新版《建筑采光设计标准》主要技术特点解析

2013-09-16 00:51林若慈赵建平

照明工程学报 2013年1期

林若慈赵建平

(中国建筑科学研究院，北京 100013)

1 引言

《建筑采光设计标准》GB/T 50033—2001版经过全面修订已于2012年2月完成报批稿报批。近年来伴随着能源危机、开发和利用天然光已日益引起世人的关注。天然光因其自身独有的特质和变化性越来越受到人们的喜爱，愉悦身心的同时还可以提高工作效率。不仅如此，天然光在减少建筑照明能耗方面已显现出重要作用。我国大部分地区处于温带，天然光充足，为利用天然光提供了有利条件。本标准修订遵循充分利用天然光，创造良好光环境、节约能源、保护环境和构建绿色建筑的原则，在调查研究、模拟计算、实验验证，认真总结实践经验，参考有关国际标准和国外先进标准以及广泛征求意见的基础上完成了本标准的修订。修订后的采光标准共分为7章和6个附录，主要技术内容包括:总则、术语和符号、基本规定、采光标准值、采光质量、采光计算和采光节能等。以下介绍新版《建筑采光设计标准》的主要技术内容和特点。

2 侧面采光的评价指标采光系数最低值改为采光系数平均值

新标准规定的采光系数标准值和室内天然光照度标准值为参考平面上的平均值，如表1所示。

表1 场所参考平面上的采光标准值Table 1 Daylighting standard value on the reference plane in the space

原标准中侧面采光以采光系数最低值为标准值，顶部采光采用平均值作为标准值;本标准中统一采用采光系数平均值作为标准值。采用采光系数平均值不仅能反映出采光的平均水平，也更方便理解和使用。从国内外的研究成果也证明了采用采光系数平均值和照度平均值更加合理。

采用采光系数平均值作为采光系数标准值，编制组基于北京标准全阴天条件，利用Radiance软件进行初步模拟计算。取房间净高2.54.56.5米，进深4.85.46.07.28.49.0米，对18种房间的9种开窗方式进行模拟，共计162个模拟组合，以验证采光系数平均值的优点及其可行性。

其中提取某一房间进行相关几何参数与采光系数的深入比较分析。该房间进深7.2米、净高4.5米、玻璃透光比0.737，室内地面反射比为0.2，墙面0.5，屋顶0.8，窗下沿高0.9米，工作面高0.8m，对应9种开窗方式的计算结果如表2所示。

表2 标准全阴天窗地比与采光系数计算结果Table 2 Calculation results of ratio of glazing to floor area and daylighting factors in full cloudy day

本研究与澳大利亚同类研究进行比较，研究结论相似，窗地比与采光系数平均值 (Cav)呈近似线性关系，采光系数最低值 (Cmin)与窗地比无线性关系。

根据上述研究得出如下结论:

(1)对于标准全阴天，真正对应建筑师采光方案合理性的判定是平均照度，其与窗地比存在近似的线性关系，不同形状的房间也因此对应不同的合理窗地比。用采光系数平均值作为标准值既能反映一个工作场所总的采光状况，又能将采光系数与窗地面积比直接联系在一起。采用采光系数平均值和平均照度作为标准值是合理的。

(2)采用采光系数平均值和平均照度将计算和评定侧窗采光和天窗采光的参数统一在一起，方便二者之间的综合比较和对接。

(3)采用采光系数平均值和平均照度同时方便结合照明标准及节能标准的相关参数，为统一考虑采光均匀度和照明均匀度提供了可能。

3 制定采光系数标准值采用室外天然光设计照度值

3.1 室外天然光设计照度值的确定

将Ⅲ类光气候区的室外设计照度值定为15000 lx(表3)，按这一室外设计照度和采光系数标准值换算出来的室内天然光照度值与人工照明的照度值相对应，只要满足这些照度值，工作场所就可以全部利用天然光照明，根据我国天然光资源分布情况(表4)，全年天然光利用时数可达8.5个小时以上。按每天平均利用8小时确定设计照度，Ⅲ类光气候区室外设计照度取值为15000 lx，其余各区的室外设计照度分别为 18000 lx、16500 lx、13500 lx、12000 lx。按室外临界照度5000 lx计算，每天平均天然光利用时数约10个小时。室外设计照度15000 lx和室外临界照度5000 lx之间，是部分采光的时段，需要补充人工照明，临界照度5000 lx以下则需要全部采用人工照明。

表3 各光气候区的室外天然光设计照度Table 3 The design illuminance of exterior daylight in various daylight climate areas

表4 不同光气候区的天然光利用时数Table 4 Daylight using hours in various daylight climate areas

3.2 室内天然光设计照度值的确定

在制订采光标准时，除了考虑视觉工作对光的最低需求外，还应考虑连续、长时间视觉工作的需要，以及工作效率和视觉舒适等因素。结合室外天然光状况，将室外临界照度值5000 lx提高到室外设计照度值15000 lx，各采光等级 (与顶部采光相对应)的室内天然光照度值分别为750、450、300、150、75(lx)，与照明标准相比较，各工作场所对应的天然光照度值基本与照明标准值相一致。视觉实验还表明，天然光优于人工光，天然光即使略低于人工照明照度值，也能满足视觉工作的要求。

4 在采光质量要求较高的场所，宜限制窗的不舒适眩光

4.1 窗的不舒适眩光指数DGI

窗的不舒适眩光是评价采光质量的重要指标，新标准规定不舒适眩光指数不宜高于表5规定的数值。

表5 窗的不舒适眩光指数 (DGI)Table 5 DGI of windows

根据我国对窗眩光和窗亮度的实验研究，结合舒适度评价指标，及参考国外相关标准，确定了本标准各采光等级的窗的不舒适眩光指数值DGI(表6)，与英国标准 (表7)比较基本一致。

表6 窗的不舒适眩光指数值比较Table 6 DGI comparison of windows

表7 英国IES眩光指数 (DGI)临界值Table 7 DGI threshold of IES

实测调查表明，窗亮度为8000 cd/m2时，其累计出现几率达到了90%，说明90%以上的天空亮度状况在对应的标准中;实验和计算结果还表明，当窗面积大于地面面积一定值时，眩光指数主要取决于窗亮度。表中所列眩光限制值均为上限值。

关于顶部采光的眩光，据实验和计算结果表明，由于眩光源不在水平视线位置，在同样的窗亮度下顶窗的眩光一般小于侧窗的眩光，顶部采光对室内的眩光效应主要为反射眩光。

4.2 窗的不舒适眩光指数DGI的计算

式中，Gn——眩光常数;

Ls——窗亮度，通过窗所看到的天空、遮挡物和地面的加权平均亮度 (cd/m2);

Lb——背景亮度，观察者视野内各表面的平均亮度 (cd/m2);

ω——窗对计算点形成的立体角 (sr);

Ω——考虑窗位置修正的立体角 (sr)。

本方法是在各个国家对窗的不舒适眩光研究的基础上，由英国和美国对不舒适眩光提出的计算公式。法国、英国和比利时依据上述公式对窗的眩光进行了研究。利用该公式可预定采光的不舒适眩光。同时还研究了不同的天空亮度、窗的形状和大小以及背景亮度对不舒适眩光的影响。研究表明，当天空亮度、房间大小和室内反射比一定时，GI值为一常数。试验结果还证实了对于同一评价等级采光的眩光指数要高于照明眩光指数，当采光眩光指数DGI值在28以下时，两者之间的关系可用式 (3)表示。

同样，我国对窗的不舒适眩光也进行了系统的实验研究，即“窗不舒适眩光的研究”，包括窗亮度和窗尺寸对眩光的影响、窗大小和形状对对眩光的影响、背景亮度对眩光的影响以及天然光和人工光的不舒适眩光的比较，得出了一组关系曲线。同时还引入了无眩光舒适度的概念，建立了窗亮度、窗的不舒适眩光指数和窗无眩光舒适度之间的关系曲线，进一步证实了这一眩光计算方法的适用性。窗的不舒适眩光一般需要采用计算机软件进行计算。

5 窗地面积比和采光有效进深

在建筑方案设计时，对Ⅲ类光气候区的采光，其采光窗洞口面积和采光有效进深可按表8进行估算，其他光气候区的窗地面积比应乘以相应的光气候系数K。

为便于在方案设计阶段估算采光口面积，按建筑规定的计算条件 (窗的总透射比τ取0.6等)，计算并规定了表8的窗地面积比。此窗地面积比值只适用于规定的计算条件。若不符合规定的条件，需按实际条件进行计算。

建筑师在进行方案设计时，可用窗地面积比估算开窗面积，这是一种简便、有效的方法，但是窗地面积比是根据有代表性的典型条件下计算出来的，适合于一般情况。如果实际情况与典型条件相差较大，估算的开窗面积和实际值就会有较大的误差。因此，本标准规定以采光系数作为采光标准的数量评价指标，即按不同房间的功能特征及不同的采光形式确定各视觉等级的采光系数标准值。在进行采光设计时，宜按采光计算方法和提供的各项参数进行采光系数计算，而窗地面积比则作为采光方案设计时的估算。

表8 窗地面积比和采光有效进深Table 8 Ratio of glazing to floor area and the depth of daylighting zone

对于侧面采光，标准除了规定窗地面积比以外还对采光有效进深作了规定，根据模拟计算，统计出与各采光等级相对应的采光有效进深，如表9所示。

表9 采光有效进深统计结果Table 9 The statistical results of the depth of daylighting zone

表9中采光有效进深是在常规开窗条件下，控制窗宽系数 (不包括高侧窗)的计算统计结果。同时编制组还选取窗地面积比为1/5和1/10的典型房间进行实验，测量所得结果表明，当采光系数达到标准值时，采光有效进深分别在2.5～3.0和4.0～4.5之间，实验也验证了标准中给出的有效进深是合理的。本标准给出侧面采光的有效进深对方案设计阶段指导采光设计，控制房间采光进深和采光均匀度具有实际意义，同时可对大进深采光房间的照明设计和采光与照明控制提供参考依据。

本标准所规定的窗地面积比和采光有效进深既考虑到能满足天然采光的要求，同时也要考虑到对建筑围护结构能耗的限制。侧面采光时，在控制采光有效进深的情况下，对各等级的窗地面积比和对应的窗墙比进行了分析计算，计算结果如表10所示。

表10 侧面采光的窗地面积比和窗墙比Table 10 Ratio of glazing to floor area and the wall of daylight

计算结果窗墙比基本上在0.2～0.4之间，符合建筑节能标准的要求，只有Ⅴ类光气候区Ⅰ级采光等级窗墙比超过0.4，但在采光标标准中已规定由于其开窗面积受到限制时可采用人工照明。顶部采光多为大跨度或大进深的建筑，如果开窗面积过大，包括大面积采用透明幕墙的场所，本标准对采光材料的光热性能提出了要求。

6 平均采光系数的计算方法

6.1 侧面采光平均采光系数的计算

采光系数平均值的计算方法是经过实际测量和模型实验确定的，在研究过程中，有关采光系数平均值的公式出现了多个修正版本，本标准确定采用以下计算公式。该公式的计算结合同模型实验中的测量值更加吻合，并最终在北美照明工程学会 (IESNA)和其他很多版本的规范中得到肯定和应用。

哈佛大学的CF Reinhart在他近期的研究论文中展示了利用计算机模拟工具Radiance对上述采光系数平均值表达式进行了验证评估。综合早期的模型试验、实际测量和后期的计算机模拟可以发现，有关采光系数平均值的理论公式计算结果、实测值和模拟值三者数据之间基本吻合，该验证工作是我们在标准修订过程中得以将公式计算和模拟结果综合应用的重要根据，结果表明，模拟计算结果与简化公式计算的结果比较吻合。

(1)采光系数平均值的计算。

式中，τ——窗的总透射比;

Ac——窗洞口面积 (m2);

Az——室内表面总面积 (m2);

ρj——室内各表面反射比的加权平均值;

θ——从窗中心点计算的垂直可见天空的角度值，无室外遮挡θ为90°。

①窗的总透射比τ的计算:

式中，τ0——采光材料的透射比;

τc——窗结构的挡光折减系数;

τw——窗玻璃的污染折减系数。

②室内各表面反射比ρj的计算:

ρi分别指顶棚、墙面、地面饰面材料和普通玻璃窗的反射比，Ai为与之对应的各表面面积。

③可见天空角的计算:

式中，Dd——窗对面遮挡物与窗的距离 (m);

Hd——窗对面遮挡物距窗中心的平均高度(m)。

(2)窗洞口面积Ac的计算:

6.2 顶部采光系数平均值的计算

本计算方法引自北美照明手册的采光部分，该方法的计算原理是“流明法”，计算假定天空为全漫射光分布，窗安装间距与高度之比为1.5∶1。计算中除考虑了窗的总透射比以外，还考虑了房间的形状、室内各个表面的反射比以及窗的安装高度，此外，还考虑了窗安装后的光损失系数。

本计算方法具有一定的精度，计算简便，易操作。为配合标准的实施可建立较完善的数据库，利用计算机软件可为设计人员提供方便，快捷的采光设计方法。

采光系数平均值的计算公式:

式中，Cav——采光系数平均值 (%);

τ——窗的总透射比;

CU——利用系数;

Ac/Ad——窗地面积比。

本计算方法未对混合采光做出规定，对兼有侧面采光和顶部采光的房间，可将其简化为侧面采光区和顶部采光区，分别进行计算。

6.3 导光管系统的采光计算

导光管采光系统是一种新型的屋顶采光技术。导光管采光系统的计算原理是“流明法”，与顶部采光类似。采用导光管采光系统时，相邻漫射器之间的距离不大于参考平面至漫射器下沿高度的1.5倍时可满足均匀度的要求。由于导光管采光系统采用了一系列光学设计，晴天条件下采光效率和光分布同阴天有所不同，因此在晴天条件下计算时需要考虑系统的平均流明输出以及相应的利用系数。当厂家提供光强分布IES文件，可利用通用计算机软件，实现逐点的照度分析计算。

导光管系统采光设计时，宜按下列公式进行天然光照度计算:

式中，Eav——平均水平照度 (lx);

n——拟采用的导光管采光系统数量;

CU——导光管采光系统的利用系数;

MF——维护系数，导光管采光系统在使用一定周期后，在规定表面上的平均照度或平均亮度与该装置在相同条件下新装时在同一表面上所得到的平均照度或平均亮度之比。

以上提供的采光计算方法是针对采光标准规定的平均采光系数的计算。对于大型复杂的建筑和非规则的采光形式，或需要逐点分析计算采光时可采用具有强大功能的通用计算机软件进行计算，同时还可以作节能分析和计算光污染。

7 建筑采光节能计算

天然光是清洁能源，取之不尽，用之不竭，具有很大的节能潜力，目前世界范围内照明用电量约占总用电量的20%左右，充分利用天然光是实现照明节能的重要技术措施。对于整栋建筑物而言，采光节能应纳入整个照明节能的组成部分。本标准提出的采光节能计算方法，突出的特点是全部采用我国实际的光气候数据进行采光节能计算，因此在分析评估采光节能上具有较高的实用性。

本标准规定在建筑设计阶段评价采光节能效果时，宜进行采光节能计算。

单位面积上可节省的年照明用电量Ue宜按下式计算: