连续布置光井式单元屋顶天然采光系统的量化研究

边 宇 李 晋 马 源

(1．华南理工大学建筑学院亚热带建筑科学国家重点实验室，广东广州 510640;2．广东工业大学建筑与城规学院，广东广州 510090)

1 引言

屋顶采光是效率最高的建筑自然采光方式，尤其适用于体育馆、会展、交通等大空间建筑，良好的屋顶采光其节能效果不言而喻。仅就光学特性而言，在进行顶棚采光时需要处理好照度水平控制、自然光有效照明水平维持时间、光照区域稳定等问题。连续布置光井式采光单元屋顶采光系统是指将独立采光单元 (如:采光井)以一定排列方式装置于屋顶内的采光方式。

相比较于传统的各类型天窗采光以及透明/半透明顶棚采光，连续布置光井式采光单元屋顶由于紧密排列了独立的采光单元，天然光线在采光单元的狭长腔体内经过多次反射进而照明室内，这种机理有效地避免了自然光线尤其是直射光分量可能造成的局部过亮、室内阴影以及眩光，使室内光线柔和、稳定，且该采光系统可对自然光进行更加灵活的控制，有利于营造均匀度高、稳定程度好、有效照度维持时间长的室内自然光环境。

对于每个采光单元而言，形状、尺寸、朝向、表面材料的光学特性决定了其采光效果;对于整个系统而言还需要考虑采光单元的排布密度，本文将针对以上参量在最为基本的研究模型上成体系地开展量化研究。

2 研究方法

采光单元截面形状可分为圆形、多边形、矩形、异形，本文仅针对矩形截面的采光单元开展研究工作，即针对矩形采光单元成矩阵式均匀布置的屋顶采光系统 (图1)开展研究，该类型可视作其余诸类型采光单元的基本形态，针对该类型模型的研究结论具有基础的参考价值，是进一步研发更为复杂的屋顶动态采光系统的基础性工作。

图1 均匀布置矩形光井研究模型Fig.1 Model of matrix arranged light wells

模型尺寸的确定对于研究的开展至关重要，研究模型的层高、采光单元尺寸、分布密度对于采光效果有着直接的影响，其中采光单元尺寸可以分为截面尺寸 (W，L)和光井指数 (WI)。经综合衡量大空间建筑形态以及简化研究过程等因素，模型参数确定为:采光单元截面积宽度 (W)为500mm(长度、高度待定)，空间高度为4000mm(采光单元下沿距室内地面高度)，室内墙面为漫反射材料反射率R=0.54，该参数具有一定的典型性，便于其他层高的建筑参考该模型的数据结论。针对该模型采用的研究方法为:

首先，在不考虑采光单元朝向的前提下，对满布采光单元的屋顶在全云天 (CIE standard overcast sky)条件下分析采光单元尺寸、表面反射率对于采光效果的影响，得出效率最高、均匀度最理想的参数区间;

其次，在中间天空 (CIE intermediate Sky)亮度模型下测试采光单元朝向对于自然采光效果的影响 (以广州市年内若干具有代表性的日期为测试条件)，并且测试室内光环境稳定程度。选择中间天空作为天空亮度模型开展有朝向参数的采光系统是必要的，并且根据国外学者的相关研究在低纬度地区CIE intermediate天空亮度模型下的模拟结果与实际采光效果最为契合［1］。

再次，在中间天空亮度模型下对于采光单元布置的面积密度开展相应的研究，使得自然采光照度在尽可能长的时间段内保持合理水平、避免过亮。

本研究中的自然采光模拟使用Radiance程序。

3 参数量化研究与数据分析

3.1 全云天条件下采光单元尺寸与表面反射率对于

采光效果的影响

规定矩形截面采光单元的尺寸为图2中所示，对于矩形平面的采光单元来说其光井指数 (WI)定义为式 (1)。

图2 采光井尺寸Fig.2 Dimensions of a light cell

光井系数

根据法国学者B.Bouchet与M.Fontoynont对于采光井尺寸的研究，当L=W时，即采光单元截面为方形时其采光效率较矩形截面高［3］。此时WI的表达式为公式 (2)。

本研究中变量 WI选取1，2，3，4，5，8，采光单元表面材料反射率 (漫反射)选择为0.7，0.8，0.9，0.95，目标参量为采光系数 (DF)以及照度均匀度。模拟测定结果见图3、图4。

图3 满布采光单元屋顶采光效果 (采光系数)Fig.3 DF values along the ground with various WI and light cell surface reflectance

图4 满布采光单元屋顶采光效果 (均匀度)Fig.4 Uniformity values with various WI and light cell surface reflectance

图3 中所示数据为满布方形截面采光单元的屋顶采光系统在全云天条件下的采光系数，图4为同条件下的照度均匀度;其中变量为:采光单元光井指数 (WI)以及采光单元表面材料反射率 (R)。

由图3、图4中的数据可以得知:随着WI增大该系统采光能力降低，采光均匀度在WI处于1～5这一数值区间内逐渐增高。采光单元表面材料的反射率与衡量采光能力的采光系数 (DF)同向变化，且后者受前者数值影响明显;系统的采光均匀度受WI影响较明显，表面反射率R与采光均匀度之间的关系相对较弱。

WI、R数值的优选应根据当地光气候条件以及建筑室内功能对于光环境的要求开展。其中单元实际尺寸大小以及光井系数WI对于采光结果均有影响:例如某连续布置光井式采光单元屋顶 (WI=4，W=500mm，R=0.8)在层高4000mm的建筑在全阴天下其地面采光系数平均值为4.16%，而采光单元屋顶 (WI=4，W=1000mm，R=0.8)在层高4000mm的建筑内全阴天下其地面采光系数平均值为9.53%，但在该参数下均匀度降低;

图5 计算模型屋顶照度平均值 (lx)Fig.5 Average roof illuminance of simulation model

以广州地区的展览馆建筑为例，展览馆高档展厅要求地面照度标准不低于300lx，广州地区一年中3月份太阳辐射水平最低，图5为广州市3月20日计算模型屋顶的照度分时段(9∶00～17∶00)平均值①。从图5数据可知，对于广州地区展览馆建筑而言，屋顶采光系统的采光系数＞3%即可满足照明设计标准值。因此，综合考虑采光能力以及照度均匀度，广州地区的展览馆建筑使用连续布置光井式采光单元屋顶采光系统时优选的参数为:3≤WI≤5，500≤W≤1000，表面选择漫反射材料且反射率R≥0.8。

3.2 中间天空下采光单元朝向对于采光效果的影响

采光单元向北倾斜一定角度有利于营造更加均匀、稳定的天然光环境，主要原因有两点:其一，由于太阳直射光出现较少，北向天空亮度分布较南向天空稳定;其二，在某些时刻当太阳位置处于屋顶正上方时太阳直射光未经多次反射直接入射室内可能导致室内过亮，这一现象在低纬度高辐照地区尤其需要注意。例如:广州夏季正午多云天情况下朝向天顶的密布采光单元屋顶下照度可达到10000lx以上。为了规避这一现象的产生，采光单元朝向需要根据当地实际光气候开展地域化研究。本研究以广州为研究对象，选择满布采光单元屋顶采光系统 (WI=4，R=0.8)以朝北 0°、5°、10°、15°、30°、45°在 CIE Intermediate天空亮度模型下开展采光效果的研究。

三月份为广州市太阳辐射强度月平均值最低的月份，因此选择3月20日 (春分)作为测试日，图6 为采光单元各朝向在10∶00、12∶00、14∶00、16∶00时室内平均照度水平 (单位:lx)。

图6 室内照度随时间变化 (3月20日)Fig.6 Hourly interior lux with various orientations(20th，Mar)

6月21日 (夏至)为一年中太阳高度角最高的日子，以广州为例:6月～11月太阳辐射水平处于高位，图 7为采光单元各朝向在 10∶00、12∶00、14∶00、16∶00时室内平均照度水平 (单位:lx)。

夏至日朝向天顶、朝北5°、10°三种情况下12∶00时均发生了阳光直接入射室内的现象，模拟照度值超过10000lx，出于制图的需要将这三点数值进行了缩小 (图7中虚线框出)，当朝北角度大于15°时该现象得以规避。

12月22日 (冬至)为一年中太阳高度角最低日，当采光单元朝北15°时，在广州中间天空亮度模型下测得研究模型室内平均照度分别为:见表1。

图7 室内照度随时间变化 (6月21日)Fig.7 Hourly interior lux with various orientations(21st，Jun)

表1 室内平均照度Table 1 The interior lux

从以上数据可知:采光单元北倾角度越大(0～45°)，室内平均照度值越低但照度日间稳定程度越高。以广州市为例，采光单元北倾角度以15°为界限，北倾15°时平均照度值适中，照度随时间变化较为平缓。当北倾角度大于30°时室内照度水平偏低，且室内照度分布均匀度下降明显①。

从照度随时间变化的数据可知，在16时室内照度水平下降明显，因此可以在进一步的研究中探讨采光单位朝向北偏西可能带来的照度稳定度的进一步提升。

3.3 针对不同面积密度布置的研究

采光单元占屋顶的面积比对于照明效果有着显著的影响，本节研究以W=500为基础进行面积缩小 (面密度值分别为100%、90%、80%、70%、60%、50%，见图8)，WI=3，R=0.8的采光单元作为研究对象测量屋顶下方4米处平面上的照度。

在全云天工况下针对不同面积密布的屋顶采光系统开展采光效果研究。

从图9中可以看出采光系数随面积密度的增大基本呈线性增长，针对该研究模型而言，面积密度减少10%，采光效率下降约20%。

而照度均匀度数据在这一系列测试中相对稳定，均匀度数值如表2所示。

图8 不同分布密度示意图Fig.8 distribution density of light well

图9 采光单元面积密度与采光系数关系Fig.9 Distribution density of light well with daylight factor

表2 均匀度数值Table 2 Uniformity values

由该系列数据可知采光单元布置密度对于均匀度的影响相对较弱，WI数值以及采光单元截面宽度W及其表面反射率R是影响照度均匀度的关键参量。

4 结论

密布采光单元式屋顶采光系统有利于在大空间建筑中营造稳定程度好、均匀度高的自然光环境。基于本研究的数据，针对以下几个参量给出相关结论

(1)采光单元尺寸

以同时考量采光效率与均匀度、稳定度三者为出发点，采光单元的尺寸应优选如下参数:3≤WI≤5，500mm≤W≤1000mm。经过多次模拟测试，即便是层高20m的大空间建筑，其采光单元的截面宽度也不适宜超过1000mm。

(2)表面材料反射率

采光单元内壁的表面材料推荐为漫反射材料，其反射率R≥0.8，在条件允许的情况下推荐反射率R≥0.9，较高的反射率也有助于抵消实际工程中积尘以及材料老化减带来的采光效率降低等影响。

(3)朝向

采光单元的朝向必须开展地域性研究或分析，以广州为例采光单元朝向北15°～30°可以有较为满意的效果。

(4)密度

该采光屋顶的采光系数与面积密度基本呈线性关系，布置密度与室内照度均匀度相关性不强。

［1］Carlos Ernesto Ochoa，Isaac Guedi Capeluto．Evaluating visual comfort and performance of three natural lighting systems for deep office buildings in highly luminous climates．Building and Environment 41(2006):1128～1135．

［2］Jiangtao Du，Steve Sharples．The variation of daylight levels across atrium walls:Reflectance distribution and well geometry effects under overcast sky conditions．Solar Energy 85(2011):2085～2100．

［3］B．Bouchet，M．Fontoynont．Day-lighting of underground spaces:design rules．Energy and Buildings 23(1996):293～298．