開放式辦公空間天然光環(huán)境均衡性評估與精細化控制

張淞博，張冠華，譚有恒，陳 星，沈鵬元，楊 彪

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)建筑學(xué)院智能照明實驗室(iLLab)，廣東 深圳 518055；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)實驗與創(chuàng)新實踐教育中心，廣東 深圳 518055；3. 深圳合一智控科技有限公司，廣東 深圳 518057)

引言

開放式辦公空間開間進深與開窗面積較大的特點會導(dǎo)致辦公空間內(nèi)天然光質(zhì)量不夠均衡[1]。開放式辦公空間中靠窗使用者因受到過量天然光照射，會選擇長時間關(guān)閉窗簾并采用人工照明，降低了天然光的利用效率。私人辦公空間中使用傳統(tǒng)的采光遮陽手段來滿足使用者的天然采光要求和舒適性，而開放式辦公空間中的策略實施仍有待提高[2]?，F(xiàn)有開放式辦公空間光環(huán)境控制模式的不足，往往導(dǎo)致了在日間采用完全遮蔽天然光并使用人工照明的方式來滿足工作人員視覺要求[3]。現(xiàn)有的使用場景中遮陽設(shè)備的調(diào)整往往不及時，并且一旦拉下，由于使用者習慣，窗簾或百葉窗的關(guān)閉狀態(tài)有極高的概率會長時間保持不變[4]。

本研究旨在通過對天然光環(huán)境控制的優(yōu)化來解決現(xiàn)有開放式辦公空間由于設(shè)計尺度和控制模式造成的室內(nèi)天然光不均衡的問題，目的是充分利用天然光來提高開放式辦公空間內(nèi)使用者的天然采光舒適程度[5]?；谔接懖煌晒庹陉柨刂苾?yōu)化策略效果的目的，本研究進行了量化評估，并證明優(yōu)化后控制模式的有效性，對于開放式辦公空間的能耗管理與光環(huán)境控制有著較強的參考意義。

1 開放式辦公空間天然采光評價

1.1 開放式辦公空間天然光環(huán)境

開放式辦公空間的較大進深導(dǎo)致了兩種情況，一是緊靠窗口區(qū)域，太陽直射造成使用者有眩光和過熱現(xiàn)象[6]；二是遠離窗戶的部分區(qū)域不能滿足天然采光需求。此外，靠窗使用者控制窗簾的行為體現(xiàn)出高度隨機性，難以準確定量描述。這都對天然光的利用產(chǎn)生了不利影響。天然光的引入可以使室內(nèi)光環(huán)境具有豐富的感染力和渲染力，將日光引入室內(nèi)環(huán)境會對用戶的舒適度、健康、幸福感和生產(chǎn)力產(chǎn)生積極影響[7]。辦公建筑中的天然采光對降低照明能耗也有著重要的意義。為了實現(xiàn)天然采光的有效控制，本研究采取精細化的控制系統(tǒng)來實現(xiàn)采光的節(jié)能和舒適，在分析開放式辦公空間天然光質(zhì)量時，主要考慮其空間均衡性和時間均衡性兩個方面。本研究中開放式辦公空間天然光的空間均衡性是指在某一時刻下，各工作平面的天然光照度分配的均勻和平衡程度，均衡性的高低由各工作平面之間天然光照度的差異性體現(xiàn)。而時間均衡性指開放式辦公空間內(nèi)部天然光質(zhì)量在全年尺度下維持在一個較好水平的穩(wěn)定程度，即在全年尺度的時間線上，各個時刻室內(nèi)天然光質(zhì)量相差的程度。本研究中天然光在時間尺度上的均衡性主要由全年中各個工作平面天然光照度處于可用范圍內(nèi)的時長所體現(xiàn)。

1.2 室內(nèi)天然光均衡性評價指標

目前廣泛應(yīng)用的室內(nèi)天然采光評價指標及其適用性見表1。

表1 天然光評價指標適用性歸納表

現(xiàn)有指標中，有效采光度適合用來評價全年全天候下開放式辦公空間室內(nèi)天然光的利用程度，是否滿足了用戶功能性需求；照度均勻度適用于評價開放式辦公空間內(nèi)，不同工作平面天然光光照水平的差異以及不均衡性。

本研究基于有效采光度和照度均勻度，基于開放式辦公空間的特點，設(shè)定天然采光綜合分數(shù)。該指標主要涵蓋三個方面：天然光照度滿足使用者功能性需求的情況、天然光照度滿足使用者舒適性需求的情況、工作平面上天然光的均衡性情況。最終的綜合分數(shù)由功能性分數(shù)、舒適性分數(shù)及均勻度分數(shù)三部分加權(quán)組成，對于不同的場景需求，可以設(shè)置不同的權(quán)重值，本文中設(shè)置的權(quán)重值為3∶2∶1。

天然光照度功能性分數(shù)如式(1)所示：

(1)

式中，f1(x)表示工作平面天然光照度功能性分數(shù)；x表示各工作平面天然光照度值(lx)。

基于既有研究，可以得出在100～2 000 lx范圍內(nèi)，用戶在500 lx天然光條件下工作舒適度最高[8]，F(xiàn)otios[9]總結(jié)出500 lx時照度已經(jīng)滿足需求，繼續(xù)提高對舒適度正面影響很小。而在工作平面天然光照度可接受范圍內(nèi)，用戶對300 lx和1 000 lx滿意程度比較一致[10]。結(jié)合上述研究，本研究設(shè)定500 lx為滿分100分，小于100 lx和高于2 000 lx為零分，300 lx和1 000 lx為80分，進行線性賦分，得出舒適性分數(shù)如式(2)所示：

(2)

式中，f2(x)表示工作平面天然光照度舒適性分數(shù)；x表示各工作平面天然光照度值(lx)。

所有工作平面整體天然光照度均勻度分數(shù)如式(3)所示：

(3)

式中，f3(x)表示工作平面天然光照度均勻度分數(shù)；xmin表示各工作平面照度最小值(lx)；xmax表示各工作平面照度最大值(lx)。

開放辦公空間天然光環(huán)境綜合分數(shù)由功能性分數(shù)、舒適性分數(shù)及均勻度分數(shù)三部分加權(quán)組成。歸一化后，百分制的開放辦公空間天然光環(huán)境綜合分數(shù)如式(4)所示：

(a1+a2+a3)n

(4)

式中，L(x)表示百分制的開放辦公空間天然光環(huán)境綜合分數(shù)；xi表示各工作平面天然光照度(lx)；αi表示各指標權(quán)重系數(shù)；n表示開放式辦公空間中工作平面?zhèn)€數(shù)。

2 開放式辦公空間天然光環(huán)境模擬

2.1 采光遮陽行為控制模型

模擬研究以Rhinoceros為幾何建模平臺，以Radiance作為內(nèi)核，以Grasshopper分析插件作為參數(shù)化編程平臺。室內(nèi)照度的計算原理基于Tregenza等[11]提出的采光因子法，參考羅濤[12]的室內(nèi)光環(huán)境模擬流程，所用天空亮度模型基于CIE標準天空模型[13]。

本研究通過模擬分別計算無控制模式、手動控制模式下、粗放式控制模式下、精細化控制模式下的目標辦公空間全年室內(nèi)天然光。其中，粗放式控制模式是指以2 000 lx為天然光照度閾值，以靠窗測點的天然光照度為條件，在每個時間步長都對窗簾狀態(tài)進行一次判定。手動控制模式選定三個觸發(fā)因素作為判定：所處時刻、所處時刻下窗簾狀態(tài)、所處時刻工作平面天然光照度。通過將每個時刻控制行為發(fā)生概率的理論期望值轉(zhuǎn)化為人為控制下全年室內(nèi)天然光環(huán)境。兩種控制模式如圖1所示。

圖1 優(yōu)化前天然光控制模式流程圖Fig.1 Flow chart of natural light control mode before optimization

其中手動控制模式通常具有隨機性。本研究僅考慮行為的發(fā)生與所處時刻或工作平面照度等因素，本研究基于Wang等[14]提出的在多人房間中的人員行為模型，并參考對控制窗簾行為發(fā)生概率的研究[15]，最終的控制行為概率模型以使用者關(guān)窗簾觸發(fā)概率和開窗簾觸發(fā)概率的形式體現(xiàn)。

(1)關(guān)窗簾動作觸發(fā)概率如式(5)所示：

(5)

(2)開窗簾動作觸發(fā)概率如式(6)所示：

(6)

2.2 開放辦公場景搭建

本研究選擇了南山區(qū)某天然采光環(huán)境較差、對天然光環(huán)境改造需求較強烈的辦公空間作為分析目標，如圖2所示。該辦公空間由于較大的開窗面積和開間進深，天然采光不均衡的問題尤為突出?，F(xiàn)有辦公空間內(nèi)使用者對窗簾的控制模式導(dǎo)致該辦公空間天然光利用效率較低。

圖2 深圳市某開放式辦公空間Fig.2 An open office space in Shenzhen

該辦公空間面積146 m2，共有24個辦公位。房間開間為16.8 m、進深為8.7 m，東南向有4個窗戶，窗戶寬分別為7.4 m、6.1 m，高為2.2 m、1.2 m，窗臺高度為0.9 m，窗戶朝向為北偏東135°。辦公空間內(nèi)設(shè)置24個工作平面，每個工作平面取實際工作平面的中心位置，距離地面0.75 m，工作平面分布如圖3所示。室內(nèi)采用卷簾式窗簾，由靠窗一排用戶進行控制，工作平面1、2的用戶為一組控制其對應(yīng)部分的窗簾，工作平面3、4、5的用戶為一組控制其對應(yīng)部分的窗簾。

圖3 辦公空間平面圖及工作平面分布Fig.3 Office space and work plane distribution

2.3 采光遮陽措施與精細化控制模式

通過對采光遮陽精細化控制后的辦公室內(nèi)天然光環(huán)境進行模擬，可以得到不同采光遮陽搭配方式下的辦公室內(nèi)天然光分布情況和各工作平面的全年天然光照度等情況。其中各主動式采光遮陽措施適用性分析見表2。

表2 主動式采光遮陽措施適用性分析表

基于適用性角度，采光窗材質(zhì)和室內(nèi)遮陽構(gòu)件優(yōu)化適用于開放式辦公空間的采光遮陽控制。本研究將采光窗進行網(wǎng)格化處理，使用透射率可以變化的電致變色玻璃，每塊玻璃的透射率均可獨立控制。在原有基礎(chǔ)上增加窗簾數(shù)量，將原來的兩面窗簾細分為可由每個靠窗用戶獨立控制的四面窗簾，并增加由下向上卷起的控制模式。辦公室原有情況如圖4所示，精細化控制后概況如圖5所示。

圖4 辦公室基準采光遮陽系統(tǒng)Fig.4 The baseline system of the office

圖5 精細化控制系統(tǒng)Fig.5 Refine control system

本研究將網(wǎng)格化電致變色玻璃外窗作為優(yōu)先的采光遮陽控制手段。天空條件發(fā)生變化時，網(wǎng)格化電致變色玻璃外窗會通過自動調(diào)節(jié)每個網(wǎng)格的透射率以滿足室內(nèi)天然光需求?；诂F(xiàn)實情況和與真實生活中使用者的其他需求，保留多方向控制窗簾作為次級控制手段。

3 典型氣象年中精細化控制驗證

對模擬得到的室內(nèi)各工作平面全年照度進行分析，以開放式辦公空間天然光綜合控制系數(shù)為目標函數(shù)，選取每小時最優(yōu)方案，從而得到全年的采光遮陽方案組合。將典型氣象年中全年精細化控制優(yōu)化后的目標辦公空間各工作平面天然光分布情況與優(yōu)化前進行對比分析，驗證采光遮陽精細化控制方案及典型氣象年內(nèi)全年優(yōu)化策略的有效性。

3.1 精細化控制前后有效采光度對比分析

本研究以PUDI、PE>2k、PE<100三個指標分別對有效采光度時間百分比、過高天然光照度時間百分比和過低天然光照度時間百分比進行描述，典型氣象年中精細化處理后的室內(nèi)各工作平面PUDI的平均值、PE<100平均值和PE>2k平均值與精細化處理控制優(yōu)化前各種情況進行對比見表3。

表3 典型氣象年中優(yōu)化前及全年優(yōu)化后各情況下有效采光度平均值對比

通過典型氣象年中精細化前后有效采光度的對比，精細化控制下的各工作平面PUDI平均值比手動控制模式下提高了61%，比粗放式控制模式下提高了49%?？梢钥闯?，精細化控制的手段在典型氣象年中進行全年優(yōu)化，提高了目標開放式辦公空間中工作平面天然光照水平和天然光利用效率，有效增加了天然采光在全年尺度下的時長，并使室內(nèi)天然光質(zhì)量維持在較高水平，能夠有效改善室內(nèi)天然光時間尺度上的均衡性。

3.2 精細化控制前后照度均勻度對比分析

在滿足目標開放式辦公空間中工作平面對天然光的功能性需求基礎(chǔ)上，需進一步分析精細化控制模式對天然光在所有工作平面之間分布的差異性，即室內(nèi)照度均勻度。典型氣象年中典型日內(nèi)精細化控制優(yōu)化后的采光均勻度平均值與優(yōu)化前對比見表4。

表4 典型氣象年中優(yōu)化前后典型日內(nèi)照度均勻度平均值對比

典型氣象年中精細化控制全年優(yōu)化后在典型日中的照度均勻度低于優(yōu)化前三種遮陽模式下的照度均勻度。精細化控制模式由于采用了采光窗網(wǎng)格化調(diào)節(jié)透射率的控制方式，滿足用戶對天然光的功能性需求，導(dǎo)致了在多數(shù)用戶對天然光功能性需求都被滿足的情況下，使用者之間的天然光使用情況差異變大。

3.3 精細化前后天然光環(huán)境綜合分數(shù)對比分析

典型氣象年中典型日內(nèi)，精細化控制下的開放辦公空間天然光環(huán)境綜合分數(shù)平均值與優(yōu)化前三種遮陽狀態(tài)下的對比見表5。

表5 典型日內(nèi)開放辦公空間天然光環(huán)境綜合分數(shù)平均值對比

典型氣象年中，經(jīng)過采光遮陽系統(tǒng)精細化控制優(yōu)化的開放辦公空間天然光環(huán)境綜合分數(shù)在四個典型日內(nèi)的平均值均高于優(yōu)化前的各種情況，在全年尺度來看，精細化控制下的開放式辦公空間，其開放辦公空間天然光環(huán)境綜合分數(shù)要高于優(yōu)化前的各種情況。

開放辦公空間天然光環(huán)境綜合分數(shù)基于各工作平面天然光質(zhì)量的基礎(chǔ)上評價了辦公空間上的均勻度和平衡性，采光遮陽系統(tǒng)精細化控制下的開放辦公空間天然光環(huán)境綜合分數(shù)高于優(yōu)化前情況，說明精細化控制模式可以有效地改善開放式辦公空間天然光質(zhì)量在空間尺度上的均衡性。在滿足室內(nèi)工作平面天然光需求的基礎(chǔ)上，相比于粗放式控制模式和手動控制模式的18.95分和0.10分，精細化控制模式將典型氣象年全年天然光環(huán)境綜合分數(shù)平均值提高到58.70分。

4 結(jié)論與展望

本研究主要進行了開放式辦公空間室內(nèi)天然光評價體系的搭建、目標空間現(xiàn)存天然光環(huán)境分析、采光遮陽系統(tǒng)精細化控制方法的提出以及采光遮陽系統(tǒng)全年控制優(yōu)化策略的提出和驗證。

典型氣象年內(nèi)，采光遮陽精細化控制優(yōu)化后開放辦公空間天然光環(huán)境綜合分數(shù)高于優(yōu)化前，相比傳統(tǒng)采光遮陽方式，能夠起到優(yōu)化開放式辦公空間室內(nèi)天然采光的作用。本研究對辦公空間現(xiàn)有采光遮陽條件下天然光質(zhì)量均衡性的分析表明，與無遮陽狀態(tài)相比，現(xiàn)有的采光遮陽系統(tǒng)以及控制模式會降低開放式辦公空間的天然采光質(zhì)量。

本研究提出的基于采光窗網(wǎng)格化控制和窗簾多方向控制的采光遮陽系統(tǒng)精細化控制方法，能夠有效提高UDI和開放式辦公空間全年天然光綜合控制系數(shù)，可用于開放式辦公空間的設(shè)計或優(yōu)化過程中。由于本研究僅選取了深圳市內(nèi)一個改造需求較強的開放式辦公空間作為目標空間，可能存在其特殊性和地域性差異，有待進一步開展對不同案例的研究。