双层玻璃幕墙设计参数对室内光环境影响的模拟研究

周颖，金凤云，杨华，刘联胜，王静

（河北工业大学能源与环境工程学院，天津 300401）

双层玻璃幕墙设计参数对室内光环境影响的模拟研究

周颖，金凤云，杨华，刘联胜，王静

（河北工业大学能源与环境工程学院，天津 300401）

双层玻璃幕墙在现代建筑中应用广泛，其设计不仅要满足于富有表现力的建筑外观，更要充分利用自然采光为室内提供良好的光环境氛围．本研究针对天津某双层玻璃幕墙办公建筑，利用Radiance静态光环境模拟软件，模拟计算了幕墙设计的一些特性参数（如幕墙朝向、内幕墙窗墙比、玻璃透光比、内幕墙窗户外形、内幕墙窗台高度和空气夹层宽度等）对建筑室内光环境的影响，通过分析建筑室内照度及照度均匀度的变化规律得到了合理的幕墙设计参数，以利于建筑充分利用自然采光，提高室内照度水平，降低人工照明能耗．

光环境；双层玻璃幕墙；办公建筑；设计参数；静态模拟

0 引言

自然光是洁净能源，充足的自然光能够改善室内空间的光环境，提高人员的工作效率，降低照明与空调能耗．建筑物天然采光的影响因素很多，其中窗作为建筑自然采光的唯一途径，其设计参数的重要性不言而喻．随着建筑技术的发展，双层玻璃幕墙[1]在国内外建筑上得到大面积应用，为室内自然采光创造了先天的优势条件．前人对于玻璃幕墙建筑室内光环境的研究重点多放在照明能耗分析与幕墙材料带来的室内外光环境污染等问题上[2-4]，而幕墙设计的特性参数（诸如幕墙朝向、内幕墙窗墙比、玻璃透光比、内幕墙窗户外形、内幕墙窗台高度和空气夹层宽度等）对室内光环境的影响尚缺乏深入的研究．同时，随着计算机技术的迅速发展，Radiance等[5-7]一系列光环境模拟软件因其成本低、周期短和准确性高，而日益受到人们的重视．鉴于以上背景，本文试图针对上述幕墙设计特性参数对室内照度及照度均匀度的影响进行模拟分析，以期得到合理的幕墙设计参数，为之后幕墙的设计与优化提供科学依据和参考．

1 物理模型的建立

本研究以天津市某双层玻璃幕墙办公建筑为例，应用Radiance静态光环境模拟软件进行模拟计算分析．该建筑共4层，南侧大部分房间的外围护结构均采用整体式双层玻璃幕墙，其建筑外观图如图1所示．双层玻璃幕墙空气夹层宽度为800mm，具体物性参数见表1所示．

表1 双层玻璃幕墙物性参数Tab.1 The physical parameters of double-skin facade

选取南向1层有双层玻璃幕墙的房间为模拟房间．该房间尺寸为7.9m×7.6m×4.2m（长×宽×高），只有一面外墙即双层玻璃幕墙，房间结构如图2所示．该房间内幕墙窗墙比为0.48，窗下沿距地面为800mm．根据办公建筑的特点，室内假定工作面高度为800mm．

图1 双层玻璃幕墙办公建筑外观图Fig.1 Theappearanceofdouble-skinfacadeofficebuilding

图2 模拟房间室内平面图Fig.2 Theplanviewofsimulatedroom

双层玻璃幕墙建筑室内光环境受到内、外幕墙设计参数的影响，本文将模拟当改变这些参数时，建筑室内照度及照度均匀度的变化，从光环境角度对室内平均照度和照度均匀度2个方面进行分析，提出合理的幕墙设计参数．进行模拟时选取全年中的典型日，典型日工作时间为8:00～17:00，每1h模拟1次．

2 模拟计算结果与分析

2.1 幕墙朝向对室内照度的影响

计算模型内幕墙窗墙比为0.48，内幕墙外形（宽×高×窗个数）：3.65m×2.2m×2．选取全年中的夏至日、春分日和冬至日3个典型日进行模拟，天空模型选择晴天CIE标准模型（阴天工况由于没有太阳直射光的影响，不同朝向室内照度均相同，在此不做赘述）．夏至日、春分日和冬至日晴天工况不同幕墙朝向室内平均照度对比，如图3、图4和图5所示．

从图3、图4与图5中可知晴天工况幕墙朝向不同，室内照度有很大的差别，即晴天工况幕墙朝向是影响室内照度的主要因素．根据《建筑采光设计标准》办公室室内采光标准值为450 lux，低于此值时需开启人工照明设备．夏至日晴天工况，由图3可知，全天工作时间8: 00～17:00内幕墙朝向为南向时有20%的时间室内照度高于450lux，幕墙朝向为北向、东向、西向分别有0%、40%、40%的时间室内照度高于450lux；春分日晴天工况，由图4可知，幕墙朝向为南向、北向、东向、西向时分别有70%、0%、40%、40%的时间室内照度高于450lux；冬至日晴天工况，由图5可知，幕墙朝向为南向、北向、东向、西向时分别有70%、0%、20%、20%的时间室内照度高于450 lux．综上所述，以南向幕墙自然采光为最优，能够有效节约照明能耗，同时为室内提供良好的光环境．

图3 夏至日不同幕墙朝向室内平均照度图Fig.3 Theaverageindoorilluminationofdifferent curtainwallorientationinsummersolstice

2.2 内幕墙窗墙比对室内照度及照度均匀度的影响

图4 春分日不同幕墙朝向室内平均照度图Fig.4 Theaverageindoorilluminationofdifferent curtainwallorientationinvernalequinox

图5 冬至日不同幕墙朝向室内平均照度图Fig.5 Theaverageindoorilluminationofdifferentcurtainwallorientationinwinter solstice

窗口的大小直接影响室内自然采光，选取5种不同窗墙比进行比较，具体窗墙比和窗户外形（宽×高）见表2（窗户宽高比均设为2）．计算模型窗台高度为800mm，幕墙朝向为南向，在夏至日晴天工况这一典型日典型工况进行模拟．

表2 不同内幕墙窗墙比Tab.2 The different w indow-wall ratio of inner curtain w all

通过模拟得到不同窗墙比室内平均照度及照度均匀度，如图6、图7所示．选取时刻9:00不同窗墙比时室内照度分布图，如图8所示．

由图6可知，内幕墙窗墙比不同，室内照度变化规律基本相同，但照度值差别较大．随着窗墙比的增大，室内平均照度在不断增大，但增大幅度随着窗墙比的增大逐渐降低．由图7可知，随着窗墙比的增大，室内照度均匀度在不断的增大，但是增大幅度也在不断减小．由图8容易看出，相同时刻，随着窗墙比的增大，室内照度及照度均匀度均在不断增大．随着距幕墙距离的增加，不同窗墙比的室内照度均逐渐减小，但窗墙比越大，近窗处的照度越大，室内照度减小速度及幅度越大，室内照度相差悬殊，容易引起人员视觉疲劳．综合以上因素分析，窗墙比为0.54时，室内照度及照度均匀度最为适宜．

图6 不同窗墙比平均照度对比图Fig.6 Theaverageilluminationof differentwindow-wallratio

图7 不同窗墙比照度均匀度对比图Fig.7 Theilluminationuniformityof differentwindow-wallratio

图8 时刻9:00不同窗墙比室内照度分布图Fig.8 Theindoorilluminationdistributionofdifferentwindow-wallratioat9:00o'clock

2.3 幕墙玻璃透光率对室内照度及照度均匀度的影响

对于双层玻璃幕墙建筑，内、外幕墙玻璃透光率均影响室内光环境，以内幕墙为例，分析玻璃透光率对室内照度及照度均匀度的影响．计算模型窗墙比为0.48，内幕墙外形（宽×高×窗个数）：3.65m×2.2m×2，窗台高度为800m，幕墙朝向为南向．外幕墙透光率保持不变，在夏至日晴天工况这一典型日典型工况对内幕墙玻璃透光率分别为43%、53%、63%、73%时进行模拟．经过数据处理，得到不同玻璃透光率室内平均照度及照度均匀度对比图，如图9、图10所示．选取时刻9:00不同玻璃透光率时室内照度分布图，如图11所示．

由图9可知，玻璃透光率不同，室内照度变化规律相同，但照度值差别较大．随着玻璃透光率的增大，室内平均照度在不断增大，且增大幅度几乎相同．内幕墙玻璃透光率每增大10%，室内平均照度约增大50lux．由图10可知，内幕墙玻璃透光率不同，室内照度均匀度存在差别．随着玻璃透光率的增大，室内照度均匀度呈现先增大后减小的趋势，当透光率为53%时，室内照度均匀度最大．由图11可知，同一时刻，室内照度分布存在较大差别．随着玻璃透光率的增大，室内近窗处的照度值明显增强，但室内照度均匀度却有所降低，玻璃透光率53%时，室内照度均匀度最好．综合2种因素，同时考虑到过高的玻璃透光率会增加室内空调冷负荷，不利于建筑节能，因此，针对本研究对象，选取透光率63%的玻璃最相宜．

图9 不同玻璃透光率平均照度对比图Fig.9 Theaverageilluminationof differentlighttransmittanceofglass

图10 不同玻璃透光率照度均匀度对比图Fig.10 Theilluminationuniformityof differentlighttransmittanceofglass

2.4 内幕墙窗口形状对室内照度及照度均匀度的影响

图11 时刻9:00不同玻璃透光率室内照度分布图Fig.11 Theindoorilluminationdistributionofdifferentlighttransmittanceofglassat9:00o'clock

对于仅有侧面采光的建筑物，不同的窗口形状（扁长或细高）对室内照度的分布必然存在影响．计算模型内幕墙窗墙比为0.51，窗面积为16.8 m2，窗台高度为800 mm，幕墙朝向为南向，选择夏至日CIE晴天模型进行模拟．选取4种内幕墙窗户形状进行分析，窗户均处于内幕墙中间位置，具体窗户形状（宽×高）见表3．得到不同内幕墙窗户外形室内平均照度及照度均匀度对比图，如图12、图13所示．选取时刻9:00不同窗户外形室内照度分布图，如图14所示．

表3 内幕墙窗户外形（宽×高）Tab.3 The w indow shape of inner curtain w all(w idth×height)

由图12可知，内幕墙外形不同，室内照度不同，尤其是正午12:00左右更加明显．11:00之前和14:00之后，内幕墙宽高比为2.1时室内平均照度最大．11:00～14:00之间由于太阳高度角较大，入射到室内的照度集中在近窗处，因此窗户宽度加大时室内照度较高，即随着窗户宽高比的减小，室内照度降低较明显．由图13可知，随着宽高比的降低，照度均匀度逐渐增大，当宽高比低于2.1时，照度均匀度降低．由图14可知，上午9时同一时刻，内幕墙外形不同，室内平均照度相差无多，但是宽高比过小，直接影响室内照度分布，尤其是近窗墙角处照度值明显降低，易使人产生视觉上的不适．综上，内幕墙窗户外形为6 m×2.8 m即宽高比为2.1时，室内照度及照度均匀度为最适宜．

2.5 其他幕墙特性参数对室内照度及照度均匀度的影响

图12 不同窗户外形平均照度对比图Fig.12 Theaverageilluminationof differentwindowshape

图13 不同窗户外形照度均匀度对比图Fig.13 Theilluminationuniformityof differentwindowshape

图14 时刻9:00不同窗户外形室内照度分布图Fig.14 Theindoorilluminationdistributionofdifferentwindowshapeat9:00o'clock

对于双层玻璃幕墙建筑，内幕墙窗户窗台位置的高低及内外幕墙之间空气夹层的宽度对室内光环境必然存在一定的影响，笔者对其也做了模拟分析，但相较于前4个特性参数影响程度而言比较微弱，在此只做结果表述：随着窗台高度的增加，室内平均照度及照度均匀度变化差值都较小，室内照度先提高后降低，室内照度均匀度在不断提高；幕墙空气夹层宽度对建筑室内照度几乎无影响，但对室内照度均匀度存在一定的影响．随着幕墙夹层宽度的增大，室内照度均匀度先增大后降低．

3 结论

本研究中，通过对天津市某双层玻璃幕墙办公建筑幕墙相关特性参数进行模拟计算，得出以下结论：

1）幕墙朝向在晴天时对室内照度影响较大，尤其是冬季，工作时间段内幕墙朝向为南时室内平均照度最大，其中高于450lux的时间较北向多出70%，较东、西向多出50%．

2）随着内幕墙窗墙比的增大，室内平均照度及照度均匀度均有明显的提高，但综合室内照度分布及能耗影响，针对本研究对象，0.54的窗墙比为最佳选择．

3）玻璃透光率不同，室内照度值差别较大，照度均匀度也存在差别．针对本研究对象，透光率63%的玻璃最相宜．

4）随着窗户宽高比的减小，室内照度及照度均匀度均增大后减小．针对本研究对象，窗户宽高比为2.1左右时室内照度及照度均匀度均在适宜范围．

[1]李保峰．“双层皮”幕墙类型分析及应用展望[J]．建筑学报，2001，48（11）：28-31．

[2]罗涛．玻璃幕墙建筑的室内外天然光环境研究[D]．北京：清华大学，2005．

[3]陈红兵．办公建筑的天然采光与能耗分析[D]．天津：天津大学，2004．

[4]杜峰，孟庆林．玻璃幕墙建筑的室内光污染和热环境研究[J]．建筑科学，2011，27（2）：61-65．

[5]尤伟，吴蔚．浅探运用Radiance模拟天然采光[J]．照明工程学报，2008，19（1）：25-32．

[6]云朋．建筑光环境模拟[M]．北京：中国建筑工业出版社，2010：74-75．

[7]罗涛，燕达．天然光光环境模拟软件的对比研究[J]．建筑科学，2011，27（10）：1-6．

[责任编辑 田丰]

Studyontheimpactofdouble-skinfacade'sdesignparameters onindoordaylightenvironment

ZHOUYing，JINFengyun，YANGHua，LIULiansheng，WANGJing

(SchoolofEnergyandEnvironmentEngineering,HebeiUniversityofTechnology,Tianjin 300401,China)

Double-skinfacadeiswidelyappliedinmodernarchitecture,anditsdesignshouldnotonlymaketheexteriorofthebuildingexpressivelybeautiful,butalsodevote toprovidinggoodnaturallighting fortheambianceofinteriorlightbyfulluseofnaturallighting.AimingatanofficebuildinginTianjin,thisstudysimulated theeffectsofsome characteristicparameters of double-skinfacade(suchas thecurtainwallorientation,window-wallratio ofinnerwalls,lighttransmittanceof glass,windowappearanceofinner wall,sillheightofinnerwallandwidthofair-inter-layer)onindoorlightenvironment,usingRadiancestaticlightenvironmentsimulationsoftware.Somereasonablycurtainwall designparametershavebeenobtainedthroughtheanalysisofthevariationofindoorilluminationandilluminationuniformityinordertofacilitatethebuildingfulluseofnaturallighting, toimprovetheindoorilluminationlevelsandtoreduceartificiallightingenergyconsumption.

lightenvironment;double-skinfacade;officebuilding;designparameters;staticsimulation

TU 228；TU113

A

1007-2373(2015)06-0052-06

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.06.010

2015-05-11

河北省自然科学基金（E2015202243）；河北省科技计划项目（13226604D-4）；天津市科技支撑计划（14ZCDZGX00821）

周颖（1992-），女（汉族），硕士生．通讯作者：杨华（1970-），女（汉族），教授，y8h8@163.com．

数字出版日期：2015-11-18数字出版网址：http://www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20151118.1051.008.html