参考天空亮度分布模型下的建筑采光设计优化*

边宇 马源 遇大兴

（1.华南理工大学建筑学院，广东 广州 510640；2.华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室，广东 广州 510640；3.广东工业大学建筑与城市规划学院，广东 广州 510090）

参考天空亮度分布模型下的建筑采光设计优化*

边宇1，2马源3遇大兴1

（1.华南理工大学建筑学院，广东 广州 510640；2.华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室，广东 广州 510640；3.广东工业大学建筑与城市规划学院，广东 广州 510090）

结合观测研究某地区天空亮度分布的方法以及参考天空模型的构建方式，提出了华南区参考天空模型(CSRS)，并通过房间内的实地测量验证了该计算模型；然后在华南区夏季光气候条件下以某侧窗采光教室为研究对象提出了基于CSRS的建筑采光优化设计方法；最后针对该案例给出了优化的采光设计方案及量化参数，并说明了其采光效果.结果表明：使用CSRS模型进行采光模拟与分析的结果较CIE标准全云天模型更准确.

天空亮度分布；参考天空模型；建筑采光设计；采光效果

在开展建筑采光设计时必须充分了解项目所在地的光气候特征，除基于经验的方法外，在当地参考天空亮度分布模型（下文简称参考天空）下进行模拟分析，并将结果作为采光设计的依据是一种科学的途径.参考天空是指可以反映某地区、某时间段内天空亮度分布均值情况的天空亮度分布模型，即在进行采光分析时作为参照标准的天空亮度分布模型［1］.当前，建筑采光的分析主要在CIE标准全云天（CIE Standard Overcast Sky）等模型下进行，实际上该模型不能反映任何地区天空亮度分布的真实情况［2］.以华南地区夏季为例，该地区夏季大气透明度高、多暴雨，同时晴朗时数也较多，光气候地域性特点突出，因此该地区建筑的采光设计应具有适应当地光气候的优化参数.

本研究基于观测数据定义了华南地区夏季参考天空亮度分布模型并通过校验证明了参考天空较传统模型计算结果准确，即更能反映地域性光气候特点；并以某项目的采光设计过程为例阐述了在参考天空模型下开展采光设计以及参数优化的过程，通过优选设计方案的采光表现说明参考天空下的采光优化设计可以获取更为优良的建筑采光效果.

1 参考天空模型

笔者所在课题组在亚热带建筑科学国家重点实验室2#实验大楼屋顶平台开展了华南地区光气候的观测工作，该场地周围无明显遮挡，符合CIE提出的光气候测试条件.使用安装全景视场鱼眼镜头的图像采集装置对全天空亮度分布情况以10min为间隔进行连续测量.该测试自2012年12月8日开始已测量一个年周期，采集天空图像4万余张（含夜间），测试期间仅少数时段因设备故障或暴风雨天气中断测试.采集到的天空图像经过自行开发的程序处理后获得相对应天空单元的亮度相对值.

1.1 华南地区参考天空模型

天空亮度分布模型可以分为全云天（OC）、中间天空（IM）、晴天空（CL）3大类，通常用CIE标准全云天模型、CIE标准中间天空模型、CIE标准晴天空模型进行描述［3］.课题组采集的天空图像经处理后以均方差最小的原则归入以上所述的3种标准天空亮度分布模型，统计其出现次数后得到出现频率K.此模型建立在3种标准天空线性分量叠加的基础上，其数学结构如图1所示，其中出现频率K值分别为3种标准天空模型的线性分量系数，RS为参考天空模型［4］.

图1 参考天空模型结构图Fig.1 Structure of reference sky model

本研究以华南地区夏季（2013-06-21～2013-09-23）为例，排除夜间图像，获取有效图像5 405幅，通过程序将这一系列图像数据进行整理归类并经过计算得出Ko、Ki、Kc的值，结果如表1所示.

表1 参考天空模型中的K值Table 1 K values in reference skymodel

综上所述，夏季华南地区参考天空模型（CSRS）可定义为：

CSRS（morning）=0.26（OC）+0.39（IM）+0.35（CL），

CSRS（noon）=0.30（OC）+0.53（IM）+0.17（CL），

CSRS（afternoon）=0.52（OC）+0.39（IM）+0.09（CL）.

1.2 CSRS模型校验

课题组以坐落于华南理工大学校内的某教室作为校验用模型空间，以该模型教室内的实测自然光照度数据与CSRS模型下的计算数值、CIE标准全云天下的模拟值进行比较.

该教室进深7.6m，仅朝北向开单侧窗，室内0.75m高度平面布置有9×3共计27个照度计，相邻照度探头间距0.8m（图2）.该阵列照度测试系统以10min为间隔对室内自然光照度情况进行为期一年的连续测量［5］.

图2 模型教室内自然光照度测量Fig.2 Daylight illuminancemeasurement in model classroom

为了在CSRS模型下进行计算，课题组在Grasshopper软件平台中使用DIVA采光计算模块进行编程使得计算机的采光模拟同时在3种标准天空模型下进行，对3个标准天空模型下取得的计算结果以表1中列出的K值进行线性叠加即得到CSRS模型下的模拟计算结果［6-7］.

在2013年夏季中选取6天作为取值对象（6月21日，7月15日，7月30日，8月15日，8月30日，9月22日），这6天内的实际测试结果的平均值与模拟结果的平均值如图3所示.

由图3可见，该模型教室室内照度随着进深增大而迅速下降；CSRS模型较CIE标准全云天模型更加准确，也意味着该模型更加能够反映某一地区实际的天空亮度分布的均值情况［8］.限于篇幅，文中仅列出少量分时数据，基于更大量数据的统计表明：CSRS模型在准确程度上的优势明显.

2 采光优化设计

文中以某教室侧窗的采光设计及其参数的优化为例阐述建筑采光优化设计方法.参照国家《建筑照明设计规范（GB 50034—2004）》，本课题对教室自然光照明的研究设计中以300 lx作为照度的临界参考值［9］.

2.1 设计对象

图3 照度模拟值与测量值的比较Fig.3 Comparisons of stimulation andmeasurement towards lux value

以华南地区某教室为研究设计对象，该教室周围开阔无明显遮挡.其中标准教室进深8m、层高3.5m，使用单侧窗采光.图4为该教室侧窗剖面，该侧窗外侧1m位置处安装有金属支架用于支撑采光构件.该教室的内墙表面反射率为0.76，地面反射率为0.35，窗玻璃透光率为0.90，研究模型中未放置桌椅，无人工照明措施.

2.2 参数优化

为量化研究侧窗采光表现并对采光构件的参数进行择优.课题组分别针对采光构件的水平位置、垂直位置、旋转角度等量值进行量化研究并对具体参数值进行择优［5，10］.

图4 设计对象侧窗剖面示意图（单位：mm）Fig.4 Cross-section of side window in design object（Unit：mm）

首先，针对采光构件的水平安装参数开展研究，规定侧窗内采光构件安装在距楼层地面2.35m高度处，该采光构件上表面为反射率0.90的镜面材料，此类材料有助于室内引入自然光［11］下表面为反射率0.80的漫反射材料.文中将采光构件的水平位置列出了5种类型，如图5所示.

图5 采光构件的水平位置类型（单位：mm）Fig.5 Options of Horizontal Position of daylight facility（Unit：mm）

在CSRS模型下针对6个选定日（6月21日，7月15日，7月30日，8月15日，8月30日，9月22日）的模拟计算得知，TYPE 1-5在9：00～17：00中照度随进深变化的均值情况如图6所示.

图6 CSRS模型下采光构件在不同水平位置时的室内自然光模拟结果Fig.6 Interior daylighting simulation result of various horizontal positions shading facility under CSRS

综合考虑照度分布的均匀度以及照度值，TYPE3和TYPE4的采光效果更为良好，其中TYPE4在均匀度上更优，因此本案例的采光构件的水平布置方式优选TYPE4.

第二步，进行采光构件的垂直安装位置研究与参数优选.

针对TYPE4采光构件形式开展垂直位置参数的研究，将该构件的安装高度设定为距地面2050、2200、2350mm 3种高度（分别记为H1、H2、H3），如图7所示，研究方法与研究水平位置的方法相同.照度随进深变化的均值情况如图8所示.

由图8可见，安装高度为2.35m（H3）的采光构件在采光表现上可作为优选.

图7 采光构件的垂直位置示意图（单位：mm）Fig.7 Schematic diagram of vertical position of daylight facility（Unit：mm）

图8 CSRS模型下采光构件在不同垂直位置时的室内自然光模拟结果Fig.8 Interior daylighting simulation result of various rertical positions of shading facility under CSRS

第三步，进行采光构件安装角度对采光效果影响的研究，并进行角度参数的优选.

通过对图9所示的从-20°到20°的共计5种角度（R-20～R20）的采光构件在整个夏季的采光表现均值情况（见图10）进行分析可得：当采光构件的安装角度为10°、15°、20°（即图9中的R10、R15、R20）时该房间的照度随进深的分布较R0（即采光构件水平放置）时并未有改善.从图中可知，当采光构件安装角度为-15°至-20°（即图9中的R-15、R-20）时室内照度分布在进深方向的均匀度有明显提升，其中安装角度为-15°与-20°时，以整个夏季的均值情况而言其照度随进深的变化趋势相近，但R-15的采光量较R-20高，因此在本研究中优选R-15形式.

图9 采光构件安装角度示意图（单位：mm）Fig.9 Schematic diagram of daylight facility with different installation angle（Unit：mm）

图10 CSRS模型下采光构件不同安装角度时的室内自然光模拟结果Fig.10 Interior daylighting simulation result of various votation angles of shading facility under CSRS

2.3 优化方案与效果评价

经过第2.2节的分析，优化参数的采光构件方案及其参数如图11所示.

图11 优化的采光构件参数（单位：mm）Fig.11 Optimized light access facility scheme（Unit：mm）

优化参数的采光构件在华南地区夏季9：00～16：00之间的采光均值情况如图12所示.

图12 优化参数采光构件的夏季采光表现Fig.12 Daylight performance of selected plan in summer

由图12可见，该采光构件的采光表现均值情况已经满足国标GB50034中对于照度值的规定，在夏季光气候条件下针对华南地区的侧窗采光教室开展的采光设计工作使得该教室内的自然光照度分布得到了明显优化，且在9：00～16：00时间段内8m进深内的照度均值处于300 lx以上，达到了国家标准中的规定.可见该采光设计方案可以为整个教室提供优良的自然光环境，无论从健康、舒适还是节能等方面均能起到良好的作用［12］.此案例也阐述了基于参考天空模型开展建筑采光优化设计的方法，由于该模型可反映某地区天空亮度分布的均值情况，因此为采光优化设计提供了一种较为便捷、准确的途径.

3 结论

经过对天空亮度的长时间连续观测，构建出华南地区夏季的参考天空模型.该天空亮度模型可以较好地反映该地区的天空亮度分布的均值情况，适宜作为夏季参考天空亮度模型使用.使用该天空亮度模型进行采光分析模拟，其模拟结果较CIE标准全云天模型等更具有实际指导意义，对于分析采光问题更有实用价值.该模型的构建为采光优化设计提供了一条更为准确、可行的途径.通过教室采光问题的研究以及采光优化设计，进一步说明了优化的教室采光设计可能在视觉舒适度以及节能方面所带来的巨大潜力.

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Optim ization of Building Daylighting Design on the Basis of Reference Sky Lum inance Distribution M odel

Bian Yu1，2Ma Yuan3Yu Da-xing1
（1.School of Architecture，South China University of Technology，Guangzhou 510640，Guangdong，China；2.State Key Laboratory of Subtropical Building Science，South China University of Technology，Guangzhou 610640，Guangdong，China；3.School of Architecture and Urban Planning，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510090，Guangdong，China）

In this paper，by combining themethod of observing the sky luminance distribution in a given area and the structure of reference skymodel，a calculation model named as CSRS（China South Reference Sky Model）is constructed and then verified by ameasurement in model classroom.Then，on the condition of summer climate of South China and by taking a classroom with side-window as the research objective，a daylight optimization design procedure is proposed on the basis of CSRSmodel.Finally，an optimized daylight scheme is designed for this case，and corresponding quantization parameters and daylight performance are analyzed.The results show that CSRSmodel ismore accurate than CIEmodel in the building daylight analysis

sky luminance distribution；reference skymodel；building daylight design；daylight performance

TU113

10.3969/j.issn.1000-565X.2015.07.014

1000-565X（2015）07-0100-06

2014-05-30

国家自然科学基金资助项目（51208205）；亚热带建筑科学国家重点实验室自主课题（2013ZC17）

Foundation item：Supported by the National Natural Science Foundation of China（51208205）

边宇（1982-），男，博士，讲师，主要从事建筑光学研究.E-mail：aryubian@163.com