办公建筑室内自然光环境模拟评估①

姜涛

（中铁第四勘察设计院集团有限责任公司，湖北 武汉 430063）

0 引言

自然光是一种绿色资源，取之不尽，用之不竭，是大自然赐给我们的宝贵财富.在建筑设计中，若能科学合理的利用自然光，不仅可以有效减小照明及采暖空调等能耗，还可以改善建筑物采光条件，提供健康舒适的采光环境.

从照明能耗来看，自然光照明是绿色照明的重要方面.据统计，建筑在运行过程中照明能耗占总能耗的40%～50%，节约照明用电可减少自然资源的消耗及有害气体的排放，有利于环境保护［1].从冬季采暖能耗来看，自然光照明可以有效利用辐射热能来调节建筑物内部的小气候，降低建筑能耗［2].在大力提倡节能减排的今天，自然采光所带来的节能效果是不容忽视的.

就照明效果而言，人眼最能适应的是自然光.在这方面，人工光源是无法完全替代自然光的.自然光不仅具有比人工光源更好的视觉效果，而且还能提供更为健康的光环境.

本文中根据武汉市武昌区某办公建筑，建立室内光环境模型，设置相关边界条件，从采光系数及天光照度两个方面，结合室外天空照度，模拟分析并评估室内自然光环境.

1 相关评估标准

本研究设计的标准主要为《建筑采光设计标准》［3]，《建筑照明设计标准》［4]及《绿色建筑评价标准》［5].根据《建筑采光设计标准》［3]，视觉作业场所工作面上的采光系数标准值，应符合表1中的规定.根据《建筑照明设计标准》［4]相关规定，办公建筑照明标准值应符合下表2的规定.

表1 各视觉作业场所工作面上的采光系数标准值

表2 办公建筑照明标准值

《绿色建筑评价标准》［5]相关条款要求办公、宾馆类建筑75%以上的主要功能空间室内采光系数满足现行国家标准《建筑采光设计标准》［3]的要求.研究中考虑办公室采光等级为3级，同时相关条款也规定公共建筑的室内照度等要满足《建筑照明设计标准》［4]中相关规定.研究中考虑办公室为普通办公室.

2 评估工具

ECOTECT［6]是由英国Square One公司开发的生态建筑设计软件，其计算核心指标为采光系数.采光系数计算采用的是建筑研究组织的分项研究方法.该计算方法不考虑直射光，到达房间内任一点上的自然光包含3个独立的组成部分：天空光组分，外部反射光组分，反射光组分.首先系统分别计算某一点上的3个不同组成部分，最后综合取得采光系数.在利用自然光采光时，室内照度随室外照度而时刻变化着.因此在确定室内自然光照度水平时，必须把它同室外照度联系起来考虑.鉴于此，文中将从采光系数及天光照度两个方面并结合室外天空照度来分析研究室内光环境.文中模拟自然采光的软件为ECOTECT［6]软件 .

3 模型建立及边界条件设置

该办公建筑位于武汉市武昌区，共有7层，均为标准层.标准层建筑面积为2 318m2，标准层高为4.2m，南北长度为68m，东西长度为42m，有效窗户高度为3.6m，窗墙比为0.47.本文中针对该建筑物的标准层建模，窗户、幕墙及内墙等结构均依据所提供的建筑图纸进行相关设置，并选取标准层模型进行分析，具体三维示意图如图1.

图1 标准层三维模型示意图

图2 CIE全阴天天空背景照度分布图

武汉地区属于IV类地区，其室外临界照度为4 500 lx，纬度为30.6N，经度为114.1E，时区为+8：00，地形为城市，模型方向为北向偏移-24°.模拟中，天空背景照度设置为CIE全阴天模式，如下图2.为便于分析，选取模拟日期为3月21日（春分），时刻为正午时分.

4 室内光环境结果分析

室内采光系数的模拟结果如下图3所示.室内采光系数范围为1%～25%.其中采光系数＜2%的区域主要分布在楼梯间和电梯间，占总面积3.39%.从整体来看，96.47%的室内空间采光系数满足＞2%，满足“75%的室内空间采光系数＞2%”的要求.

图3 室内采光系数分布图

图4 室外临界照度下室内天光照度分布图

室外临界天空照度和设计天空照度本质上都是室外照度，但其不完全相同，设计天空照度更接近正常使用中的情况，而室外临界照度则是一个最低限度.由于我国标准中的采光系数是根据不同室内的最低照度要求和室外临界照度推算出来的，如果要根据我国标准进行评估，应该选取室外临界照度来计算.如果评估实际使用条件下的采光情况，则应该采用设计天空照度计算室内照度.本文中将分为室外临界照度和室内设计天空照度两种情况来模拟分析.

若按照《建筑采光设计标准》［3]的要求来分析此建筑物内的照度情况，即设置室内天光照度为室外临界照度4 500 lx，计算天光照度，模拟结果如下图4.整个室内空间，室内天光照度范围为45～1 125 lx.其中只有楼梯间、电梯及电梯前室3个非工作区域照度低于100 lx.因此可以判断，自然采光设计满足视觉工作等级3（精细）的要求（即室内天然光临界照度不低于100 lx）.

在建筑的实际使用条件下，设计天空照度更接近正常使用情况.选取模型纬度计算，程序自动计算得到设计天空照度为9 000 lx.设置其他边界条件后计算分析，得到室内天光照度分布图如图5.整个空间室内天光照度范围90～2 250 lx.其中休息室、楼梯间及电梯区域等非办公区域照度低于300 lx，其它区域（即办公区域）均大于300 lx，满足公共建筑中办公室的照度不低于300 lx的要求.

图5 室外设计照度下室内天光照度分布图

5 总结

本文中采用ECOTECT［6]对某办公建筑室内自然光环境进行建模模拟分析，结果表明该建筑96.47%的室内空间的采光系数大于2%，满足《绿色建筑评价标准》［5]中规定的75%的室内空间的采光系数大于2%.

在室外临界照度（4 500 lx）下，模拟结果表明照度小于100 lx的区域占总建筑面积的9.17%，主要分布于楼梯间、电梯间及休息区等非工作区域，而其他办公区域（90.83%）均满足《建筑采光设计标准》［3]规定的采光等级3的室内自然光临界照度不低于100 lx.在设计天空照度（9 000 lx）下，模拟结果表明占建筑面积的13.62%的电梯间、电梯间及休息区等局部死角区域的照度小于300 lx，其他办公区域均满足《建筑照明设计标准》［4]规定的公共建筑中办公室的照度不低于300 lx.

［1]戴立飞，高辉，谢贤文.反光板在建筑自然采光中的应用［J].工业建筑，2007（12）:54.

［2]黄咏梅.从绿色铁路客站角度议武汉站自然采光设计［J].城市建筑，2013（8）:248.

［3]GB/T 50033-2001.建筑采光设计标准［S].北京:中国建筑工业出版社，2001.

［4]GB 50034-2004.建筑照明设计标准［S].北京:中国建筑工业出版社，2004.

［5]GB/T50378-2006.绿色建筑评价标准［S].北京:中国建筑工业出版社，2006.

［6]云朋.ECOTECT建筑环境设计教程［M].北京:中国建筑工业出版社，2007:100-101.