基于Relux的自然采光与照明节能仿真

易 斌，袁 韬，杨 静，米红菊

(解放军后勤工程学院 机械与电气工程系，重庆 401311)

基于Relux的自然采光与照明节能仿真

易 斌，袁 韬，杨 静，米红菊

(解放军后勤工程学院 机械与电气工程系，重庆 401311)

人工照明系统用电占到了全世界电能消耗的19%，采用自然采光替代人工照明被认为是可持续建筑设计中有效手段之一。新版《建筑采光设计标准》(GB 50033—2013)相比旧版有较大的修订，给出了新的采光设计与采光节能的设计指标和计算方法。本文以重庆某综合体绿色建筑为例，分别采用照明仿真软件Relux和GB50033提供的公式，对其教室部分的自然采光及节能潜力加以分析。结果表明，当采用了较复杂的窗型与遮阳设计方案时，Relux能得到更为精确的自然采光分析结果。最后对采光照明节能计算仿真软件的改进方向提出了建议。

采光设计；采光系数；光环境仿真；照明节能；Relux

引言

建筑领域在全社会能源消耗中占比较大，根据欧盟建筑能效指令(EPBD, Energy Performance of Buildings)的统计数据，建筑耗能占到全社会终端耗能的40%，与美国能源信息署(EIA, Energy Information Administration)数据接近[1-2]。我国的2013年建筑总商品能耗为7.62亿tce，约占全国能耗消费总量的19.5%，总用电量为13332亿kWh，占全社会总用电量的25%。其中商业及公共建筑用能在我国建筑耗能中所占比重较大，统计数据表明，不含北方地区集中供暖用能在内，2013年我国公共建筑面积99亿m2，占全国建筑总面积的18.3%，但其能耗总量占到了27.9%；根据建筑使用功能不同，其中照明系统耗能约占到20%～40%[3]。

多年的绿色建筑运行实例证明，建筑照明节能直接有效的方法为自然采光的利用与灵活智能的照明控制策略[4-5]。相比照明控制而言，自然采光方案所涉及的窗墙比、遮阳形式等一旦确定，后期改进调整的可能性及灵活性要小得多，因此更应在建筑方案设计之初就加以足够重视[6-7]。

1 采光系数设计标准与采光节能

自然采光不仅可满足各类视觉工作的要求，更是满足人的生理节律和心理需求的重要环境指标。为了在建筑采光设计中，贯彻国家的法律法规和技术经济政策，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，住建部于2012年12月颁发了GB 50033—2013《建筑采光设计标准》，作为民用建筑和工业建筑的新建、改建和扩建工程的采光设计依据。新版GB 50033《建筑采光设计标准》对采光系数标准值以及采光计算方法进行了修订，通过调查与仿真给出了采光系数平均值的计算公式，并将住宅、教育类建筑、医疗类建筑的采光标准作为强制性条文加以执行，按照GB 50033标准要求，教室、实验室、阶梯教室的采光系数平均值应不小于3%。为更有利于充分利用天然光、创造良好光环境和节约能源，GB 50033还参照欧洲标准提出了采光节能计算方法，并给出了适合国内光环境条件的计算参数[8]。

本文以重庆某综合体绿色建筑中的教学区域为例，按照规范给出的公式对其采光性能及节能加以计算。该建筑地上5层，地下1层，总建筑面积11 609m2。项目集中采用了地源热泵、智能照明、太阳能光伏/光热利用、建筑立体绿化等一系列节能措施，设计节能率75.4%，是重庆市首个绿色建筑示范工程。

该综合体建筑西侧二层为教学用房，为在保证自然采光和LEED认证中所要求的视野等条文要求的同时，降低人工照明与空调耗能，项目综合采用了立面绿化、竖向外遮阳及加装反光板提高冬季室内采光系数等措施，其墙身与窗套大样图如图1所示。

图1 教室墙身大样图与窗套大样图Fig.1 Classroom’s Walls and Windows detail drawing

1.1 采光系数计算

规范GB 50033给出了教育类建筑采光系数标准与采光节能参数，按照规范提出的侧面采光条件下相关采光系数计算公式，计算教室在典型条件下的采光系数平均值，其计算条件参数如表1所示。

表1 采光系数计算参数

据此计算可得：

总透射比τ=τ0·τc·τw=0.513

根据规范条文说明，上述公式采用了修正后的Lynes采光系数平均值计算公式，式中的窗结构挡光折减系数τc仅考虑了窗材料与窗扇层数对采光的影响。本项目中由于采用了样式更为复杂的窗套结构，规范中无相应的折减系数建议取值和修正公式，如仍按上述公式计算其结果势必存在一定偏差，初步判断其采光系数应小于上式计算结果。从计算结果分析，6.02%的采光系数平均值不仅高于GB50033所规定的教育类建筑普通教室采光系数标准值不低于3%的要求，其结果甚至超过了规范中I级采光等级(特别精细视觉作业)给出的5%采光系数值。而该教室的窗地比为0.18，属于(0.12，0.2)区间，按照重庆地区V类光气候区其光气候系数K值为1.2，该教室的窗地比仅介于采光等级V级(粗糙)与IV级(一般)之间。即便是进一步考虑窗总的透射比、室内各表面材料反射系数加权平均等修正后，上述结果不排除存在较大的误差。为得到相对准确的建筑采光分析结果，可利用光环境仿真软件加以仿真分析。

1.2 采光节能计算

依据规范给出的采光节能计算公式，计算教室部分可节省的照明用电量，其计算条件参数如表2所示。

表2 采光节能计算参数取值

据此计算可得：

考虑全年逐时的光气候数据以及不同类型建筑的作息时间，按照GB 50033附录给出的重庆地区学校类建筑可利用天然光时数数据，全部利用天然光时数tD为1 023 h，部分利用天然光时数tD′为542 h，修正后的计算结果，全年可节省的照明用电量We=931.68 kWh，Ue=17.5 kWh/(m2·年)。

2 基于Relux的自然采光计算与节能分析

利用光环境仿真软件，对建筑采光与照明设计加以仿真分析是照明设计领域的大势所趋，经过多年的发展，涌现出的包括Radiance、Ecotect、Daysim、DIALux、ReluxSuite等在内的大批光环境模拟性能不断得到改进，被广泛应用在了采光系统模拟、遮挡和日影分析、光环境模拟仿真、照明能耗计算等领域，对照明设计的理念和方法都产生了巨大的影响[9]。其中，ReluxSuite是由瑞士Relux Informatik AG公司开发的免费的可视化照明设计工具软件，凭借其功能全面、界面友好、操作简单等特点，在光环境仿真领域得到了广泛应用。另外，ReluxPro还包含了进行能效计算的ReluxEnergy模块，软件还可对仿真结果依据欧洲地区的相关规范，如EN 15193、DIN 18599-4等欧洲建筑能效标准计算能源消耗总量并判断设计方案合规与否[10-11]。

2.1 采光系数仿真计算

为对比不同窗套结构下采光系数的不同，在Relux中分别建立四个教室采光仿真模型，如图2所示。

图2 教室采光性能仿真模型Fig.2 Classroom’s Daylighting Properties Simulation Model

仿真环节的材料反射比、透射比等参数同样均按照表2取值。为对比四种不同窗套形式的采光性能，仿真计算9月21日9时全阴天天空照度下的采光性能，仿真结果如图3所示。

Relux软件仿真结果表明，当不考虑外遮阳构件(如图2(a)所示)时，参考工作面(0.75m)上的采光系数平均值Cav为5.9%，与按照GB 50033—2013中的公式的计算结果接近，此时的采光系数最小值Cmin=2.6%；加入竖向遮阳(如图2(b)所示)后Cav=3.6%、Cmin=0.7%；如图2(c)所示，在上侧加入水平遮阳板后自然采光受到较大影响，Cav急剧减小至2.1%，此时的Cmin为0.5%；方案d仅采用竖向遮阳但在采光窗内侧加入反光板后的Cav=4.5%、Cmin=1.3%。

从软件仿真结果可以看出外遮阳构件对采光系数分布的影响明显，按照GB 50033中对教育类建筑其自然采光的要求，方案(b)、(c)均不满足GB 50033—2013中Cav≮3.6%(V类光气候区)的强制性条文规定。方案(d)加入反射板后，不仅可以有效的改善自然采光，特别是提升大进深处的采光。实际工程中，综合考虑辐射得热对建筑热环境影响以及由此造成的空调设备耗能，最终选用的是方案(d)(如图2所示)，采用竖向遮阳与反光板相结合的窗套结构。

不同窗套形式下的采光系数最小值分别为2.6%、0.7%、0.5%、1.3%，只从仿真结果数值判断，本工程似乎不满足当时的采光设计标准GB 50033—2001中规定教室的视觉工作作业精确度为“精细”，采光系数最低值Cmin≮2.0%的要求。但实际上2001版采光设计标准中，采光系数标准值是根据室外临界照度为5 000 lx制定的，按此标准，对应的室内天然光临界照度Emin为100lx。在GB 50033—2013《建筑采光设计标准》中，采光系数标准值是依据适用于我国Ⅲ类光气候区，按室外设计照度值15 000 lx 制定，对应的室内天然光照度标准值En为450 lx。在仿真过程中，将室外天然光设计照度值Es，是按照项目所在地重庆所属的V类光气候区取值12 000 lx。依据仿真结果，方案a～d的室内照度临界值Emin应分别为312 lx，84 lx，60 lx，156 lx；与前述的分析结论一致，不论是按照2001版还是2013版建筑采光设计标准，对本项目而言方案b)、c)不满足采光规范要求，方案a)、d)采光设计符合标准要求。

图3 采光系数仿真结果伪彩色图Fig.3 Pseudo-Color Map of Daylight Factor Simulation Results

2.2 采光节能仿真分析

在得到了采光系数仿真结果后，进一步利用Relux对不同窗套结构下的采光节能加以分析。在Relux的照明能耗仿真环节，仿真结果包括由自然采光提供充足采光的月工作小时数及工作时间百分比，如用户提供了电价、照明控制方案等参数，还可仿真得到相应的如采用照度控制、调光控制等策略后，照明系统可节省的电费等经济性指标。因此在仿真前，用户需设置相应的光环境参数、人工照明灯具数量规格以及用户的工作制度等关键参数。

重庆的年总日辐射量、年日照时数及年日照百分率均属全国最低位之列。日照时数多年均为1 112.8～1 655.8 h，年百分率仅25%～30%，其中夏季日照时数占全年的42%～46%，冬季仅占11%左右[12]。利用Relux进行采光节能仿真时，需提供项目所在地的逐月日照概率，EN 15193中缺省的默认值为40%。为得到准确的仿真结果，应从各地的光气候数据库中查得逐月日照概率值。值得一提的是，自2015年后推出的ReluxSuit已经在软件中自带光气候数据包，不少城市的日照概率数据均可在软件中直接查到。大大的节省了前期数据准备的时间，提高了仿真效率，方便用户将更多的精力用于采光设计方案的调整和优化上。本例中，即直接采用Relux软件自带的重庆-沙坪坝气象站日照比例相关数据。

本次仿真将寒暑假的时间分别定为1月28日至2月23日，7月20日至9月1日，全年的工作日为250天。将教室每天的使用时间定为8:30—21:00，期间12:00—14:30为午休时间、17:30—19:00为晚餐时间。另外，在GB 50033—2013《建筑采光设计标准》条文说明中，对于教育类建筑给出的使用时间为每天的7:00—17:00，在仿真中对两种不同使用时段设置均作了计算。作为对比自然采光是否可提供充足照明的依据，需提供室内的照度标准值等，本例中采用GB 50033中给出的利用自然采光时的教室照度标准450lx。如前所述，本项目中方案(b)、(c)不满足采光规范要求，为节省仿真成本故只对方案(a)和方案(d)进一步进行采光节能分析对比。仿真结果如图4所示。

仿真结果表明遮阳设施的窗套结构，对自然采光节能的影响明显。由图4可知，8月由于正值暑假，故仿真时未计算此部分的采光节能。图4(a)中，不加遮阳时，自然采光可提供充足采光的时段占总的教室使用时间的74.4%；加上竖向遮阳和反光板后，自然采光可提供充足采光的时间减少到38.7%。窗套无遮阳时对应的自然采光可利用小时数为1 354.8 h，可节省的照明用电量分部为975.5 kWh；窗套加入遮阳及反光板构件后，自然采光可利用小时数为690.8 h，可节省的照明用电量分部为497.3 kWh。

图4(b)是按照7:00—17:00设置工作时间的仿真结果，虽然总的工作时长增加，实际由于是教室白天的使用时间增加了，因此可依靠自然采光的时段所占比值有所上升。窗套无遮阳时对应的自然采光可利用小时数为1 862.7 h，占总工作时间的88.7%；此时可节省的照明用电量分部为1 341 kWh，大大超出前述按照GB 50033中重庆光气候参数修正后的计算结果。窗套加入遮阳及反光板构件后，自然采光可利用小时数为854.7 h，占总工作时间的40.7%；可节省的照明用电量分部为615 kWh。

Relux照明节能仿真环节还可直观的将全年需人工照明的日期和时段图形化显示，只需用户给出的全阴天、全晴天两种不同情况下室外照度曲线。Relux可允许用户设置5个照度值，在本例中参照GB 50034—2013《建筑照明设计标准》以及GB 50033对教室的设定，由人工照明300 lx标准、自然采光的450lx标准，依据采光仿真计算中得到的采光系数均值，计算出达到上述标准时所需的室外照度标准值并作为分析采光节能时段的限值。以方案d为例，仿真结果Cav为4.5%，据此，室外照度在6 667 lx时室内达到300 lx，室外照度10 000 lx时达到450 lx。如图5所示，为采用遮阳方案的全阴天采光仿真结果。

图4 自然采光提供照明的工作时间百分比仿真结果Fig.4 Percentage Of Working Hours Which Natural Daylighting Can Supply Enough Illuminance

图5 采用竖向遮阳加反光板构件、全阴天自然采光照明仿真结果Fig.5 Overcast Sky Day-Lighting Performance Simulation Result of Vertical Sunshade With Reflector

图中纵坐标为时序，横坐标为全年的日期，图中填充颜色的面积所示为需要开启人工照明的时段。不同曲线包围的面积，对应按照当前平均采光系数均值，满足不同的室内照度条件下，可直接由自然采光提供充足照明的时段。上述计算结果为照明灯具仅考虑开关控制时的照明节能潜力，Relux还支持采用灯具调光控制等照明控制策略下的节能与经济性分析。此外，由Nabil和Mardaljevic于2005年提出的有效全自然采光时间百分比(Useful Daylight Autonomy，UDA)，将能有效利用自然光的时间需满足工作面照度范围定义100 lx

3 结论及建议

建筑自然采光对于建筑能效、光环境舒适度等均有重要影响，GB 50033—2013《建筑采光设计标准》将住宅、教育建筑采光系数平均值作为强制性条文加以要求，足以体现重视程度。然而规范中给出的计算方法内外遮阳、反光板等各类构件的减光影响并无具体的建议取值，无法进一步对自然采光设计方案加以修正。故此对于绿色建筑采光方案设计环节，有必要利用Relux、DIAlux、AGI32、PKCG等光环境仿真软件对采光性能及节能潜力等进行更为精确的仿真分析[14]。

建筑能效与其使用管理模式，以及包括光环境参数在内的资源条件密切相关，利用仿真软件对建筑的自然采光节能效果进行动态仿真是更为合理的方法。本例仿真结果表明，对工作区域设置不同的工作时段对最终的节能仿真结果影响明显。相比上一版，GB 50033—2013《建筑采光设计标准》新增了采光节能的相关章节，提出了具体的要求。但由于采光设计标准规范中只提供了为数不多的城市的利用天然光时数等建议值，使得采光节能计算结果的说服力嫌过于笼统。因此建议设计人员在条件许可的前提下，尽可能利用软件仿真分析，以选定性价比合理的照明控制策略。

自然采光仿真分析环节的光气候数据的收集，以及建筑建模是必须完成的重要前提工作。对于前者而言，ReluxSuit自带了全球范围内的诸多城市的逐月日照概率值，可大大简化用户的数据收集工作量，是该软件的优势之一。至于论及建筑建模的效率及准确性，应该说，当前主流的光环境仿真软件对于建模的支持都有较大的改进空间。随着建筑信息模型BIM的日渐深入人心，未来直接导入BIM模型完成建筑光环境/热环境/能效仿真等，应该是相关软件可行的改进方向[15-17]。

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Daylight and Energy Saving Simulation Based on Relux

YI Bin, YUAN Tao, YANG Jing, MI Hongju

(Dept. of Machinery & Electric Engineering, LEU, Chongqing 401311,China)

Artificial lighting makes up 19% of electrical consumption worldwide. Daylight has been recognized as a free energy and cost effective alternative to artificial lighting for sustainable building design. the new versionStandardforDaylightingDesignofBuildings(GB50033) has fully revised the original standard, which presents new metrics and methods for indoor daylight availability assessment, as well as estimation methods used for predicting potential energy saving from daylight. A case study of a newly constructed educational building in the LEU, Chongqing, is presented. Computational analysis using validated lighting simulation tool Relux and formulas in GB50033 standard will be conducted to simulate the daylighting performance in the selected classroom. The results show that using the RELUX simulation tools have more accurate results than using the formulas of standard when the complex windows and sunshade model was adopted.Finally, the current limitations of tools and processes and propose future developments were described.

daylighting design; daylight factor; lighting environment simulation; lighting energy-saving; Relux

TU113.4

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2016.06.005