ，為某一天空面元和太陽之間的最短角距離。公式如下：

其中[1+c exp（dγ）+e cos2γ]相當(dāng)于公式（2），區(qū)別在于相對于CIE 一般標(biāo)準(zhǔn)天空方程而言，Perez 全天候天空方程中沒有出現(xiàn)-exp（dπ/2）。

5 結(jié)論與討論

5.1 結(jié)論

（1）通過比較分析可知，對于教學(xué)樓B311，B314，B319 多媒體教室這類簡單的房間配置，實測計算的靜態(tài)采光系數(shù)和應(yīng)用Dynamic Daylighting 軟件模擬的動態(tài)采光系數(shù)，雖然在結(jié)果上非常接近，并且對各個參數(shù)的響應(yīng)非常相似，均能夠滿足《建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中關(guān)于采光系數(shù)的要求，但是也存在一定差別。

（2）動態(tài)采光系數(shù)的模擬考慮了太陽光和非全陰天的天空光、房間的位置和朝向以及天空狀況的實時變化，作為一種采光模擬的教育性工具，Dynamic Daylighting 軟件應(yīng)該能夠廣泛應(yīng)用于建筑光環(huán)境的模擬分析。雖然Dynamic Daylighting 軟件選擇的天空方程與Radiance，DaySim，HoneyBee 等主流軟件略有區(qū)別，但使用其計算的采光系數(shù)與使用主流軟件計算的采光系數(shù)卻有很高的相關(guān)性。

5.2 討論

兩種方式得出的采光系數(shù)存在差別的原因：可能是實測時教室里家具的反射率比地面反射率低，使得實測各測點的照度值比模擬的照度值低；也可能是在測量頂棚、墻體、地面等各部位構(gòu)造的反射率時就存在誤差；當(dāng)然也可能是軟件模擬應(yīng)用的是典型氣象年數(shù)據(jù)，與實際的氣象參數(shù)可能存在差別。然而，不論是何種原因造成的差別，其結(jié)果均在可接受的閾值范圍之內(nèi)[21]。